Предмет задачи и методы экологии

Предмет, задачи и методы экологии

По программе основного общего образования по биологии 11 класс, и программы Министерства РФ для общеобразовательных учреждений курса биологии для 10-11 класса «Общая биология» (авт. В.В. Пасечник, 2005 год).

Учебник В.В. Пасечник, А.А. Каменский, Е.А. Криксунов. Биология. Общая Биология, 10-11 класс. – М.: Дрофа, 2005.

Цель урока: показать большое значение изучения экологии в современном мире. Изучить основные задачи, стоящие перед экологией и её связь с другими науками.

Задачи урока:

  • сформировать у учащихся систему знаний о задачах экологии, закономерностях влияния различных факторов среды на организмы.
  • Продолжить развитие умения выявлять признаки приспособленности организмов к влиянию экологических факторов.
  • Сформировать у старшеклассников интерес к науке экологии и желание изучать её закономерности на последующих уроках.

Оборудование:

Таблицы: «Биоценоз дубравы», «Сообщество смешанного леса». Диск «электронное средство учебного издания «Экология» ООО «Дрофа» ЗАО «1С».

Презентация к уроку.

План урока:

  1. Подготовка учащихся к уроку, настрой на урок.
  2. Беседа для воспроизведения знаний, полученных из курса 9 класса по данной теме.
  3. Изучение нового материала.
    1. История экологии.
    2. Развитие экологии.
    3. Разнообразие экологических наук. (Флэш анимация Законы экологии)
    4. Задачи экологии (Видео «Экология)
    5. Методы исследований в экологии.
    6. Окружающая среда. (Флэш анимация «Кислотные дожди»)
    7. Экологический фактор
    8. Экологические проблемы (Видео «Экологические проблемы»)

    Ход урока

    I. Подготовка учащихся к уроку.

    II. Беседа, с целью воспроизведения в памяти учащихся знаний из курса 9 класса.

    Вспомните, что вы знаете об экологии?

    Кто впервые ввёл термин «Экология»?

    Какие вопросы решает эта наука?

    III. Изучение нового материала.

    Ты, человек, любя природу,
    Хоть иногда ее жалей;
    В увеселительных походах
    Не растопчи ее полей;
    В вокзальной сутолоке века
    Ты оценить ее спеши:
    Она – твой давний добрый лекарь,
    Она – союзница души.
    Не жги ее напропалую
    И не исчерпывай до дна,
    И помни истину простую:
    Нас много, а она одна.
    В. Шефнер

    1) История экологии

    Эрнст Геккель «Естественная история миротворения» (1868)

    «Экология – общая наука об отношениях организмов к окружающей среде, куда относятся все условия их существования».

    Впервые термин «экология» предложил Э. Геккель (1866 год)

    Это наука о взаимоотношениях живых организмов между собой и окружающей их неорганической природой, о связях в надорганизменных системах, о структуре и функционировании этих систем.

    «Экология» – (от греческого «ойкос» – дом, жилище и «логос» – учение).

    Экология наука молодая, но тесно связана со многими другими науками, это доказывает схема, которая перед вами.

    2) Развитие экологии во второй половине XIX века.

    В центре внимания – организм

    Основные направления исследований:

    • Описание образа жизни разных видов
    • Изучение жизни в экстремальных условиях (Арктика, пустыни)
    • Закономерности влияния факторов среды
    • Связь морфологии организмов и среды обитания
    • Периодические явления в жизни организмов (сезонность, суточные ритмы)

    В середине XIX в. возникло особое направление – экология

    Вначале – на уровне изучения отдельных организмов.

    1930-е гг. – формирование нового направления – экологии популяций – популяционная экология.

    Особенности развития экологии в XX веке.

    • Математическое моделирование
    • Компьютеризация. Базы данных.
    • Количественные оценки. Прогнозы
    • Международное сотрудничество
    • Прикладная экология. Охрана природы
    • Организационные мероприятия
    • (общества, журналы, совещания)

    Экология – это наука о взаимоотношениях живых организмов и систем организмов (популяций, сообществ) друг с другом и со средой их обитания.

    Она пытается объяснить, почему те или иные растения и животные встречаются только в определённом месте; почему так много организмов одного типа и так мало другого, какие изменения могут вызвать их взаимодействия на данной территории; как функционируют биологические системы, как образуются и используются органические соединения в них, как происходит круговорот элементов и веществ в природе.

    Работа со схемой: взаимосвязь экологии с другими науками

    4) Какие основные задачи экологии вы смогли бы выделить?

    • Исследование закономерностей организации жизни в связи с антропогенным воздействием на природные системы и биосферу в целом.
    • Создание научной основы эксплуатации биологических ресурсов, прогноз изменений природы под влиянием деятельности человека и управление процессами сохранения среды
    • Разработка системы мероприятий, обеспечивающих минимум применения химических средств борьбы с вредными видами.
    • Регуляция численности живых организмов.
    • Экологическая индикация состояния и загрязнения природной среды
    • Изучение взаимоотношения организмов, популяций, видов между собой.

    Экология, как наука, использует различные методы исследования, исходя из поставленных задач.

    5) Какие методы исследования в экологии вы выделите?

    Каждый организм существует совместно с другими организмами и окружающей средой.

