Тема 1. Введение. Предмет, методы и задачи экологии

История экологического знания. Объект и предмет современной экологии как науки. Структура экологии: общая экология, биоэкология, геоэкология, экология человека, социальная и прикладная экология. Методы экологии.

Экологическая ситуация в современном мире и в России: проблемы и задачи.

Литература: [1].

Методические указания

Одной из основных причин роста общественного интереса в мире к экологии является глобальное обострение экологической ситуации. Российский ученый – эколог профессор Н.Ф. Реймерс (1931-1993), внесший большой вклад в разработку основ общей экологии, так описал экологическую ситуацию в современном мире:

«Глобальный экологический кризис стал свершившимся фактом. Нет недостатка в самых мрачных прогнозах. Утверждается, что гибель или роковая деградация человечества наступит не позднее, чем через несколько десятилетий. Перечень общеплановых и региональных экологических угроз все время расширяется. Он включает острые непосредственные воздействия на природную среду с ее немедленной деградацией или резким ухудшением и рядом длительных изменений в природе, приводящих к катастрофическим последствиям.

Группа непосредственных воздействий включает:

- постепенное изменение климата планеты из- за возрастания тепличногоэффекта от накапливания в атмосфере СО, метана и других малых газовых примесей, окислов азота, аэрозолей, легких радиоактивных газов, изменения концентрации озона, составляющего “щит” планеты, отгораживающий ее от потока жесткого ультрафиолетового излучения;

- общее и местное (над полюсами, отдельными регионами суши) разрушение биосферного озонового экрана;

- загрязнение Мирового океана и его морей тяжелыми металлами, сложными органическими соединениями (фенолом, полибифинилами и др.), нефтепродуктами, радиоактивными веществами; насыщение его вод углекислым газом; подкисление мелководий за счет окислов серы и азота; захоронение в океане ядовитых и радиоактивных веществ, в том числе военного назначения (ОВ, отслужившая взрывчатка и т.п.);

- разрыв нормальных экологических связей между океаном и водами суши в связи со строительством плотин на реках, в том числе изменение твердого стока, нерестовых путей и т.п.;

- загрязнение атмосферы, особенно нижней тропосферы, с образованием кислотных осадков, высокотоксичных веществ (типа фосгена и др.) в результате вторичных химических реакций, в том числе фотохимических (в этом причина разрушения и озонового экрана, на который воздействуют фреоны, водяные пары, окислы азота, малые газовые примеси);

- загрязнение вод суши, в том числе речных, служащих для питьевого водоснабжения, высокотоксичными веществами, включая диоксины;

- сокращение площади тропических и северных лесов, ведущее к дисбалансу газов атмосферы, в том числе сокращению концентрации кислорода в атмосфере планеты;

- изменение размеров, энергетической и биогеохимической роли организмов, переформирование пищевых сетей, возникновение новых экологических ниш, заполнение их видами, ранее бывшими редкими и не игравшими ведущей роли в сообществах, массовое размножение отдельных организмов;

- нарушение иерархии экосистем в связи с исчезновением их нижнего звена (или звеньев), “стирание” природной сетки биогеоцинозов, увеличение системного однообразия, что снижает надежность работы природных систем;

- нарушение общего экологического баланса с исчезновением рек, деградацией растительности и другими подобными результатами;

- опустынивание планеты как вширь, так и на уже охваченных этим процессом территориях;

- ухудшение среды жизни в населенных местах, прежде всего в крупных городах: переуплотнение населения, шум, загрязненность воздуха и воды, зрительное подавление человека высокими зданиями, отсутствие зелени, возникновение специфических городских болезней;

- общее истощение и нехватка природных ресурсов для развития человечества;

- относительная и абсолютная перенаселенность планеты, угроза включения факторов, зависящих от плотности человеческих популяций».

