Термин «экология» (от греч. «Ойкос» — дом, жилище и «логос» - наука) был предложен более 100 лет назад выдающимся немецким естествоиспытателем Эрнстом Геккелем.
В буквальном смысле экология — это наука об условиях существования живых организмов, их взаимодействиях между собой и окружающей средой.
Экология — это также междисциплинарное системное научное направление [7, 10]. Возникнув на почве биологии, оно включает в себя элементы математики, физики, химии. Но экология и гуманитарная наука, поскольку от поведения человека, его культуры во многом зависит судьба биосферы, а вместе с ней и человеческой цивилизации.
В зависимости от специфики решаемых экологических задач существуют ее разнообразные прикладные направления: инженерная, медицинская, химическая, космическая экология, агроэкология, экология пищи, экология человека и т.д.
Что является предметом исследования экологии? Экология изучает организацию и функционирование живых систем более сложных, чем организм, т. с. надорганизменных систем. Эти системы получили название экологических систем или экосистем.
Экосистема — это безразмерная устойчивая система живых и неживых компонентов, в которой совершается внешний и внутренний круговорот вещества и энергии [7]. В качестве примеров можно привести лесные экосистемы, почвы, гидросферу и т.д.
Самой крупной экосистемой, предельной по размерам и масштабам, является биосфера. Биосферой называют активную оболочку Земли, включающую все живые организмы Земли и находящуюся во взаимодействии с неживой средой (химической и физической) нашей планеты, с которой они составляют единое целое. Биосфера нашей планеты существует 3 млрд лет, она растет и усложняется наперекор тенденциям холодной энтропийной смерти; она несет разумную жизнь и цивилизацию. Биосфера существовала задолго до появления человека и может обойтись без него. Напротив, существование человека невозможно без биосферы.
Основоположником учения о биосфере является великий русский естествоиспытатель, мыслитель и общественный деятель Владимир Иванович Вернадский. Он разработал целостное учение о биосфере, её эволюции в ноосферу. Ноосфера – это высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного человечества, когда его разумная деятельность становится главным определяющим фактором
С определением экосистемы тесно связано понятие биогеоценоза. Биогеоценоз – это эволюционно сложившаяся, пространственно ограниченная, длительно самоподдерживающаяся, однородная экологическая система, в которой функционально взаимосвязаны живые организмы и окружающая их абиотическая среда. Биогеоценоз характеризуется относительно самостоятельным обменом веществ и особым типом использования потока солнечной энергии. Биогеоценозами являются: луга, леса, поля, водоемы.
Крупная региональная экосистема, характеризующаяся каким-либо основным типом растительности, называется биомом. Например, биом пустыни или влажного тропического леса. Гораздо меньшей системой является популяция, включающая группу особей одного вида, т. е. единого происхождения, занимающая определенный участок. Более сложной системой, чем популяция, является сообщество, которое включает все популяции, занимающие данную территорию. Таким образом, популяция, сообщество, биом, биосфера располагаются в иерархическом порядке от малых систем к крупным.
Важное следствие иерархической организации состоит в том, что по мере объединения компонентов в более крупные функциональные единицы на новых ступенях иерархической лестницы возникают новые свойства, отсутствующие на предыдущих ступенях. Эти свойства нельзя предсказать исходя из свойств компонентов, составляющих новый уровень. Этот принцип получил название эмерджентности. Суть его: свойства целого невозможно свести к сумме свойств его частей. Например, водород и кислород, находящиеся на атомарном уровне, при соединении образуют молекулу воды, обладающую уже совершенно новыми свойствами. Другой пример. Некоторые водоросли и кишечнополостные образуют систему коралловых рифов. Огромная продуктивность и разнообразие коралловых рифов — эмерджентные свойства, характерные только для рифового сообщества, но никак не для его компонентов, живущих в воде с низким содержанием биогенных элементов.
Деятельность организмов в экосистеме приспосабливает геохимическую среду к своим биологическим потребностям. Тот факт, что химический состав атмосферы и сильно забуференная физическая среда Земли резко отличаются от условий на любой другой планете Солнечной системы, позволил сформулировать гипотезу Геи [12]. Согласно этой гипотезе именно живые организмы создали и поддерживают на Земле благоприятные для жизни условия.
Скорее всего зеленые растения и некоторые микроорганизмы сыграли основную роль в формировании земной атмосферы с ее высоким содержанием кислорода и низким содержанием углекислого газа. Гипотеза Геи подчеркивает важность изучения и сохранения этих регулирующих механизмов, которые позволяют атмосфере приспосабливаться к загрязнениям, обусловленным деятельностью человека.
В состав экосистемы входят следующие компоненты:
• неорганические вещества (С, О2, N2, P, S, СО2, Н2О и др.), которые включаются в круговороты веществ;
• органические соединения (белки, углеводы, липиды и др.), связывающие биотическую (живую) и абиотическую (неживую) компоненты экосистемы;
• воздушная, водная и субстратная среды, включающие климатический режим и другие физические факторы;
• продуценты, автотрофные (самопитающиеся) организмы, в основном зеленые растения, которые, используя энергию солнечного света, синтезируют органические вещества из углекислого газа и воды;
• консументы первого порядка (растительноядные животные) и второго порядка (хищники), гетеротрофные организмы, в основном животные, питающиеся другими организмами;
• редуценты или деструкторы, в основном бактерии и грибы, живущие за счет разложения тканей умерших организмов.
Образование органических веществ зелеными растениями при использовании энергии солнечного света происходит в процессе фотосинтеза:
6СО2 + 6Н2О ® С6Н12О6 + 6О2 .