    6) Что вы отнесёте к окружающей среде?

    Ключевые понятия: среда – среда жизни – водная среда – наземно-воздушная среда – почвенная среда – организм как среда жизни

    СРЕДА – все, что окружает организмы, прямо или косвенно влияет на их состояние, развитие, выживание и размножение.

    Однако, несмотря на это разнообразие, различают четыре качественно различные среды жизни, обладающие специфическим набором экологических факторов, а, следовательно, требующих и специфического набора адаптаций.

    Вот эти среды жизни: 1. Наземно-воздушная (суша); 2. водная; 3. почва; 4. другие организмы.

    Распределите животных соответственно их среде обитания.

    Животное Наземно-воздушная Водная Почва Другие организмы
    Акула
    Лягушка
    Крот
    Аскарида
    Рак
    Морская звезда
    Амёба дизентерийная
    Крокодил
    Утка кряква
    Дождевой червь
    Нематода свекловичная

    Среда окружающая (внешняя) – это силы природы, её вещество и пространство, находящееся вне систем.

    Среда биотическая – природные условия, обязанные своим происхождением жизнедеятельности живых организмов.

    Среда абиотическая – природные условия, происхождение которых не связано с жизнедеятельностью живых организмов.

    Можно выделить 3 уровня изучения жизни:

    1. Взаимодействие отдельного организма со средой – изучает аутэкология
    2. Взаимодействие между организмами – изучает демэкология
    3. Взаимодействие между всеми живыми организмами – изучает синэкология
    4. И одной из новых наук, изучающих влияние человека – социальная экология.

    Рассмотрим связь экологии с другими науками. Приложение 1.

    Основными ключевыми понятиями в экологии является термин «экосистема», который был предложен английским учёным А. Тенсли (1935 год).

    Самая крупная экосистема – это биосфера.

    Человек, как и всякий живой организм, связан с биосферой и воздействует на неё, поэтому возникла глобальная экология. Она исследует влияние на биосферу антропогенных, космических, геофизических и других факторов. Важнейшим направлением в экологии является экология человека.

    На любой организм оказывают влияние экологические факторы среды.

    Вспомните из курса 9 класса какие виды экологических факторов знаете?

    7) Экологический фактор – это любой элемент окружающей среды, способный оказать прямое или косвенное воздействие на живой организм.

    Более подробно об экологических факторах мы будем говорить на последующих уроках.

    Отметим только, что все факторы можно разделить на 3 группы.

    1. Абиотические
    2. Биотические факторы
    3. Антропогенный фактор

    Экологические факторы действуют не по отдельности, а во взаимосвязи.

    Определите принадлежность признака к определённому экологическому фактору:

    Экологический фактор Абиотический Биотический Антропогенный
    Температура
    Ель в лесу
    Влажность
    Солёность
    Распашка земель
    Свет
    Белка в лесу
    Аскарида в организме
    Загрязнения от выбросов заводов
    Клещи в гнезде птиц
    Выхлопные газы автомобилей

    Рассмотрим экологические советы. Приложение 3.

    Основные термины экологии

    Биогеоценоз – это устойчивое сообщество растений, животных и микроорганизмов, находящихся в постоянном взаимодействии с компонентами атмосферы, гидросферы и литосферы..

    Биосфера – это часть оболочки Земли, населённая живыми организмами

    Биом: совокупность животных и растений, населяющих крупные ландшафтные подразделения, например лиственный, хвойный лес и т. д.

    Биотоп – неорганическая, неживая среда, занимающая определённое пространство.

    Биоценоз – сообщество растений, животных и микроорганизмов, населяющих одну территорию, взаимно связанных в цепи питания и влияющих друг на друга.

    Экологическая система – Сообщество живых организмов и среды их обитания, составляющие единое целое на основе пищевых связей и способов получения энергии.

    IV. Выполнение учащимися практических заданий по решению экологических задач.

    Изучите распределение потомства жука-короеда в спиленном бревне. Выявите все факторы, которые благоприятствуют нормальному развитию личинок короеда. Какие благоприятные факторы способствуют развитию личинок? Какие приводят к гибели личинок, яиц? Почему необходимо обязательно удалять из леса, спиленные или упавшие деревья?

    Закрепление изученного материала

    Выберите правильное определение «Экология» – это:

    1. Наука о взаимоотношениях человека и окружающей среды
    2. Наука о взаимоотношениях живых организмов с окружающей средой
    3. Природа
    4. Охрана и рациональное природопользование

    Выпишите понравившиеся афоризмы, поясните ваш выбор. Приложение 4.

    Выскажите своё мнение по экологическим фактам:

    • По словам известного Гарвадского биолога Уилсона ежегодно с лица Земли исчезает около 30 000 видов живых организмов. К концу этого столетия Земля лишится около половины своего теперешнего биоразнообразия.
    • Каждый шестой человек в мире живёт в опасных и неблагоприятных для здоровья условиях.
    • В мире на вооружение тратится в 12 раз больше денежных средств, чем на помощь развивающимся странам.
    • К 2025 году более 2,8 миллиардов людей 48 стран мира будет испытывать нехватку воды. К 2050 году количество людей, постоянно испытывающих нехватку воды, достигнет 7 миллиардов.