Последние работы ученых (Н.Н. Моисеева, В.В. Горшкова и др.) показывают, что в настоящее время (90-е гг. ХХ столетия) происходит интенсивное нарастание глобального экологического кризиса практически по всем его направлениям и показателям.

Этот процесс, как прогнозируют ученые, неизбежно будет продолжаться и в ХХI веке, если человечество срочно не примет на вооружение концепцию экологического императива в развитии мирового сообщества.

Данная концепция определяет и значение экологии как науки в жизни современного общества. Известный французский ученый – эколог Ф.Дре в своей книге “Экология”, вышедшей в 1976 г., так оценил роль экологии:

“Экология – наука будущего, и, возможно, само существование человека на нашей планете будет зависеть от ее прогресса”.

Как известно, решением ЮНЕСКО последние годы ХХ столетия объявлены годами экологического образования, которое сегодня рассматривается как одно из основных средств преодоления глобального экологического кризиса. В России был принят Федеральный закон Российской Федерации от 10 января 2002 г. № 7-ФЗ “Об охране окружающей среды”, ставший по существу экологическим кодексом страны. В законе записано: “В целях повышения экологической культуры общества и профессиональной подготовки специалистов устанавливается система всеобщего, комплексного и непрерывного экологического воспитания и образования, профессиональной подготовки специалистов в средних и высших учебных заведениях, повышения их квалификации, а также через средства массовой информации”.

Комплекс современных экологических знаний, сообщаемых молодежи на этапе вузовского образования, призван организовать их будущую профессиональную деятельность в условиях возможного нарастания глобального экологического кризиса, значительного дальнейшего оскудения природных ресурсов и повышения опасности техногенных катастроф, т.е. того, чего можно избежать лишь при глубокой экологизации всех видов хозяйственной и иной деятельности в обществе.

Экологические знания накапливались человеком на протяжении всей истории его становления. Древний человек – собиратель плодов и охотник – уже знал повадки зверей, сроки плодоношения полезных растений, время холодных и теплых периодов, направления ветров и многое другое, что не всегда знакомо даже современному человеку.

Еще в верхнем палеолите (10-15 тыс. лет до н.э.) безвестный художник нарисовал на стенах пещеры фигуры, среди которых можно безошибочно опознать 25 видов зверей и 5 видов охотничьих птиц.

Уже у народов древних цивилизаций возникло понимание важности науки о природе: на пирамиде Хеопса (28 столетий до н.э.) ученые прочитали иероглифическую надпись – назидание сегодня живущему поколению:

“Люди погибнут от неумения пользоваться силами природы”.

Аристотель (384-322 гг. до н. э.) создал труд “История животных”, в котором были описаны способы существования зверей, места обитания, использование убежищ, сезонная и суточная активность, особенности питания и т.п., а его ученик Теофраст заложил основы геоботаники.

Римлянин Плиний старший, живший в первом веке, написал “Естественную историю”, а агроном Колумелла (тот же век) владел знаниями об удобрениях, особенностях агротехники и роста сельскохозяйственных культур и т.д.

Термин “экология” был введен в науку в 1866г. немецким естествоиспытателем Э. Геккелем, профессором Йенского университета, последователем Ч. Дарвина. Под экологией он понимал общую науку об отношениях организмов с органическими и неорганическими компонентами среды.

Как самостоятельная наука биологического цикла экология сформировалась к началу ХХ столетия и имела следующее определение:

“Экология (от греч. ойкос – жилище, местопребывание и логия – наука)- биологическая наука, изучающая организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, видов, биоценозов (сообществ), экосистем, биогеоцинозов и биосферы. Часто экологию определяют также как науку о взаимоотношениях организмов между собой и с окружающей средой. Современная экология интенсивно изучает также проблемы взаимодействия человека и биосферы.”[1]

То, что экология относилась к биологическим наукам, сдерживало ее развитие. К тому же ее ставили в один ряд с такими науками, как генетика и кибернетика.

