101 ключевая идея. Экология - Пол Митчелл

Существуют и другие проблемы при испытании токсичности веществ на одном- единственном виде, поэтому приходится испытывать воздействие токсических веществ на сообщества в лаборатории или в природе. Такие испытания дают более реальные результаты, они эффективны, если необходимо определить сферу применения химикатов, но они слишком дороги и занимают много времени, особенно если испытывать не один вид веществ. И каким образом измерять вред, наносимый экосистеме? Должны ли мы анализировать изменения структуры или функций экосистемы? Какие именно аспекты структуры и функций? Нужно ли регистрировать любые эффекты, выходящие за рамки «естественных» вариаций?

Для того чтобы ответить на эти и другие вопросы, экотоксикологи должны сочетать различные подходы и средства анализа, например химическое и математическое моделирование, эксперименты с одним или несколькими видами, использование организмов в качестве «биомониторов».

См. также статьи «Биогеохимические циклы», «Экосистема», «Экспериментальная экология».

Волосатые гусеницы, обитающие в Арктике, выдерживают температуру до минус 70 °C. Они нисколько не страдают от того, что жидкость в их теле замерзает на 11 месяцев. За единственный месяц года, когда температура повышается и они оттаивают, эти гусеницы успевают наесться на все остальное время. Не удивительно, что для того, чтобы достичь взрослой стадии, этим «живым холодильникам» требуется 14 лет.

Другие животные выживают при очень низкой температуре благодаря тому, что вырабатывают своеобразные «белки-антифризы», которые не позволяют замерзать жидкости в их теле. Оба способа хороши в определенных условиях окружающей среды, но только если жидкость не замерзает внутри клеток — это не способно перенести ни одно животное. Подробности механизма образования таких «антифризов», или устойчивости к холоду, поразительны; то же самое можно сказать и по поводу механизмов животных, растений и микроорганизмов, призванных справляться с высокой температурой, отсутствием кислорода, засухой, повышенной кислотностью, нарушением водного равновесия и токсическими веществами.

Таким образом, экофизиология — это изучение деятельности отдельных организмов, связанной с их абиотическим (неживым) окружением.

Эти абиотические факторы являются сдерживающими средствами в том случае, когда определенные виды теоретически могли бы выжить; они ограничивают «фундаментальную нишу» организма. В пределах этих сдерживающих факторов ареал распространения вида зависит лишь от возможности достичь того или иного места, а также от их взаимодействия с другими видами («реализованная ниша»).

Экофизиология связана с другими видами исследований, в частности с исследованием сельскохозяйственной деятельности человека, с экологическим восстановлением брошенных земель и контролем над загрязнением. Поскольку в наши дни происходит быстрое глобальное изменение окружающей среды, знание экофизиологии становится насущно необходимым, особенно если мы хотим понять и предсказать ответные реакции организмов на изменения климата.

См. также статью «Ниша».

Эксперименты играют решающую роль в науке. Они необходимы для проверки гипотез; при проведении экспериментов определенные факторы, интересующие ученых, подвергают различным изменениям, оставляя неизменными все другие факторы (или по крайней мере принимая во внимание их воздействие). Поэтому эксперименты являются наилучшим средством определения причин и следствий.

В экологии проведение экспериментов затруднено в основном из-за масштабности происходящих процессов, из-за присущей окружающему миру изменчивости и из-за многочисленности сложных связей между различными факторами, которые (нередко косвенным образом) влияют на систему. Можно, конечно, постараться отразить все это разнообразие в экспериментах, но тогда они станут более сложными и им будет трудно дать биологическую интерпретацию. Важно также осознавать, что все эксперименты в той или иной степени условны и являются компромиссами.

Крайнюю степень удаленности от реального мира представляют собой лабораторные эксперименты; с их помощью хорошо исследовать механизмы процессов и явления, протекающие при жизни нескольких поколений. Лабораторные эксперименты можно рассматривать как количественные биологические модели — нечто среднее между математическими моделями и реальным миром.

В полевых экспериментах часто измеряют реакцию системы на возмущения (например, удаляя виды или добавляя питательные вещества); это основной вид экспериментов современной экологии. Однако из-за большой стоимости и требований материальной базы полевые эксперименты ограничены как во времени (2–3 года), так и в пространстве (несколько квадратных метров), хотя в последнее время наметились перемены в положительную сторону.

Проводить эксперименты возможно не всегда как по этическим или экономическим соображениям, так и из-за масштаба процессов. Определенную помощь, несмотря на связанные с ними проблемы, предоставляют так называемые естественные эксперименты. При этом ученые не проводят никаких целенаправленных действий, они просто наблюдают то, что происходит в природе (поэтому они наиболее «реалистичны» и наименее точны), сравнивая факты с тем, что было предсказано теорией. Однако некоторые явления при этом могут быть вызваны не одним, а несколькими процессами, поэтому связь между причиной и следствием устанавливается не совсем однозначная.

См. также статьи «Модели в экологии», «Обобщения в экологии».