    Это интересно. Приложение 2.

    Домашнее задание: 67 Учебник «Общая биология» Д.К. Беляев, Г.М. Дымшиц Москва «Просвещение» 2005 год, параграф 78 стр. 274–281. Ответить на вопросы в конце параграфа.

    Общая биология О.В. Саблина Г.М. Дымшиц «Рабочая тетрадь 10 – 11 классы» Просвещение 2005 год. Задание 5 стр. 63, 9 стр.61.

    Источник

    Методы экологии

    Под словом «метод» понимают способ познания явлений природы и жизни. Метод — это систематический ряд этапов, шагов, действий, которые нужны для того что бы путем решения определенных задач достигнуть поставленной цели.

    В экологии выделяются четыре основных метода:

    • системный подход
    • полевые наблюдения
    • эксперимент
    • математическое моделирование

    Системный подход

    Системный подход настолько распространен в экологии что, благодаря ему сформировалось целое экологическое направление — системная экология. Системный подход основан на изучении объектов как целых систем. Базой для системного подхода является системный анализ.

    Системный анализ – это группа методологических средств, которые направлены на решение сложных задач. Системный анализ включает в себя несколько основных этапов:

    Готовые работы на аналогичную тему

    • формулировка проблемы
    • формулирование задач
    • расположение целей и задач в порядке важности
    • поиск путей решения поставленных задач
    • моделирование
    • формулирование возможных действий
    • внедрение результатов

    При производстве системного анализа, в зависимости от проблем и целей некоторые его этапы могут быть переставлены местами или вовсе исключены. При системном анализе важно принимать во внимание следующие критерии:

    • выбранный способ решения можно изменить и улучшить
    • критерии оценки положительного решения должны быть четко определены
    • должны быть учтены причинно-следственные связи.

    Принципы системного подхода должны быть:

    • целостными
    • структурными
    • взаимосвязанными с системой и средой
    • иерархичными
    • множественными

    Целостность предполагает состояние системы при котором свойства сохраняются внутри системы.

    Структурность предполагает взаимосвязь элементов системы, поведение элементов зависит от их расположения в структуре.

    Иерархичность предполагает, что каждый компонент системы является самостоятельной единицей, он является частью более крупной организации. Под множественностью понимается множественность описания каждой системы.

    Системный подход имеет следующие этапы:

    • поиск решений
    • прогноз каждого варианта решения
    • выбор критерий по которым можно выявить наиболее подходящее решение.

    Метод наблюдения

    Это первый из приемов, который используется в экологическом исследовании. Этот метод предполагает невмешательство или очень малое вмешательство в наблюдаемую среду. С течением времени описания наблюдений менялись. Изначально экологи давали красочные яркие описания окружающей их природы, сегодня это комплексные характеристики, составленные с использование современного оборудования: электроники, акустических аппаратов, фотоаппаратов).

    Метод полевого наблюдения решает следующие задачи:

    • выявление основных экосистем и их взаимосвязей
    • определение видов, которые населяют экосистему
    • определение какой климат, почва, вода характерны для окружающей сред этого вида
    • определение количественного состава экосистемы
    • описание экосистемы в динамике

    Таким образом полевые наблюдения позволяют установить каким образом комплекс факторов влияет на организм или популяцию. Конечно же на все поставленные вопросы метод наблюдения ответить не в состоянии, поэтому экологи прибегают к использованию других популярных в экологии методов.

    Метод экологического эксперимента

    Под термином эксперимент понимают активное и целенаправленное вмешательство в протекание изучаемого процесса, соответствующее изменение объекта или его воспроизведение в специально созданных и контролируемых условиях

    В экологическом эксперименте объект исследования может быть воспроизведен искусственным путем или может быть поставлен в искусственно созданные условия.

    Целью эксперимента в экологии является выявить причину наблюдаемых в природе взаимосвязей. Экологический эксперимент носит аналитический характер. С помощью эксперимента ученые могут проанализировать какое воздействие на организм оказывают отпрядённые факторы в искусственно созданных условиях. Полученные результаты лабораторного эксперимента нуждаются в своем подтверждении в условиях живой природы. Полевые эксперименты отличаются от полевых наблюдений тем что ученые могут регулировать силу воздействующего фактора.

    Минусом эксперимента можно назвать то что в нем невозможно смоделировать все природные факторы, влияющие на организм. Но в экологическом эксперименте можно вполне можно хорошо изучить какой-то один определенный фактор.

    Метод эксперимента имеет свои специфические черты:

    • более активный метод по сравнению с наблюдением
    • в ходе эксперимента объект может быть изменен
    • эксперимент может повторятся несколько раз для точности результатов
    • некоторые свойства появляются у объекта только в экспериментальных условиях, но отсутствуют в живо природе
    • возможность изменения условий эксперимента

    Существует пять стадий экологического эксперимента:

    • гипотеза
    • планирование
    • реализация
    • анализ
    • интерпретация результатов

    Гипотеза должна быть качественной и осознанной, в ходе эксперимента правильная гипотеза очень важны иначе весь ход эксперимента будет терять смысл.

    В эксперименте важную роль играет и план, по которому будет реализовываться эксперимент. План эксперимента – это логическая структура исследования.