Возникновение угрозы глобальной экологической катастрофы привело во второй половине ХХ века к изменению положения экологии как науки. Она вышла за границы чистой биологии.

В 1963 г. известный американский ученый – эколог Ю. Одум назвал экологию “наукой о строении и функциях природы в целом”, а в своем фундаментальном труде “Экология” в 1986 г. дал ей принятое в современных учебниках определение как междисциплинарной области знания об устройстве и функционировании многоуровневых систем в природе и обществе в их взаимодействии.

Прежняя (т.н. традиционная) экология вошла в современную экологию одной из ее основных частей под названием “биоэкология”. Сформулированное Ю. Одумом определение экологии имеет при всей его правильности в научном отношении один существенный, на наш взгляд, недостаток – в определении нет указания на то, что центральным звеном системы является живое – особый компонент биосферы, а в качестве отношений (взаимосвязей) этого центрального звена с окружающей средой выступают потоки вещества, энергии и информации.

Потому видимо не случайно в трудах выдающегося российского ученого-эколога профессора Н.Ф. Реймерса в 90-х гг. появилось следующее определение понятия экология:

“Экология – область знания, рассматривающая совокупность предметов и явлений с точки зрения объекта (живого, с участием живого, в том числе человека), принимаемого за центральный в этой совокупности”.

Это определение не противоречит принятому в базовом учебнике пониманию экологии, предложенному Ю.Одумом, но при этом содержит указание на присутствие живого, в том числе человека, и одновременно непосредственно связано с научным методом, который известен в науке как “экологический подход”.

Теперь о предмете экологии.

Под предметом любой науки принято понимать те свойства и характеристики объекта, которые изучаются наукой с определенной целью, диктуемой потребностями общества.

Цели экологии и экологические потребности общества были объективно исследованы и описаны в работах выдающихся ученых (в.и. Вернадского и др.), затем – в коллективных научных трудах (работы ученых “Римского клуба”, 60-е гг.), а в 1972 и 1992 гг. – рассмотрены на международных форумах под эгидой ООН. В итоге международным сообществом была разработана и принята к реализации глобальная эколого-экономическая программа развития мира “Повестка дня на ХХI век”.

В свете сказанного предмет современной экологии может быть определен как изучение законов функционирования и развития экосистем различного иерархического уровня, включая биосферу, и выявление тех свойств и характеристик экосистем, которые обуславливают экологическую безопасность человека и необходимое биоразнообразие живого на планете.

Одним из важнейших условий достижения экологической безопасности человека и эволюции человека и природы является формирование в человеческом сообществе экологического мировоззрения и экологической этики.

(Напомним: под экологическим мировоззрением понимается глубокое осознание необходимости сохранять естественную среду обитания, сложившуюся за многие миллионы лет в результате эволюции, а экологическая этика – нормы поведения человека в окружающей природной среде, обеспечивающие ее сохранение.)

Приведенные формулировки объекта и предмета современной экологии как науки позволяют сделать вывод об их историческом характере. В ходе общественного развития, смены цивилизаций они могут существенно изменяться, поскольку будут изменяться цели развития общества, потребности последнего и виды человеческой деятельности.

Профессор С.Н. Глазычев, один из ведущих специалистов в области социальной экологии и экокультуры, так пишет об этапах формирования экологии:

“Нельзя не видеть, что первые сто лет развития собственно экологии (начиная с Э. Геккеля) приходятся на период “разобщенного знания”. Не удивительно поэтому, что сначала экологические знания накапливались отдельно друг от друга в биологии, экономике, геологии, социологии и многих других науках. Стремление разобраться в воспроизводстве как отдельных “фрагментов” жизни (биологической и социальной), так и всей жизни в целом – биосоциального бытия – приводит к становлению современной экологии. Фрагменты экологического знания преобразуются в систему знания о процессе воспроизводства жизни, о гео-био-социальных условиях и механизмах воспроизводства жизни. Реальным фактором, образующим из экологических фрагментов систему экологического знания, становится принцип взаимосвязанности, взаимозначимости, взаимодополнительности всех форм и явлений жизни”.

