§ 42. Методы экологии

Вопрос. Вспомните, какие научные методы учёные используют для изучения среды обитания растений, животных, грибов и микроорганизмов.

Ответ. Для решения теоретических и прикладных задач разных отраслей экологии учёные используют различные научные методы исследования:

• метод наблюдения. Дает возможность анализировать и описывать биологические явления. Для того, чтобы выяснить сущность явления, необходимо прежде всего собрать фактический материал и описать его. Этот метод широко распространен в зоологии, ботанике, экологии;

• сравнительный метод. Позволяет через сопоставление изучать сходство и различие организмов и их частей. На его принципах основана систематика, создана клеточная теория;

• исторический метод. Выясняет закономерности появления и развития организмов, становления их структуры и функции;

• экспериментальный метод. Связан с созданием ситуации, которая помогает исследовать свойства и явления живой природы. Этот метод позволяет изучить явления изолированно и добиваться их повторяемости при воспроизведении экспериментальных условий. Эксперимент обеспечивает более глубокое по сравнению с другими методами проникновение в сущность явления;

• моделирование. Представляет собой метод изучения явления или процесса через воспроизведение его самого или его существенных свойств в виде модели.

Вопрос 1. Опишите, как учёные проводят полевые наблюдения за природными сообществами. В чём ограниченность этого научного метода познания живой природы?

Ответ. Полевые наблюдения применяют для составления характеристики природных сообществ, изучения их видового состава и взаимоотношений между организмами. Проводятся полевые наблюдения в природных условиях и подразумевают минимальное вмешательство наблюдателя в ход естественных процессов. Например, используя кольцевание, учёные следят за перемещением перелётных птиц во время сезонных миграций.

Материалы наблюдения обычно фиксируются в дневниковых записях, рисунках, картах, фотографиях, видео- и киносъёмках. Однако метод наблюдения имеет ограничение – он позволяет обнаружить лишь внешние проявления каких-то фактов, внутренние же процессы, происходящие в природе, часто остаются для наблюдателя недоступными.

Вопрос 2. Что такое мониторинг окружающей природной среды? Каким по масштабу он бывает? Каковы цели глобального мониторинга окружающей природной среды? Какое значение он имеет для всего мирового сообщества?

Ответ. В последнее время стали применяться комплексные наблюдения за состоянием природы, получившие название мониторинга окружающей природной среды (от лат. monitor – тот, кто напоминает, предупреждает). При таких наблюдениях оценивается состояние всех природных компонентов, составляется прогноз их изменений под влиянием хозяйственной деятельности человека.

По масштабу мониторинг может быть локальным, региональным и глобальным. На глобальном уровне задачи мониторинга особенно сложны. Если мониторинг локального и регионального масштаба, как правило, является задачей отдельных государств, то глобальный мониторинг – задача всего мирового сообщества. К концу XX в. сформировалась глобальная система мониторинга окружающей природной среды. Её цели определяются в ходе международных соглашений (конвенций) и деклараций. В настоящее время создана мировая сеть станций мониторинга, на которых осуществляется слежение за определёнными параметрами состояния окружающей природной среды: климатом, газовым составом атмосферы, уровнем ультрафиолетового излучения, концентрацией веществ-загрязнителей, качеством пресной воды, плодородием почв, биоразнообразием сообществ и т. п. На территории России станции мониторинга расположены в шести биосферных заповедниках и являются частью глобальных международных сетей.

Вопрос 3. Каково значение экспериментов в экологических исследованиях? Чем природный эксперимент отличается от лабораторного? В каких случаях проводят лабораторный эксперимент? Приведите примеры природных и лабораторных экспериментов.

Ответ. Эксперименты позволяют следить за жизнью как отдельных видов организмов, так и целых природных сообществ, в которые исследователями сознательно вносятся некоторые изменения. Различают природные и лабораторные эксперименты. Природный эксперимент учёные проводят в том случае, когда хотят исследовать влияние внесённых в то или иное сообщество изменений на жизнь тех или иных его обитателей. Например, в ходе природного эксперимента выясняется, как изменится численность оленей и косуль в лесу, если отстреливать каждый год некоторое количество хищников и регулярно подкармливать животных в зимнее время.