    Реализация представляет собой все процедуры и действия, которые будут совершаться над объектом эксперимента. Далее ученые проводят анализ полученных данных и интерпретируют их согласно выдвинутой первоначально гипотезе.

    Математическое моделирование

    Математическая экология была основана на теории динамики популяций. Согласно этой теории динамика численности видов животных, растений и микроорганизмов, и их отношения представлены в виде дифференциальных, интегро-дифференциальных и разностных уравнений. Сложные экологические системы невозможно описать с помощью простых усечённых моделей. В таких случаях используют или сложные имитационные компьютерные модели или простые интегрированные модели.

    Имитационные компьютерные модели представляют информацию в различных видах: формулы, уравнения, графики и так далее.

    Простые интеграционные модели также требуют развитой вычислительной техники.

    Математическое моделирование помогает систематизировать биологические химические и физические сведения для дальнейшего изучения природы.

    Источник

    НОВЕЙШИЕ МЕТОДЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

    Понятие об экологическом мониторинге. Экологический мониторинг – это длительное слежение динамики состояния экологических явлений во времени, их оценка и прогноз происходящих процессов в природной среде.

    Мониторинг представляет собой многоцелевую информационную систему с главными задачами:

    1. Наблюдение;

    3. Прогноз состояния природной среды под влиянием антропогенного воздействия с целью предупреждения создающихся критических ситуаций, вредных и опасных для здоровья людей, благополучия других живых существ, их сообществ, природных и созданных человеком объектов.

    Мониторинг обычно ведется как контроль за загрязнением почвы, воды, воздуха различными отходами, за накоплением тяжелых металлов, химических веществ, радионуклидов, попаданием их в пищевые цепи.

    Мониторинг также используется для выявления видового разнообразия в естественных биогеоценозах, для выявления и спасения редких, исчезающих биологических видов, для уточнения системы приоритетов при охране крупных природных комплексов и для принятия решений в рекомендациях по использованию естественных территорий под строительство дорог, поселений, предприятий.

    В зависимости от того, за кем (чем) и как ведется контрольное слежение различают разные виды мониторинга.

    мониторинг биологический (биомониторинг) – длительное наблюдение за наличием видов, их состоянием и численностью, появлением случайных интродуцентов, исчезновением каких – либо видов, изменением ареала; слежение за состоянием среды обитания с помощью биоиндикаторов;

    мониторинг окружающей среды – это наблюдение за общим состоянием природной среды и за динамикой изменений отдельных экологических факторов среды, окружающей человека;

    — мониторинг глобальный – слежение за процессами (в том числе антропогенного влияния), происходящими на всей планете;

    — мониторинг региональный – это слежение за процессами и явлениями в пределах одного какого – то региона;

    мониторинг базовый – слежение за общебиосферными природными явлениями без наложения на них антропогенных влияний.

    При проведении мониторинга наряду с биологическими методами используются физические, химические, географические, вплоть до космических (зондирование с искусственных спутников, космических кораблей и пр.). В процессе мониторинга часто создается определенный перечень (список) сведений, направленных на разработку мер по охране исследуемых объектов. Такой перечень сведений называют кадастром.

    Кадастр (фр. Сadastre, от греч. katastichon – лист, реестр) – систематизированный свод сведений, составляемый периодически или путем непрерывных наблюдений над соответствующим объектом об его качественных и количественных характеристиках.

    Кадастр обычно включает рекомендации по использованию предметов и явлений, предложение мер по их охране. Он может содержать разнообразные сведения о природных объектах – физико – географическую характеристику, классификацию, сведения о динамике, степени исследованности и оценке с приложениями картографических, статистических и оценочных материалов.

    Различают виды кадастра:

    водный – свод сведений о водах региона или бассейна, включающий данные о всех реках, озерах, ручьях, болотах, ледниках и подземных водах;

    детериорационный – свод сведений об ухудшении окружающей среды (воздуха, почв, вод, уничтожении растительности, истощении биологического разнообразия и пр.)

    земельный – свод сведений о землях (грунтах и почвах, сельскохозяйственных угодьях), пригодных и непригодных к использованию;

    лесной – свод данных о лесах, их изученности и прямом и побочном использовании;

    особо охраняемых объектов и территорий;

    промысловый – свод сведений об объектах, составляющий промысловые ресурсы;

    рекреационный – свод данных о территориях, предназначенных для отдыха и восстановления здоровья человека;

    фаунистический и флористический.

    Все кадастры характеризуют данные об объектах какой – то конкретной территории – района, региона или страны.

    Экспериментальные методы широко используются в экологических исследованиях. Эксперимент в природе отличается от наблюдения тем, что организмы искусственно ставятся в условия, при которых можно строго дозировать тот или иной фактор и точнее, чем при наблюдении, оценивать его влияние. Экспериментальные методы позволяют сравнительно и аналитически подойти к определению влияния отдельных факторов (абиотических и биотических) на организм или популяцию, сообщество в искусственно созданных условиях и таким путем выявить механизм, обусловливающий нормальную жизнедеятельность изучаемого объекта. Производимые в эксперименте наблюдения, описания и измерения выявленных свойств объекта обязательно сопоставляются с контрольными – такими же объектами, но не задействованными в эксперименте.