Таким образом, следует сделать вывод о том, что общая система экологических знаний будет изменяться и впредь в зависимости от потребностей и возможностей человеческого сообщества и состояния биосферы Земли.

Контрольные вопросы

1. Традиционное и современное понятия экологии, предмет экологии.

2. Методы исследования, используемые в экологии.

3. Какова связь экологии с другими науками?

4. Каковы истоки экологии?

5. В чем общность и различие экологических проблем России с существовавшими ранее и существующими ныне экологическими проблемами в других высокоразвитых в промышленном отношении странах?

6. Какое влияние оказывает научно-технический прогресс на экологическую проблематику?

7. Как взаимосвязаны социально-экономический прогресс и экология? В чем противоречие экологии и экономики? Как их решать?

8. Что значит “нарастание” экологических проблем?

9. В чем заключается специфика экологического развития России?

10. Каков прогноз изменения экологической ситуации в различных странах, в частности, в США, ФРГ, Японии?

Тема 2. Природа и человек: системный подход

Общие понятия. Свойства сложных систем. Основные параметры систем. Системные законы экологии: о всеобщей связи вещей и явлений в природе и человеческом обществе, о сохранении массы вещества, необратимости и ускорения эволюции, о главном критерии эволюционного отбора и ограниченности ресурсов.

Причинные связи и системное поведение. Система “Человек – экономика – биота – среда”: компоненты, отношения в системе, ее состояние. Модель экосистемы. Типовые части модели.

Литература: [1].

Методические указания

При изучении темы 2 необходимо обратить внимание на три основных вопроса: особая роль человека в природе как биосоциального существа, суть системного подхода и общие законы взаимодействия в системе “природа-человек”.

Человек, как вид живого, появился совсем недавно – не более 3-х млн. лет назад (Гоминиды).

Линия эволюции человека выстраивается следующим образом:

-человек “умелый” – австралопитек, появился 2-3 млн. лет назад;

-человек “прямоходящий” – питекантроп, жил 1-0,5 млн. лет назад;

-неандерталец – появился 150-40 тыс. лет назад;

-человек “разумный” (Homo Sapiens) – сформировался 40-15 тыс. лет назад (ранний неолит).

На первых этапах развития человек занимал в природе, как и другие представители живого мира, свою нишу и мало влиял на окружающую природную среду. Но в процессе конкурентной борьбы за выживание на последующих этапах эволюции появившийся новый вид Homo Sapiens в отличие от своих предшественников стал использовать свой метод борьбы за выживание – приспособление своих жизненно необходимых потребностей к окружающей среде путем ее изменения. Способ изменения – развитие культуры в широком смысле этого слова. В начале это было изготовление человеком простейших каменных орудий, а затем – их усложнение и появление новых: лука со стрелами, автоматические ловушки для поимки животных и птиц, использование огня и изобретение метода его получения, строительство жилищ, на этапе индустриальной цивилизации – развитие производственной техники и энергетических машин и т.д и т.п.

Отношения в системе “человек – природа” в отличие от отношений в системе “животный мир – природа” приобрели двоякий характер помимо отношений непосредственного вида, как у любого организма, – биологического обмена веществ и энергии в процессе питания, дыхания, движения и т.д.; появились отношения опосредованные.

Опосредованные отношения в системе “человек – природа” представляют собой такой способ взаимодействия человека с природными системами, когда в процессе обмена вещества и энергии между человеком и природой включается такой элемент системы, как техника. В этом случае процесс начинает развиваться в соответствии с принципом действия положительной обратной связи. Чем масштабнее становится изменение техники, тем большая масса природных ресурсов вовлекается в процесс, а это, в свою очередь, вызывает дальнейшее совершенствование техники.

