Экология как наука

 

Всякая наука становится действительно наукой лишь тогда, когда она поднимается до уровня обобщений, установления закономерностей, правил и законов, когда она наконец может предсказывать развитие событий. При взгляде на экологию с этих позиций ее следует считать наукой относительно молодой, сформировавшейся к концу XIX в. Однако любая наука имеет и период накопления фактов, первых наблюдений и первых обобщений. С этих позиций экология является очень древней наукой, ибо все мы —интуитивные экологи, поскольку даже рыболов-новичок не рассчитывает поймать форель в пруду, а карпа в быстром горном потоке. Уже на заре истории человечества в пору собирательства, а затем охоты люди на основе наблюдений и опыта знали, где какое растение может произрастать и где какого зверя можно встретить. Таким образом, накопление знаний об образе жизни животных и растений, их зависимости от внешних условий и характере распределения началось очень давно, но только в 1866 г. немецкий биолог Э. Геккель предложил термин «экология» (в России благодаря конспективному переводу И. И.Мечниковым работы Э. Геккеля термин «экология» появился в 1869 г.). Следовательно, это сравнительно молодая наука. Но именно она переживает в настоящее время период быстрого роста.
Экология (от греч. oikos — дом и logos — наука) в буквальном смысле — наука о местообитании. Существует много определений экологии как науки, однако подавляющее большинство современных исследователей считает, что
экология — это наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают.
Понятие экологии очень обширно, поэтому в зависимости от акцента на той или иной ее задаче меняется и сама формулировка. Для «долгосрочного употребления» лучшим определением может быть, например, следующее: «Экология — это биология окружающей среды (environmental biology)». Один из отечественных экологов А. С.Данилевский давал такое определение: «Экология — наука о структуре и функции экологических систем и о механизмах, обеспечивающих их гомеостазис». Для последних десятилетий XX в. наиболее подходит одно из определений, приведенное в полном словаре Уэбстера: «Предмет экологии — это совокупность или структура связей между организмами и средой».
Соревнуясь друг с другом в точности и краткости формулировок, авторы забывают, что еще Э. Геккель дал этой науке исчерпывающее определение: «Под экологией мы понимаем сумму знаний, относящихся к экономике природы: изучение всей совокупности взаимоотношений животного с окружающей его средой, как органической, так и неорганической, и прежде всего — его дружественных или враждебных отношений с теми животными и растениями, с которыми оно прямо или косвенно вступает в контакт. Одним словом, экология — это изучение всех сложных взаимоотношений, которые Дарвин назвал условиями, порождающими борьбу за существование».
Для того чтобы внести ясность в предмет и задачи экологии как науки, охарактеризуем взаимоотношения ее с другими областями биологии. Удобно это сделать с помощью приема, использованного Ю. Одумом в его фундаментальном труде «Основы экологии» (1975). Если образно представить структуру биологии в виде «слоеного пирога» (рис. 2.1), то его можно «разрезать на куски» двумя способами. Можно делить «пирог» по горизонтали — тогда получим фундаментальные, или базисные, науки, такие, как морфология, физиология, генетика, теория эволюции, молекулярная биология, биология развития и др., изучающие основные свойства жизни и не ограничивающиеся исследованием отдельных групп организмов. Но можно разрезать «пирог» и по вертикали — тогда получим «таксономические» науки, занимающиеся изучением естественных групп живых организмов. Среди этих наук — микробиология, ботаника и зоология.

Рис. 2.1. «Слоеный пирог» биологии.