    Эксперимент, поставленный в полевых условиях, может продолжаться в лаборатории. Выводы, полученные в лабораторном экологическом эксперименте, требуют обязательной проверки в природе. В экологическом эксперименте трудно воспроизвести и применить весь полный комплекс факторов среды, но определить влияние какого-то одного экологического фактора или двух можно. В последнее время особенно распространенными стали химические методы, применение которых позволяет определить качественное состояние окружающей среды (воды, почвы, воздуха и т.п.) и состояние отдельных организмов на той или иной конкретной территории.

    Объектом исследования в экологии являются и единичные особи (организмы), и группы особей: популяции, виды и их сообщества и экосистемы (биогеоценозы, биосфера) а также отдельные факторы среды и в целом окружающая среда. В число объектов экологического изучения входят и дикие, и разводимые человеком растения, и животные, и сам человек как живой организм, его природная и социальная среда жизни.

    Многообразие и сложность взаимосвязей и взаимозависимостей живых систем разных уровней организации со средой обитания обуславливают применение огромного разнообразия методов экологических исследований. При этом обычно используются специфические методы физиологии, медицины, анатомии, морфологии, фенологии, биохимии, этологии, систематики, ритмологии и других биологических и небиологических наук (химия, физика, математика, статистика, социология, климатология и др.). Например, химическими методами устанавливают накопление тех или иных минеральных и органических веществ в растениях и животных определенного биогеоценоза, сообществе в целом, одними и теми же видами в разных биогеоценозах. Физическими методами определяют качество солнечной радиации; климатологическими – диапазон колебания температуры и влажности воздуха или почвы, характер выпадающих осадков и пр.

    Все разнообразие этих методов исследования позволяет выявить качественное состояние изучаемых объектов и отличие одних исследуемых организмов, видов (популяций) или процессов от других, развивающихся в иных условиях. Однако качественная характеристика явления раскрывает лишь самые поверхностные связи и отношения. Только количественные показатели, являющиеся результатом подсчета, многократного измерения, взвешивания, позволяют проникнуть в глубь явлений. Но даже количественное разовое наблюдение не является доказательным. Для убедительной доказательности наблюдаемого явления, раскрытия его свойств и закономерностей необходимы повторные наблюдения и статистическая обработка результатов. Из статистических показателей важными для экологического исследования являются средняя арифметическая и среднее квадратическое отклонение. Средняя арифметическая свидетельствует о средней величине изучаемого признака в данной совокупности, но она не дает достаточно четкой картины в характеристике признака, поскольку значение признака в выборке варьирует. О его вариабельности можно судить по величине среднего квадратического отклонения, которое позволяет определить, какая доля отклонений от средней арифметической приходится на одну варианту данной выборки. Средняя арифметическая и среднее квадратическое отклонение позволяют вычислить и ряд других статистических показателей изучаемого экологического явления.

    Количественная оценка объектов и процессов является основой всех экологических исследований. Эколог ведет учет не только присутствия живых организмов, но и исследует и силу действия факторов среды. Количественный учет организмов в единицах пространства и времени выясняет зависимость их численности и оценку их общего состояния распространения от изменения внешних условий, прогноз на будущее. Учет численности организмов, встречаемости, плотности населения, возрастной и половой структуры популяций, плодовитости, продуктивности, сопряженности между видами, заболеваемости, загрязненности среды и т.п. – необходимое требование к работе эколога. По тому, как меняются эти показатели исследуемого объекта можно судить о его состоянии на данный момент и выявить стабильность или тенденции к изменению, скорость, размеры и направление изменений.

    Особенно большое место занимают методы количественного анализа в исследованиях по биогеоценологии (экологии экосистем) и популяционной экологии. Учет численности организмов и ее динамики являются основными показателями популяционных и биоценотических экологических исследований. Показателями численности организмов являются: встречаемость вида, его обилие, доминирование, количество биомассы, продуктивность, прирост продукции и пр. на основе показателей количественного учета делаются кратковременные и длительные прогнозы численности полезных и вредных видов (рождаемости, смертности, выживаемости), разрабатываются меры по охране и рациональному использованию природных ресурсов, выявляется тенденция гомеостатических и сукцессионных изменений в природных и искусственных экосистемах.

    Все эти методы прямого и косвенного изучения экологических явлений относятся к группе эмпирических. К ним же относится и метод моделирования экологических явлений в природе и обществе, который в последнее время получил широкое распространение.

    Признание системного принципа организации природы как предмета экологии обусловило необходимость применения системного подхода, как особого направления экологического исследования, сущность которого заключается в изучении всех компонентов системы в их взаимодействии друг с другом и в развитии (в пространстве и во времени). Конечной целью исследования является построение модели системы, адекватно отражающей саму природную систему.

    Моделирование – это метод опосредованного практического и теоретического оперирования объектом, при котором исследуется непосредственно не сам интересующий объект, а используется вспомогательная искусственная или естественная система (модель), соответствующая свойствам реального объекта. Модель это «мысленно представимая или материально реализованная система, которая отражая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что ее изучение дает новую информацию об этом объекте». Именно ради этой дополнительной новой информации (т.е. эмерджентного свойства модели) и применяется моделирование. Потребность моделирования в экологии возникает тогда, когда конкретное исследование самого объекта невозможно, затруднительно из-за обилия (или скудности) фактических материалов о нем, или дорого, или требует слишком длительного времени. В то же время модель может выполнять свою роль лишь тогда, когда степень ее соответствия объекту определена достаточно строго.