Человек, создающий и использующий во все возрастающих масштабах технические средства, превращается в мощную по отношению к природе силу из-за безудержного потребления природных ресурсов и порождения огромного количества отходов, загрязняющих землю.

К тому же цивилизация, ориентированная на материальное производство, порождает потребности, в которых, как горько шутил Марк Твен, “нет никакой потребности”. В этом случае человек разрушал природу не только вокруг себя, но и в самом себе.

Следующий вопрос – системность экологии и системный подход.

Если вспомнить определение понятия “экология”, которое было рассмотрено в теме 1, то увидим, что это понятие раскрывается через понятие “система”.

В связи с этим – несколько положений из общей теории систем, имеющих значение при рассмотрении вопроса о системности современной экологии как науки.

Система – некоторая совокупность взаимодействующих элементов, составляющих целостное образование. Наличие взаимодействия – весьма важный системообразующий фактор. Поэтому груда камней – совокупность, но не система. Следовательно, можно сказать: любая система – совокупность, но не всякая совокупность – система.

Все многообразие окружающего человека мира можно рассматривать как то или иное сочетание элементов трех последовательно возникших иерархий: физико-биологической (или природной), социальной и технической.

Физико-биологическая иерархия включает все элементы природных систем – от атома и его частиц до галактик и вселенной; социальная иерархия – от отдельного человека, семьи – до человечества в целом; техническая – от отдельных инструментов (простейших орудий), машин, производственно – технологических комплексов, – до техносферы в целом.

Комбинации элементов этих трех иерархий как раз и образуют многоуровневые системы в природе и обществе, изучением которых занимается современная экология.

Для управленцев особый интерес представляют так называемые социо-природные системы, поскольку именно их функционирование связано с антропогенным воздействием на природную среду.

Все системы могут быть разделены по разным признакам. В частности, их часто делят по характеру взаимодействия друг с другом на открытые, закрытые и замкнутые системы. Взаимодействие осуществляется через связи, которые могут быть вещественными, энергетическими и информационными.

Для открытых систем характерен обмен как энергией, так и веществом. К этой группе относятся почти все системы, включающие живое вещество.

Закрытые системы обмениваются энергией, а замкнутые – изолированы как от энергии, так и от вещества, находящихся вне системы.

Связи между взаимодействующими системами бывают прямыми и обратными.

Прямой называют такую связь, при которой одна система действует на другую без ответной реакции. Например, воздействие Солнца на Землю в виде потока энергии не сопровождается какой-либо ответной реакцией Земли.

При обратной связи действие какой либо системы (или элемента системы) сопровождается реакцией противодействия. Обратные связи бывают положительными и отрицательными. Обратная положительная связь ведет к усилению процесса в системе (ввод наркотиков в организм приводит к усилению желания употреблять наркотики). Действие отрицательной обратной связи связано с появлением противодействия, что обеспечивает состояние динамического равновесия в совокупной системе (работа регулятора Уатта в паровой машине). Этот вид обратной вязи – отрицательная обратная связь – наиболее распространенный и очень важный вид взаимодействия элементов в живых системах природы. Она обеспечивает устойчивость экосистем в природе.

Наиболее общие свойства сложных систем: эмерджентность, принцип необходимого разнообразия элементов, устойчивость и принцип эволюции.

Эмерджентность – (англ. эмердженс – возникновение нового) заключается в том, что свойства системы как целого не являются простой суммой свойств составляющих ее частей (элементов).

Принцип необходимого разнообразия элементов гласит: система не может состоять из абсолютно одинаковых элементов, поскольку в этом случае отсутствуют причины для установления между ними взаимодействия.

Устойчивость: взаимодействие между элементами, входящими в систему, по своему потенциалу превосходит их взаимодействие с элементами, не входящими в данную систему, что и обеспечивает способность системы к самосохранению.