В свою очередь каждая из них объединяет более частные науки, имеющие дело с собственной, сравнительно узкой группой живых организмов. В соответствии с этим мы вправе разделить зоологию на протозоологию, энтомологию, ихтиологию, орнитологию и т. д. При таком подходе экология относится к фундаментальным разделам биологии и представляет собой составную часть каждого таксономического подразделения. Мы можем говорить об экологии растений, экологии животных, экологии микроорганизмов, а рассматривая более частные элементы этих разделов, и об экологии птиц, рыб, насекомых и т. д.
Говоря о месте экологии среди других биологических дисциплин, мы неизбежно затрагиваем содержание науки биологии. Она изучает четыре главнейших феномена: жизнь, организм, биосфера и биоразнообразие. Основополагающее понятие среди них — жизнь. Определение понятия «жизнь» сформулировать довольно трудно из-за сложности и многообразия процессов, протекающих в живых системах — организмах и их сообществах. Поэтому на протяжении длительного времени сама возможность строгой научной формулировки такого определения вызывала сомнения. Так, в знаменитой французской «Энциклопедии» (1751 — 1780), в авторский коллектив которой входили такие крупные ученые своего времени, как К. Гельвеций, П. Гольбах, Вольтер, Ж. Бюффон и др., жизнь определялась как состояние, противоположное смерти.
С учетом современных представлений определение жизни можно сформулировать следующим образом: жизнь представляет собой форму организации открытых саморегулирующихся и самовоспроизводящихся дискретных иерархических систем, построенных на основе белков и нуклеиновых кислот. Рассмотрим по отдельности свойства, указанные в данном определении.
Термин «открытые системы» характеризует термодинамические свойства живых объектов, их непрерывный обмен веществом и энергией с окружающей средой (в отличие от изолированных систем, не обменивающихся с окружающей средой ни энергией, ни веществом, а также от замкнутых, или адиабатических, которые обмениваются только энергией).
Непрерывный обмен веществом и энергией с окружающей средой позволяет живым системам реализовать второе из перечисленных в определении свойств — способность к саморегуляции. Этим термином обозначаются, строго говоря, два разных качества, имеющих общую биофизическую природу. Первое представляет собой способность к активным реакциям на внешние воздействия. Так, если движением ноги передвинуть стоящий рядом неживой объект (например, стул), то траектория и продолжительность его перемещения в пространстве будут по законам механики определяться направлением и силой толчка, массой стула, силой трения и плотностью воздуха. Ни один из этих факторов не является специфической характеристикой стула, отличающей его от другого неживого предмета, например от трупа кошки. Попытка же подобным образом воздействовать на живую кошку может иметь самые различные последствия: бегство животного, активную оборонительную реакцию или просто игру. Ни в одном из этих и других возможных случаев поведение кошки не может быть описано только законами физики и химии, хотя оно и не будет вступать в противоречие с ними.
Другой тип регуляции представляет собой способность поддерживать в известных пределах постоянство своего состояния при изменениях условий окружающей среды. Представим себе человека, который входит в кабинку финской бани, держа в руках кирпич. В течение последующих нескольких минут температура кирпича будет повышаться со скоростью, зависящей только от его теплоемкости и массы, и достигнет в конце концов температуры окружающей среды. В это же время организм человека в отличие от кирпича будет затрачивать колоссальное количество энергии на работу по самоохлаждению, удерживая температуру тела в пределах физиологического диапазона (не выше 42 °С). Представления об относительном постоянстве внутренней среды организма были впервые сформулированы во второй половине XIX в. французским физиологом К. Бернаром. В 1929 г. американский физиолог У. Кеннон предложил обозначать данное свойство термином «гомеос-таз».
Самовоспроизведение представляет собой способность живых систем порождать себе подобных. Если кирпич из рассмотренного выше примера расколоть на несколько частей, то количество физических тел, естественно, увеличится, и в этом смысле размножение будет иметь место. В то же время никогда и ни при каких условиях ни один из обломков не вырастет до размеров «материнского» кирпича. Такая способность является специфической чертой живых объектов и обусловлена в конечном счете самоудвоением (репликацией) молекул дезоксири-бонуклеиновой кислоты (ДНК), благодаря чему становится возможным деление клеток.
Важным свойством биологических объектов является их иерархическая структура. Данное понятие заимствовано из общей теории систем и обозначает соподчиненность элементов, взаимодействие которых формирует более высокий уровень организации. Одни системы обладают иерархической структурой, другие нет. В любом биологическом объекте можно выделить разные уровни организации. Наименее сложной структурой, обладающей всеми признаками живого объекта, является клетка. Именно потому ее и называют структурно-функциональной (элементарной) единицей жизни. Клетки могут входить в состав многоклеточных организмов, в свою очередь всегда существующих в составе популяций и экологических систем (биоценозов), совокупность которых в конечном счете образует биосферу. Соответственно можно выделить клеточный, организменный, популяционно-видовой, биоценологический и биосферный уровень организации жизни. При этом элемент любого из уровней, будь то клетка или биоценоз, представляет собой открытую саморегулирующуюся и самовоспроизводящуюся систему в соответствии с приведенным выше определением.
Наконец, дискретность — это категория, противоположная непрерывности. Живые объекты независимо от уровня организации (будь то клетки или популяции) представлены конкретными носителями, отделенными друг от друга.
В свою очередь экология подразделяется еще на четыре горизонта, соответствующих различным уровням биологической организации: от индивидуума через популяцию и сообщество к экосистеме. Для получения более наглядной картины, определяющей предмет и задачи экологии, можно вертикально разделить «экологический» слой не по принципу систематических таксонов, а по общим принципам биологической организации, таким как форма, функция, развитие, регуляция и адаптация (рис. 2.2).
Если мы рассмотрим все секции горизонта, соответствующего сообществу, то обнаружим секцию формы, определяющую численность и обилие видов; секцию функции, выясняющую взаимоотношения между популяциями хищника и жертвы и обоюдными влияниями конкурирующих видов; секцию развития, изучающую смену видов, например при переходе от расчищенной земли к лесу; секцию регуляции, исследующую способность сообщества поддерживать присущую ему стабильность, и секцию адаптации, изучающую эволюцию приспособлений.

Рис. 2.2. «Слоеный пирог» экологии (стрелка на поверхности «пирога» символизирует взаимообусловленность различных сторон жизнедеятельности)

В том случае, если выбрать какую-нибудь одну «стопку секций», например ту, которая соответствует функции, то на уровне экосистемы будут рассматриваться потоки энергии и круговороты веществ, на уровне сообщества — взаимоотношения между популяциями, такими, как конкуренция, аменсализм, паразитизм и т. д. На уровне популяций нас будут интересовать рождаемость, смертность, иммиграция и эмиграция; на уровне организма — физиология и поведение особей.