    Модель – это абстрактное описание какого-то явления реального мира, позволяющая делать предсказания об этом явлении. Хотя любая модель всегда упрощена и отражает лишь общую суть или (вероятный сценарий) процесса, т.е. не копирует, а имитирует реальность, тем не менее моделирование позволяет экспериментировать, использовать процессы и явления, недоступные для непосредственного наблюдения. Так в «модельных условиях», т.е. методами имитационного моделирования, особенно с применением компьютеров, были получены достаточно надежные количественные прогнозы (например, изменений численности популяции в меняющихся условиях, математических закономерностей в системах хищник-жертва и паразит-хозяин, устойчивости структуры экосистем и др.).

    Имитационное моделирование широко используется при исследовании экосистем и, особенно, биосферы. То есть там, где учитывается множество разнохарактерных структурных компонентов экосистемы и многофункциональное их поведение. При этом для построения удовлетворительной модели в виде блок-схемы не нужно необъятного количества информации об огромном множестве переменных.

    В зависимости от особенностей системы-оригинала и задач исследования применяются разнообразные модели, особенно среди знаковых моделей. Знаковые модели – это условное описание объекта, осуществляемое с помощью разных символов и операций над ним, интерпретируемое как образ реального объекта. В отличие от знаковой, реальная модель отражает существенные, реальные черты объекта-оригинала (приложение).

    Модели очень полезны также как средство интеграции всего того, что известно о моделируемой ситуации, при этом они выявляют и неточности в исходных данных об объекте, и определяют новые аспекты его изучения. Моделирование экологических явлений используется для практических прогнозов динамики явлений, для исследования взаимосвязей видов и сообществ со средой, для определения воздействия факторов и для выбора путей рационального вмешательства человека в жизнь природы. Например, группа ученых в 1971 году создала имитационную компьютерную модель Ворлд-3 (World-3) и ее помощью описала перспективы роста численности населения планеты и мировой экономики на ХХ век. Полученные выводы ученые опубликовали в 1972 году в докладе, назвав его «Пределы роста».

    В модели Ворлд-3 были задействованы многочисленные мировые данные о причинах роста населения на планете, роста промышленного капитала, производства продуктов питания, потребления ресурсов и загрязнения окружающей среды, существующего в мире. Изучение этих вопросов ученым поручил Римский клуб – это международная группа крупных бизнесменов, государственных деятелей и ученых, создания по инициативе ведущего итальянского промышленника Аурелио Печчеи, — с целью прогноза на будущее в поиске приоритетов и мер по развитию экономики, защите окружающей среды и сохранению человечества. Стратегия данного моделирования заключалась в попытке путем упрощения получить модель, свойства и поведение, которые могли бы использоваться для принятия эффективных позитивных решений для сохранения биосферы и устойчивого развития общества.

    Подобное построение модели глобальной экосистемы и жизнеобеспечения человечества интегрирует в едином процессе экологического исследования междисциплинарный подход, в котором применяются наряду с математическими, эмпирические и социологические методы.

    Обычно все экологические материалы, полученные эмпирическим путем, включаются затем в систему теоретических методов исследования, т.е. они анализируются, обобщаются и используются для формирования выводов, гипотез и предложений, прогноза о перспективах экологических взаимодействий и явлений, для принятия каких-либо решений.

    В исследованиях экологических явлений системы «Человек-Природа-Общество» широкое распространение получили методы из группы социологических. Среди них – опрос населения (массовый, групповой, индивидуальный), анкетирование, беседа с отдельными людьми для сбора экологических данных и др.

    Вопросы для обсуждения задания

    1.Перечислите основные методы научных исследований, применяемых в экологии.

    2. Когда применяются стационарные методы исследования?

    3. Какова роль маршрутных и стационарных исследований в экологии? Опишите шестибалльную шкалу глазомерной оценки по О. Друде.

    4. Укажите роль полевых и лабораторных методов экологических исследований.

    5. Что такое мониторинг?

    6. Чем мониторинг отличается от экспедиции?

    7. Какие виды мониторинга различают в экологии?

    8. В каких случаях используется метод моделирования?

    9. Что обозначают термином «кадастр»?

    10. В чем отличие методов «описание» и «наблюдение»?

    11. Как осуществляется оценка плотности населения?

    12. Назовите методы научных исследований, применяемых в экологии.

    13. Каковы особенности экологического эксперимента?

    14. Какие экологические проблемы решают с помощью биомониторинга и биоиндикации?

    15.Опишите метод моделирования.

    16. Опишите схему классификации моделей.

    17.В чем заключается междисциплинарный подход в процессе экологических исследований?

    Задание

    1. На примере одного комнатного растения (любого, имеющегося в вашем распоряжении) опишите его условия обитания и выразите ваше исследование в виде графической схемы.

    2. Смоделируйте условия экологического эксперимента по проращиванию семян гороха (или тыквы, пшеницы и др.).