Лабораторные эксперименты учёные обычно проводят над отдельными видами. Так, исследование влияния продолжительности светового дня и спектрального состава света на продуктивность культурных растений проводится в особых установках искусственного климата – климатронах. В ходе таких экспериментов учёные-экологи определяют оптимальный набор условий, необходимых для роста и развития культурных растений и обеспечивающих их наивысшую продуктивность – прирост зелёной массы за единицу времени. Иногда объектами лабораторных экспериментов выступают целые искусственно созданные сообщества организмов. Например, в 2000 г. английские экологи вместе с архитекторами и инженерами построили биокомплекс «Эдем» (рис. 181). В нём были обеспечены условия влажного тропического леса и субтропиков. В специально подобранную почву высадили тропические и субтропические растения, затем поселили типичных для этих природных сообществ птиц, пресмыкающихся, земноводных, насекомых и др.

Вопрос 4. В каких случаях применяется моделирование в экологических исследованиях? Опишите отличие реальных и идеальных моделей в экологии.

Ответ. Моделирование (от лат. modulus – образец) как метод экологических исследований даёт возможность создавать модели, т. е. заместители реальных биологических объектов и процессов, исследуя которые учёные получают сведения о жизнедеятельности природных сообществ и экосистем.

Модели могут быть реальными и идеальными. Например, реальной моделью экосистемы пресного водоёма является комнатный. В нём присутствуют все необходимые компоненты экосистемы: свет, вода, воздух, грунт, растения, животные и микроорганизмы. Изучая обитателей аквариума, выясняя существующие взаимосвязи между его компонентами (влияние света, газового и ионного состава воды на жизнь растений и животных и обратное влияние организмов на неорганическую среду аквариумной экосистемы), можно получить некоторые представления о структуре и функционировании природной экосистемы пресного водоёма, например озера или реки.

Идеальные модели могут быть вербальными и математическими. В отличие от реальных, идеальные модели представляют собой условное описание системы-оригинала с помощью слов, графических изображений или математических знаков. Например, вербальные модели экосистем представляют собой описание изучаемой экосистемы, которое включает научный текст, сопровождаемый блок-схемой экосистемы, таблицами, графиками и другим иллюстративным материалом. Для количественной оценки динамики популяций, сообществ организмов, энергетики экосистем более подходят математические модели, среди которых выделяют аналитические (дискретные, точечные) и численные, или имитационные. У математических моделей в качестве элементов выступают математические переменные, рассматриваемые на каком-то конкретном интервале времени.

Вопрос 5. Проведите наблюдение за обитателями комнатного аквариума. Какое значение имеют свет, воздух, вода, грунт для растений и животных аквариума? Как используют эти компоненты микроорганизмы? Какие условия необходимо поддерживать в аквариуме? Результаты наблюдения оформите в виде проекта.

Ответ. Понятие экосистема обычно применяют к природным объектам разной сложности и размеров: тайга или небольшой лес, океан или маленький пруд. В них функционируют сложно уравновешенные природные процессы. Существуют также биологические системы, созданные искусственно. Примером может служить экосистема аквариума, необходимое равновесие в которой поддерживается человеком.

Экосистемой называют совокупность живых организмов самых разных видов на определенном участке биосферы, которые связаны не только между собой, но и с компонентами неживой природы круговоротом веществ и превращения энергии. Она может быть естественной и искусственной. Естественные экосистемы (леса, степи, саванны, озера, моря и другие) являются саморегулирующей структурой. Искусственные экосистемы (агроценоз, аквариумы и другие) создаются и поддерживаются человеком.

В экологии экосистема является главной функциональной единицей. В нее входят неживая среда и организмы как компоненты, взаимно влияющие на свойства друг друга. Ее структура, независимо от вида, будь это экосистема природного водоема или экосистема аквариума, включает следующие составляющие: Пространственная – размещение организмов в определенной биологической системе. Видовая – число обитающих видов и соотношение их численности. Компоненты сообщества: абиотические (неживая природа) и биотические (организмы – потребители, производители и разрушители). Круговорот веществ и энергии – важное условие существования экосистемы.