Принцип эволюции: возникновение и существование всех систем обусловлены эволюцией. Самоподдерживающиеся динамические системы эволюционируют в сторону усложнения организации и возникновения системной иерархии – возникновения подсистем.

Приведенные положения общей теории систем находят широкое применение при анализе истоков современных экологических проблем и являются основой научного метода их рассмотрения – метода системного подхода. Его определение:

«Системный подход – методическое направление в науке, при котором анализируемый объект рассматривается как некоторая система и одновременно тот же анализируемый объект сам исследуется как элемент более сложной системы, в которую он входит.»

При рассмотрении анализируемого объекта как некоторой системы на начальном этапе системного подхода определяются:

-элементы объекта, образующие систему, их характеристики, целевые функции и другие показатели;

-отношения (взаимосвязи) между элементами; они могут быть в виде потоков вещества, энергии или информации;

-граница системы (условная линия, охватывающая те же элементы, связи между которыми обуславливают существование системы, обеспечивают ее устойчивость);

-вход и выход системы – отношения анализируемой системы с другими системами; “вход” и “выход” различаются направлениями действия связей;

-окружение системы – все другие системы;

-реальное окружение – все другие системы, с которыми имеются отношения (взаимосвязи) того или иного вида;

-состояние системы – совокупность ее свойств и параметров на данный момент времени.

Наиболее широкое использование системный подход находит при исследовании поведения сложных динамичных объектов – многоуровневых открытых систем, к которым относятся практически все экологические структуры в живой природе и обществе.

К таким весьма сложным динамически развивающимся структурам относится и такая суперсистема, как ЧЭБС – “человеческое сообщество (Ч) – машинное производство (экономика) (Э) – живая природа (биота) (Б) – окружающая среда (С)”. Изучение этой системы – крайне сложная задача, и ее точное решение при современных возможностях вычислительной техники пока еще не осуществимо.

Экология располагает лишь самыми общими зависимостями, связанными с фундаментальными законами природы и рядом многочисленных правил, теорем и принципов частного характера, отражающих поведение экосистем или их элементов при действии различных факторов.

Наиболее общие экологические зависимости известны как законы Б.Коммонера, которые в экологической учебной литературе часто приводятся в форме афоризмов:

1-й закон: “Все связано со всем”.

2-й закон: “Все должно куда-то деваться”.

3-й закон: “Природа знает лучше”.

4-й закон: “Ничто не дается даром”.

Общее число частных экологических обобщений различной формы, а именно принципов, правил, законов и теорем весьма велико. Так, Ю.Одум в книге “Основы экологии”(1975г.) перечисляет 66 основных обобщений (принципов и законов), а Н.Ф. Реймерс в своем труде “Надежды на выживание человечества. Концептуальная экология” (1992г.) приводит уже 250 экологических закономерностей, определяющих те или иные процессы взаимодействия элементов в экологических системах. Нарушение человеком законов взаимодействия в общей системе “природа – человек”, начавшееся в то историческое время, когда человек стал монополистом в экологической нише консументов, царем природы, привело к появлению, а затем и интенсивному росту кризисных процессов в окружающей природной среде, а на сегодня – к устойчивому экологическому кризису глобального масштаба.

Контрольные вопросы

1. Дать определения основным понятиям системы.

2. Каковы общие свойства систем?

3. Как определяется сложность системы?

4. Как рассчитывается оценка относительной организации систем?

5. Какова сущность системного закона о всеобщей связи вещей и явлений в природе и в человеческом обществе? Какова его роль в экологии?

6. Какова роль закона сохранения массы в экологии?

7. Какова сущность закона о цене развития? Каково его значение в экологии?

8. Каков главный критерий эволюционного отбора? В чем сущность закона ограниченности ресурсов?

9. Какова роль положительных и отрицательных обратных связей в системе?

10. Каков конкретный состав компонентов динамической суперсистемы "человек-экономика-биота-среда"? Дать конкретную характеристику связей и поведения этой суперсистемы