    Источник

    

    Методы экологических исследований

    -прогнозирование последствий воздействия общества на природу с целью предотвращения негативны результатов.

    Экология как наука использует как свои методы, так и методы других наук-теоретические: анализ, синтез, обобщение, моделирование; эмпирические: наблюдение, измерения. Собственные методы: полевые, экспедиции, экспериментальные.

    Основные разделы современной экологии:

    -общая экология (биоэкология, геоэкология)

    -социальная (взаимодействие общества с природой)

    В зависимости от типа изучаемых биологически систем в экологии выделяют разделы:

    -аутэкология (отношения вида с окруж.средой)

    -демэкология или динамика популяций (особенности развития популяций)

    -синэкология (экология сообществ-изучает отношения между видами)

    Этапы развития экологии. Выдающиеся учёные-экологи

    Этапы развития экологии

    Экология своими корнями уходит в далекое прошлое. Потребность в знаниях, определяющих «отношение живого к окружающей его органической и неорганической среде», возникла очень давно. В истории развития экологии можно выделить три основных этапа.

    Первый этап

    — зарождение и становление экологии как науки (до 60-х гг. XIX в.).
    На этом этапе накапливались данные о взаимосвязи живых организмов со средой их обитания, делались первые научные обобщения.

    В XVII—XVIII вв. экологические сведения составляли значительную долю во многих биологических описаниях . Элементы экологического подхода содержались в исследованиях русских ученых И.И. Лепехина, А.Ф. Миддендорфа, С.П. Крашенинникова, французского учёного Ж. Бюффона, шведского естествоиспытателя К. Линнея, немецкого ученого Г. Йегера и др.

    В этот же период Ж.-Б. Ламарк (1744—1829) и Т. Мальтус (1766—1834) впервые предупреждают человечество о возможных негативных последствиях воздействия человека на природу.

    Второй этап

    — оформление экологии в самостоятельную отрасль знаний (после 60-х гг. XIX в.). Начало этапа ознаменовалось выходом работ русских ученых К.Ф. Рулье (1814— 1858), Н.А. Северцова (1827—1885), В.В. Докучаева (1846— 1903), впервые обосновавших ряд принципов и понятий экологии, которые не утратили своего значения и до настоящего времени. Неслучайно поэтому американский эколог Ю. Одум (1975) считает В.В. Докучаева одним из основоположников экологии. В конце 70-х гг. XIX в. немецкий гидробиолог К. Мёбиус (1877) вводит важнейшее понятие о биоценозе как о закономерном сочетании организмов в определенных условиях среды.

    Неоценимый вклад в развитие основ экологии внес Ч. Дарвин (1809—1882), вскрывший основные факторы эволюции органического мира. То, что Ч. Дарвин называл «борьбой за существование», с эволюционных позиций можно трактовать как взаимоотношения живых существ с внешней абиотической средой и между собой, т. е. с биотической средой.

    Немецкий биолог-эволюционист Э. Геккель (1834—1919) первый понял, что это самостоятельная и очень важная область биологии, и назвал ее экологией (1866). В своем капитальном труде «Всеобщая морфология организмов» он писал: «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 он прямо или косвенно вступает в контакт. Одним словом, экология — это изучение всех сложных взаимоотношений, которые Дарвин назвал «условиями, порождающими борьбу за существование».

    Как самостоятельная наука экология окончательно оформилась в начале XX столетия. Крупнейший русский ученый XX в. В. И. Вернадский создает фундаментальное учение о биосфере.

    В 30-е и 40-е гг. экология поднялась на более высокую ступень в результате нового подхода к изучению природных систем. Сначала А. Тенсли (1935) выдвинул понятие об экосистеме, а несколько позже В.Н. Сукачев (1940) обосновал близкое этому представление о биогеоценозе.Следует отметить, что уровень отечественной экологии в 20—40-х гг. был одним из самых высоких в мире, особенно в области фундаментальных разработок. В этот период в нашей стране работали такие выдающиеся ученые, как академики В.И. Вернадский и В.Н. Сукачев, а также крупные экологи В.В. Станчинский, Э.С. Бауэр, Г.Г. Гаузе, В.Н. Беклемишев, А.Н. Формозов, Д.Н. Кашкаров и др.

    Во второй половине XX в. в связи с прогрессирующим загрязнением окружающей среды и резким усилением воздействия человека на природу экология приобретает особое значение.

    Начинается третий этап (50-е гг. XX в. — до настоящего времени) — превращение экологии в комплексную науку, включающую в себя науки об охране природной и окружающей человека среды. Из строгой биологической науки экология превращается в «значительный цикл знания, вобрав в себя разделы географии, геологии, химии, физики, социологии, теории культуры, экономики. »

    Современный период развития экологии в мире связан с именами таких крупных зарубежных ученых, как Ю. Одум, Цж. М. Андерсен, Э. Пианка, Р. Риклефс, М. Бигон, А. Швейдер, Дж. Харпер, Р. Уиттекер, Н. Борлауг, Т. Миллер, Б. Не-5ел и др. Среди отечественных ученых следует навать И.П. Герасимова, А.М. Гилярова, В.Г. Горшкова, Ю.А. Израэля, Ю.Н. Куражсковского, К.С. Лосева, Н.Н. Моисеева, Я.П. Наумова, Н.Ф. Реймерса, В.В. Розанова, Ю.М. Свирикева, В.Е. Соколова, В.Д. Федорова, С.С. Шварца, и др.