Рассмотрим пример одной из биологических систем – аквариум. Искусственная экосистема его включает все структурные единицы. В аквариуме определенного размера (пространственное размещение) обитает живой компонент системы (рыбы, растения, микроорганизмы). Его компонентами являются также вода, грунт, коряги. Аквариум – замкнутая экосистема, поэтому для его обитателей искусственно создаются условия близкие к природным. Для чего используется освещение, так как ничто живое не может полноценно развиваться и жить без света; терморегуляция – для поддержания постоянного уровня температуры; аэрация и фильтрация – для подачи кислорода в воду и постоянной ее очистки.

На первый взгляд может показаться, что экосистема аквариума мало чем отличается от естественного водоема. Ведь сам аквариум – это своеобразная небольшая копия закрытого водоема, предназначенного для содержания и разведения рыбок и растений. Жизнь в нем протекает по схожим биологическим процессам. Только аквариум – маленькая искусственная экосистема. В ней степень воздействия абиотических компонентов (температура, свет, жесткость воды, pH и других) на биотические компоненты уравновешивается человеком. Он же поддерживает в аквариуме всю необходимую жизнедеятельность, продолжительность которой во многом зависит от опыта аквариумиста, его умения управлять равновесием среды. Однако даже при грамотном уходе она периодически приходит в упадок, и человеку предстоит терпеливо устраивать ее заново в комнатном водоеме. Почему это происходит?

Экосистема аквариума зависит от возраста ее водной среды. Она проходит этапы становления, молодости, зрелости и деградации. Нарушения равновесия в экосистеме выдерживают немногие растения, а рыбы перестают размножаться. Немалую роль играет и величина аквариума. От его объема напрямую зависит продолжительность жизни среды. Это подобно экосистеме в природе. Известно, что чем больше объем водоема, тем больше у него устойчивость к нарушениям необходимого равновесия. В аквариуме до 200 литров нетрудно сформировать среду обитания, близкую к естественной, однако значительно труднее нарушить в ней баланс своими неумелыми действиями. Аквариумы маленькой вместимости до 30-40 литров требуют регулярной подмены воды. В разумных пределах ее смена на 1/3-1/5 может поколебать равновесную устойчивость, но среда восстанавливается через пару дней самостоятельно, а вот в случае замены всей воды можно легко нарушить установившийся баланс. Аквариумист должен знать, что, сформировав экосистему, необходимо поддерживать в ней равновесие минимальным вмешательством.

Аквариум – маленькая искусственная экосистема, структура которой мало отличается от природной. Составляющими экосистемы являются биотоп и биоценоз. В аквариуме неорганической природой (биотопом) служит вода, грунт, их свойства. Она же включает в себя объем пространства водной среды, ее подвижность, температуру, освещенность и другие параметры. Необходимые свойства среды обитания создаются и поддерживаются человеком. Он кормит обитателей аквариума, заботится о чистоте грунта и воды. Тем самым создает лишь модель экосистемы. В природе она замкнута и независима.

Природную совокупность отличают значительно более глубокие взаимосвязи и взаимозависимости. В домашнем водоеме они регулируются человеком. Условно и в домашнем водоеме все живые организмы именуются аквариумным биоценозом. Они занимают в нем определенные экологические ниши, создавая гармонию местообитания. Благоприятные условия для жизнедеятельности создают для них с учетом абиотических факторов – соответствующей температуры, освещения и движения воды.

Температурный режим зависит от обитателей аквариума. Поскольку даже незначительные его перепады могут привести к гибели некоторых видов рыб, рекомендуется использовать обогреватели с встроенным терморегулятором. Режим освещения необходим для нормального функционирования всех составляющих аквариумной среды. Источники света обычно располагают над поверхностью воды. Длина светового дня должна соответствовать фотопериоду обитателей в их естественных условиях жизни. В природе стоячая вода более подвижна из-за воздействия дождя, ветра и других волнений. В аквариуме необходима постоянная циркуляция воды. Она достигается с помощью аэрации или прогонки воды через фильтр. Постоянная циркуляция обеспечивает вертикальное вращение воды в аквариуме. Она также выравнивает показатель кислотности, предотвращает быстрое снижение редокс-потенциала в придонных слоях.

