Презентация на тему «Методы исследования экологии»

Методологические аспекты и методы экологии

Составляющие биологической системы

Исходя из принципа эмерджентности, нет необходимости изучать досконально все составляющие биологической системы (популяции, сообщества и т. д), так как нельзя предсказать некоторые свойства (эмерджентные) этой системы. Исходя из свойств частей целого можно судить только о совокупных свойствах. Каждый уровень биосистемы характеризуется собственными, присущими только ему свойствами, а, кроме того, обладает суммой свойств входящих в него подсистем-компонентов.

Принцип несводимости свойств

Принцип несводимости свойств целого к сумме свойств его частей должен служить первой рабочей заповедью экологов (Ю.Одум). Такой подход в науке является холистическим. Другой подход – редукционистский, преобладал в науке со времен Исаака Ньютона. Так, исследования на генетическом, клеточном и молекулярном уровнях создают прочную основу для решения в будущем проблем на уровне организма (например, проблемы рака).

Исследования

Однако, проводя исследования только на клеточном уровне, мы не получим ответов на вопросы, связанные с благополучием или сохранением цивилизации (рост народонаселения, социальные беспорядки, загрязнение среды и т. п.); для этого необходимо понять высшие уровни организации (Ю. Одум).

Холистический и редукционистский подходы

Холистический и редукционистский подходы следует использовать вместе, не противопоставляя их друг другу

Экология

Экология стремится к синтезу (холистический подход), а не к разделению. Поэтому принципы экологии рассматриваются на уровне экосистемы.

Экологическая система - единый природный или природно-антропогенный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, в котором живые и косные экологические компоненты соединены между собой причинно-следственными связями, обменом веществ и распределением потока энергии.

Системный подход

Т. о. методологической основой экологии является системный подход, ориентированный на изучение интегрированных объектов и интегральных зависимостей и взаимодействий. Системный подход изучения экосистем реализуется тремя группами методов исследования: 1)полевые методы исследования, 2)лабораторные методы исследования, 3)моделирование.

Аутэкология

Аутэкология (экология особей) широко использует физиологические методы исследования. При этом, используя физиологические методы аутэкология рассматривает реакции организмов на совместные воздействия факторов.

Основное внимание при изучении экологии особей уделяется биохимическим реакциям, интенсивности газообмена, водного обмена и другим физиологическим процессам, которые определяют состояние организма.

Применение физиологических методов

Причем, применение физиологических методов в экологии предполагает строгий учет сезонной цикличности жизнедеятельности организма и внутрипопуляционной разнородности. При аутэкологических исследованиях широко используются сравнительные методы, а также изучается влияние на организм факторов, обусловленных деятельностью человека.

Полевые и лабораторные методы

В популяционной экологии используются и полевые и лабораторные методы. Полевые методы позволяют установить результат влияния на популяцию определенного комплекса факторов, выяснить общую картину развития и жизнедеятельности вида в конкретных условиях.

В популяционной экологии, наряду с методами наблюдения и описания, используются методы математической статистики.

Химические и физиологические методы

В синэкологии также широко используются химические и физиологические методы

Например, химическими методами устанавливают накопление тех или иных минеральных и органических веществ в отдельных организмах сообщества, также изучается круговорот элементов питания в экосистеме.

Сложный методологический подход

На более высоких уровнях организации систем требуется более сложный методологический подход (холистический – требующий решения крупномасштабных проблем).

Сложные системы

В последние десятилетия успехи техники позволили на количественном уровне изучать более сложные системы, такие, как экосистемы. Метод меченых атомов, новые физико-химические методы (спектрометрия, колориметрия, хроматография), дистанционные методы зондирования, автоматический мониторинг, математическое моделирование, компьютерная техника послужили необходимыми для этого инструментами.

Специфический метод экологии

Учет организмов, как специфический метод экологии рассмотреть самостоятельно (Н.К. Христофорова, 1999). Самостоятельно изучить показатели: встречаемость, численность, биомасса, индекс плотности, продукция, удельная продукция.