    Начало природоохранной деятельности Советского государства совпало с рядом первых декретов, начиная с «Декрета о земле» от 26 октября 1917 г., который заложил основы природопользования в стране.

    Именно в этот период зарождается и получает законодательное выражение основной вид природоохранной деятельности — охрана природы.

    В период 30—40-х гг., в связи с эксплуатацией природных богатств, вызванной главным образом ростом масштабов индустриализации в СССР, охрана природы стала рассматриваться как «единая система мероприятий, направленная на защиту, развитие, качественное обогащение и рациональное использование природных фондов страны».
    Таким образом, в России появился новый вид природоохранной деятельности — рациональное использование природных ресурсов.

    В 50-е г. дальнейшее развитие производительных сил в стране, усиление негативного влияния человека на природу обусловили необходимость создания еще одной формы, регулирующей взаимодействие общества и природы, — охраны среды обитания человека. В этот период принимаются республиканские законы об охране природы, которые провозглашают комплексный подход к природе не только как к источнику природных ресурсов, но и как к среде обитания человека.
    В 60—80-е гг. в СССР практически ежегодно принимались правительственные постановления об усилении охраны природы (об охране бассейна Волги и Урала, Азовского и Черного морей, Ладожского озера, Байкала, промышленных городов Кузбасса и Донбасса, Арктического побережья). Продолжался процесс создания природоохранного законодательства, издавались земельные, водные, лесные и иные кодексы.

    Эти постановления и принятые законы, как показала практика их применения, не дали необходимых результатов — губительное антропогенное воздействие на природу продолжалось. В 1986 г. на Чернобыльской АЭС произошла крупнейшая за всю историю развития человечества экологическая катастрофа. Сегодня Россия продолжает находиться в сложной экологической ситуации.

    Методы экологических исследований

    Для выявления специфики экологических закономерностей существуют исключительно собственные – экологические методы. Они делятся на полевые, лабораторные, экспериментальные, количественные (математическое моделирование) методы.

    Полевые методыимеют первостепенное значение. Они предполагают изучение популяций и сообществ в естественной среде (в природе) и позволяют установить воздействие на объект комплекса факторов, изучить общую картину развития и жизнедеятельности изучаемого объекта.

    В качестве примера можно привести леса на склонах разных экспозиций, на разных почвах, на разных географических широтах. Или водные экосистемы на разной глубине в одном и том же море, на одной глубине в южных и северных морях. Все они, несмотря на различия, развиваются по одним и тем же законам, под влиянием комплекса факторов, но значения этих факторов разные и зависят от местоположения объекта исследований.

    Однако в полевых исследованиях очень сложно выявить роль одного фактора, как биотического (конкуренции, аллелопатии, плодородия почв), так и абиотического (тепло, влаги, света, засоления, кислотности почв), тем более, что все факторы функционально связаны друг с другом.

    Известно, что нередко ограничение одного из них сопряжено с изменением другого. Так, холодность почв с многолетней мерзлотой способствует их переувлажнению и, как следствие, анаэробиозису. В результате резко ухудшаются условия усвоения корнями растений элементов питания. В Приморье, как правило, высокая инсоляция южных склонов сопровождается высокой сухостью субстрата и формированием ксерофитных криволесий.

    Исследовать роль конкретного фактора можно при постановке эксперимента в полевых или лабораторных условиях.

    Экспериментальные методы отличаются от полевых тем, что организмы искусственно ставятся в условия, при которых можно дозировать размер изучаемого фактора, следовательно, можно точнее, чем при обычном наблюдении, оценить его влияние. При этом выводы, полученные в лаборатории, требуют обязательной проверки в полевых условиях.

    В качестве примеров экологических экспериментов можно привести исследования функций лесозащитных полос, изучение осветления насаждений, влияния разных доз удобрений, вносимых под сельскохозяйственные культуры и т.д. Широко известен метод изучения конкурентных взаимоотношений деревьев в лесу путем ограничения определенной площади (площади питания).

    Большое значение при проведении экологических исследований имеют химические и физиологические методы, т.к. они позволяют выявить роль разных компонентов экосистем, и в первую очередь, самого главного – фитоценоза, в аккумуляции и превращении вещества и энергии. Химические методы позволяют установить особенности накопления химических элементов в растениях и в целом в сообществах, особенности круговорота питания. С помощью физиологических методов можно в полевых условиях проследить физиологические процессы (фотосинтез и транспирация).

    Так как все биосистемы обладают способностью к саморегуляции, т.е. к восстановлению экологического равновесия, а законы их развития имеют причинно-следственную связь, то в экологических исследованиях широкое распространение получили математические методы (математическая статистика, методы теории информации и кибернетики, теории чисел, дифференциальные и интегральные исчисления и др.) и на основе этих методов – моделирование. Моделирование биологических явлений, т.е. воспроизведение в искусственных системах процессов свойственных живой природе, получило широкое распространение в современной экологии.

    Источник

    Читайте:  Урок 25 Тепловая энергия Получение и использование тепловой энергии человеком