У зеленых растений Н2О окисляется с образованием газообразного кислорода О2, при этом СО2 восстанавливается до органических веществ (в приведенном уравнении органическое вещество — глюкоза). У фотосинтезирующих бактерий синтезируются органические вещества, но не образуется кислород. Дыхание — процесс, обратный фотосинтезу, при котором органические вещества окисляются с помощью атмосферного кислорода.
Редуценты, разлагая отмершие остатки организмов, освобождают биогенные элементы (С, О2, N2, P, S и др.), которые поступают в круговорот, необходимый для существования экосистем.
Каждый год продуцентами на Земле создается около 100 млрд тонн органического вещества, что составляет глобальную продукцию биосферы. За этот же промежуток времени приблизительно такое же количество живого вещества, окисляясь, превращается в СО2 и Н2О в результате дыхания организмов. Этот процесс называется глобальным распадом. Но этот баланс существовал не всегда. Примерно 1 млрд лет назад часть образуемого продуцентами вещества не расходовалась на дыхание и не разлагалась, так как в биосфере еще не было достаточного числа консументов. В результате этого органическое вещество сохранялось и задерживалось в осадках. Преобладание синтеза органических веществ над их разложением привело к уменьшению в атмосфере Земли углекислого газа и накоплению кислорода. Около 300 млн лет назад особенно большой избыток органической продукции привел к образованию горючих ископаемых, за счет которых человек позже совершил промышленную революцию. А более чем 60 млн лет назад выработалось колеблющееся стационарное соотношение между глобальной продукцией и распадом.
Однако за последние полвека в результате хозяйственной деятельности человека, связанной главным образом со сжиганием горючих ископаемых, концентрация СО2 в атмосфере повысилась, а О2 — уменьшилась, что создает критическую ситуацию для устойчивости атмосферы. Таким образом, важнейшей характеристикой экосистем является круговорот веществ, определяемый глобальной продукцией и распадом.
Следующей важнейшей характеристикой экосистем является их кибернетическое поведение. Кибернетическое поведение экосистем определяется тем, что они обладают развитыми информационными сетями, включающими потоки физических и химических сигналов, которые связывают все части экосистемы и управляют ею как единым целым. Отличие экосистем от кибернетических устройств, созданных человеком, заключается в том, что управляющие функции экосистемы сосредоточены внутри нее и диффузны. В кибернетических же системах, созданных человеком, управляющие функции направлены вовне и специализированы.
При сравнении кибернетической системы с экосистемой можно найти нечто общее. В той и другой управление основано на обратной связи. Известно, что энергия обратной связи крайне мала по сравнению с инициируемой ею энергией, которая возбуждается в системе, идет ли речь о техническом устройстве, организме или экосистеме. Устройства, осуществляющие обратную связь в живых системах, называются гомеостатическими механизмами. Гомеостаз в применении к организму означает поддержание его внутренней среды и устойчивость его основных физиологических функций. В применении к экосистеме гомеостаз означает сохранение ее постоянного видового состава и числа особей. Гомеостатические механизмы поддерживают стабильность экосистем, предупреждая полное выедание растений травоядными животными или катастрофические колебания численности хищников и их жертв и т.д.
Степень стабильности экосистем весьма различна и зависит как от жесткости окружающей среды, так и от эффективности внутренних управляющих механизмов. При этом выделяют два типа устойчивости:
• резистентная устойчивость — способность оставаться в устойчивом состоянии под нагрузкой. Так, лес из секвойи (высота деревьев выше 100 м, диаметр 6—11 м) устойчив к пожарам, поскольку эти деревья среди сородичей обладают самой толстой корой, содержат десятки тонн воды и т.д. Но если этот лес все-таки сгорит, то восстанавливается очень медленно;
• упругая устойчивость (противоположна резистентной) — способность быстро восстанавливаться. Так, заросли кустарника чапараля легко выгорают, но быстро восстанавливаются.
Помимо систем обратной связи стабильность обеспечивается избыточностью функциональных компонентов. Избыточность хорошо объясняется на примере организма, имеющего парные органы (руки, ноги, глаза, уши, почки, легкие) и многократно дублированные органы иммунитета. Избыточность характерна и для экосистемы. Если в экосистеме имеется несколько видов автотрофных зеленых растений, каждое из которых имеет свой температурный диапазон, то скорость фотосинтеза в экосистеме может оставаться неизменной, несмотря на колебания температуры.
Мозг человека представляет собой устройство с низкими энергетическими характеристиками и с огромными способностями к управлению, поскольку при относительно малой затрате энергии он способен продуцировать разнообразные мощные идеи. Это сделало человека самым могущественным существом на Земле. По крайней мере, это касается его способности изменять функционирование экосистем, в том числе и биосферы.
Основные характеристики экосистемы — ее размер, ее устойчивость, процессы самовосстановления, самоочищения.
Размер экосистемы — пространство, в котором возможно осуществление процессов саморегуляции и самовосстановления всех составляющих экосистему компонентов и элементов.
Самовосстановление природной экосистемы — самостоятельный возврат природной экосистемы к состоянию динамического равновесия, из которого она была выведена воздействием природных и антропогенных факторов.
Самоочищение — естественное разрушение загрязнителя в среде в результате процессов, происходящих в экосистеме.
Экосистемы можно классифицировать по разным признакам. Б и о м н а я классификация экосистем основана на преобладающем типе растительности в крупных регионах. В водных местообитаниях, где растительность малозаметна, в основе выделения экосистем находятся главные физические черты среды, например «стоячая вода», «текущая вода» и т.д.