Вода, кислород, углекислота, аминокислоты, азотные и фосфорные соли, гуминовые кислоты – основные органические и неорганические соединения, которые также относятся к абиотическим элементам. Большая их часть заключена в самих организмах аквариума и в донных отложениях. Скорость перехода данных питательных веществ в водный раствор обеспечивается в результате функционирования продуцентов и редуцентов экосистемы. Органические азотсодержащие выделения утилизируют бактерии, превращая их в более простые вещества, необходимые для усвоения растениями. Органические соединения переходят в минеральную (неорганическую) форму также благодаря разным видам бактерий. Данные важнейшие процессы зависят от температурного режима воды, показателя ее кислотности, насыщенности кислородом. Они регулируют нормальное функционирование экосистемы. При создании закрытой экосистемы аквариума важно знать, что к приему своих обитателей он готов, но полностью не уравновешен, поскольку многие важные типы бактерий стабилизируются в течение двух недель.

Обитатели аквариума не могут обеспечить полного круговорота веществ. В нем выявляется разрыв цепи между консументами и продуцентами. Этому способствует закрытая экосистема аквариума. Креветки, моллюски, рачки (консументы) едят растения (продуценты), но никто не питается самими консументами. Цепь прерывается. В то же время другая цепь питания рыбы – мотыли и другой корм – поддерживается человеком искусственно. Создать условия для содержания в аквариуме необходимого количества дафний и циклопов для питания рыб достаточно сложно. Так как эти мелкие ракообразные, в свою очередь, также нуждаются в пище. Жизнь простейших зависит от наличия в аквариуме органических веществ. Количество инфузорий должно превысить количество ракообразных, последние, в свою очередь, должны содержаться в большем соотношении к рыбам. Подобного равновесия в цепях питания трудно добиться в таких пространственных условиях, как закрытый аквариум. Экосистема его не способствует поддержке количественных показателей экологических факторов на определенных уровнях. В природных экосистемах каждый вид уравновешен соотношением с другими видами. Каждый из них занимает свою нишу, определяет взаимозависимость видов. Пропорции хищников и их жертв в развитии экосистемы строго уравновешены. Подобного балансирования не добиться в таком замкнутом пространстве, как аквариум. Искусственная экосистема требует грамотной подборки своих обитателей. Экологические ниши рыб, растений должны сопрягаться, но не накладываться одна на другую. Они подбираются так, чтобы их жизненные потребности и так называемые «профессии» (потребители, производители и разрушители) не были в ущерб другим. Уравновешенный подбор обитателей по их «профессиональному» назначению в модели аквариумной экосистемы является важнейшим условием ее длительного здоровья.

Нитрифицирующие бактерии – основные чистильщики резервуаров с рыбками и моллюсками. Они активно размножаются в среде, в которой сосредоточен аммоний, нитриты, а также азот и аммиак. Поэтому емкости с моллюсками, рыбками постоянно чистят.

Актинобактерии разлагают простые органические соединения, некоторые растения, а также хитин. Такие микроорганизмы формируют необходимый для развития водорослей и тенистых растений ил. Но для их развития требуется кислород, поэтому в емкость вводят аэраторы, которые создают постоянную циркуляцию воды. Для фильтра выбирают соответствующие вещества.

Для поддержания экосистемы требуются анаэробы. Они получают кислород при расщеплении молекул. Они сосредотачиваются в нижних слоях почвы, очищают субстрат от нитратов, органических остатков. Такие стартовые бактерии выживают, как в пресной, так и в соленой воде. Поэтому им отдают предпочтение опытные и начинающие аквариумисты.

Местообитание в водоеме каждого вида также имеет немалое значение. Все они должны найти себе подходящее пристанище. Нельзя перенасыщать аквариум, чтобы не привести к деградации других видов. Так, плавающие растения, разрастаясь, перекрывают свет растущим ниже водорослям, нехватка укрытий на дне и мест обитания для донных видов рыб приводят к стычкам и к гибели более слабых особей. Также важно помнить, что все животные и растения непрерывно изменяются, что, соответственно, не может не сказаться на их окружении. Необходимо следить за поведением рыб, не перекармливать их, ухаживать за растениями, отрезать их сгнившие участки, следить за чистотой грунта. Для сохранения устойчивости экосистемы в аквариуме необходимо при любых попытках вмешательства подумать – не навредит ли это равновесию.