Моделирование

Моделирование основано на создании модели (подобие оригиналу), более простой, легко поддающейся изучению и достаточно сходной с биологической системой.

Модель

Модель – это абстрактное описание того или иного явления реального мира, позволяющее делать предсказания относительно этого явления.

В своей простейшей форме модель может быть словесной или графической (неформализованной). Однако если мы хотим получить достаточно надежные количественные прогнозы, то модель должна быть статистической и строго математический (формализованной).

Джей Форрестер

Начало глобальному моделированию в экологии положил Джей Форрестер, который применил разработанный им ранее метод «системной динамики» для исследования мировых тенденций экономического развития.

Концепция взаимодействия организма и среды

Фундаментальные свойства биологических систем

Жизнь

– это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем, с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка» Ф. Энгельс

Поддержание и воспроизведение

С позиций достижений современной науки жизнь – это активное, идущее с затратой энергии поддержание и воспроизведение упорядоченной специфической структуры

Активное воспроизведение

Под выражением «активное воспроизведение упорядоченной специфической структуры» мы должны понимать такой процесс, когда система сама воспроизводит себя и поддерживает свою целостность, используя для этого элементы окружающей среды с более низкой упорядоченностью.

Пассивный процесс

Причем, пассивный процесс такого рода не является признаком жизни

Воспроизведение структуры

В определении подчеркивается, что поддержание и воспроизведение структуры должны идти с затратой энергии. Именно это отличает живые существа от других самовоспроизводящих структур, например, кристаллов

Специфическая структура

Кристаллу тоже присуща своя специфическая структура

Структура

Листу папоротника, также свойственна специфическая структура

Процессы

Несмотря на то. что эти структуры внешне сходны, процессы их возникновения энергетически диаметрально противоположны. Кристалл – это система с минимумом свободной энергии. При кристаллизации выделяется тепло. Для разрушения структуры кристалла требуется затратить энергию. Листья папоротника, наоборот, при своем возникновении поглощают энергию солнечных лучей, и разрушая эту структуру, мы можем получить энергию обратно.

Внешнее сходство

Почему же такое внешнее сходство?

И листья папоротника и морозные узоры обладают максимальной площадью поверхности при данном объеме.

Дыхание

Для папоротника (и любого другого растения) это необходимо, так как дыхание и поглощение углекислого газа идут через поверхность листьев. В тех случаях, когда нужно снизить расходы воды на испарение, растения, например, кактусы обретают шарообразную форму с минимальной площадью поверхности. Но платить за это нужно снижением темпов ассимиляции углекислого газа и соответственно замедлением роста.

Водяные пары

Водяные пары, кристаллизуясь на холодном стекле, также образуют структуру с максимальной поверхностью – потому что скорость потери энергии при этом максимальна.

Простые вещества

Для поддержания и воспроизведения специфической структуры организма в следующем поколении организм должен поглощать энергию в виде квантов света или неокисленных органических соединений, то есть простые вещества, и выделять окисленные продукты жизнедеятельности.

Упорядоченность

Любой организм отвергает чужую упорядоченность

Для того, чтобы построить собственную структуру, необходимо разрушить чужую до структурных элементов

Пример:

Ca, Mg, Na, H2O

Организм

Каждый организм характерен именно неповторимой, присущей только ему комбинацией белковых молекул. А уже на этой базе возникает комплекс всех признаков организма – на уровне клеток, тканей, и органов.

Растения

Организмы берут извне не упорядоченность, а свободную энергию: растения – в виде квантов света, животные – в виде малоокисленных соединений, которые можно сжечь в процессе дыхания. За счет этой энергии, они строят свою упорядоченность. Все биологические системы на разных уровнях организации – упорядоченные самоподдерживающиеся структуры, основой которых является обмен веществом и энергией.