2.4. Об’єкти вивчення в екології

Як і будь-яка інша наука, екологія має справу з безліччю об’єктів. Ці об’єкти своєрідні за внутрішньою структурою та функціями. Але в таких наборах об’єктів можна виділити цілісний об’єкт, що лежить в основі утворення інших екологічних об’єктів. В екології таким об’єктом є екосистема.

Живі організми представлені в екосистемах особинами. В одноклітинних рослин і тварин, як і в мікроорганізмів, особини представлені окремими клітинами (рис. 2.1). У них реалізуються всі життєві функції організму: обмін речовин, розмноження та ін. У багатоклітинних організмів особина формується із заплідненої яйцеклітини або іншого зачатка. Оскільки в таких особин забезпечена єдність генотипу в усіх клітинах організму, то для їх найменування був запропонований термін «генет». Особливо часто цей термін використовують для назви особин у рослин.

При наявності вегетативного розмноження та розростання, що особливо характерне для рослин, структура організму ускладнюється. Ті чи інші частини набувають здатності до самостійного існування. Межі окремих індивідуумів у цих випадках стають розмитими. Для таких організмів може бути застосована назва «рамети». Рамет – це продукт розпаду генета на самостійно існуючі біологічні одиниці, що мають єдиний для всіх (у межах даного генета) генотип. Рамети дуже поширені серед рослин. Це окремі кущики брусниці в її клонах, це пагони малини, це такі ж самостійні пагони бур’янів пирію чи будяка.

Видиме різноманіття форми, розмірів та властивостей особин рослин та тварин поєднується з наявністю в них загальної фундаментальної властивості – усі вони живі. Навіть сучасній науці досить складно дати вичерпне визначення життя, хоча окремих таких визначень існує достатньо. Одне з останніх належить BJ. Голъданському (1986): «Життя – це форма існування біопо-лімерних тіл (систем), здатних до самореплікації в умовах постійного обміну речовиною та енергією з навколишнім середовищем». Але корисніше не шукати єдине формальне визначення, а намагатися підійти до визначення життя функціонально, з’ясувавши основні, обов’язкові для живих організмів властивості. Таких властивостей шість.

1. Живі організми характеризуються певним хімічним складом, обов’язковим компонентом їхнього тіла є білки та нуклеїнові кислоти.

2. Живі організми характеризуються високовпорядкованою будовою, яка самопідтримується впродовж їхнього існування. Саме ця особливість складає суть принципу організованості.

3. Життєдіяльність полягає в тому, що організми постійно отримують з навколишнього середовища енергію та багато різних речовин. У той же час вони виділяють у навколишнє середовище продукти своєї життєдіяльності. Ця властивість живих організмів отримала назву метаболізму, або обміну речовин.

4. Існуючи, живі організми постійно змінюють свої розміри та властивості, тобто розвиваються. На певних етапах життя особин здатність до росту та розвитку може, зовні проявлятися досить мало (наприклад, у насіння, що знаходиться в стані спокою), але в цілому це обов’язкова властивість усіх живих істот.

5. Живі організми розмножуються. Самоутворення живих організмів із неживої матерії поки не зареєстровано. Ця закономірність отримала назву принципу біогенезу.

6. Інформація про особливості кожного виду живих організмів зберігається в них самих як генетичний код. При розмноженні особин вона зчитується і передається нащадкам, тому діти в основних рисах та властивостях схожі на своїх батьків.

Кожну з названих особливостей живих організмів, взяту окремо, можна знайти й у неживих тіл природи. Життя визначає саме повний комплекс цих властивостей та особливостей.

Використання ідей термодинаміки розкриває явище життя на рівні організмів з нового боку. Відповідно до іншого закону термодинаміки усі спонтанні автономні процеси в природі йдуть в одному напрямку – від упорядкованого стану до неупорядко-ваного. За міру безладності прийнято використовувати поняття ентропії (S). На його основі для матеріального світу можна запропонувати вираз

Останні відкриття в галузі синергетики показують, що зростання ентропії в неорганічній матерії не є універсальним правилом, хоча воно досить широко проявляється. Знайомство з живими організмами засвідчує, що під час їх життєдіяльності, навпаки, відбувається закономірне впорядкування внутрішньої структури, тобто процес, протилежний тому, який має місце в навколишньому матеріальному світі. Ентропія в межах світу живих організмів таким чином зменшується:

У навколишньому світі тільки живі організми перешкоджають загальному процесу зростання ентропії, що з погляду термодинамічного підходу і є суттєвою ознакою життєдіяльності. При цьому стає очевидною унікальність життя в усьому Всесвіті, де тільки вияви життя забезпечують зворотність ентропійного процесу.

Екологія вивчає широке коло об’єктів, але дослідження живого – її центральна задача. Пізнання явищ життя дозволяє сформулювати кілька важливих принципів, пов’язаних з існуванням та функціонуванням живої матерії.

Принцип Реді стверджує, що живі організми походять тільки від інших живих організмів у процесі розмноження. У сучасних умовах на Землі жива речовина заново з неживої матерії утворюватися не може.

Принцип дискретності стверджує, що жива матерія не існує як континуальна маса, вона завжди розчленована на дискретні одиниці. Ними є індивідуальні організми, тобто особини рослин і тварин. Дійсно, уся жива матерія – від вірусів і бактерій до вищих рослин і ссавців – завжди представлена на нашій планеті окремими індивідуумами.

Принцип еволюції полягає в необоротній зміні живих організмів у ході їхнього історичного розвитку – філогенезу. Цей принцип був відкритий і обґрунтований Ч. Дарвіном, який довів, що з елементарного живого матеріалу, будова і властивості якого

варіюють під впливом мінливості, у ході природного добору виділяються і зберігаються найбільш життєздатні форми. Еволюція охоплює всі рівні організації живої матерії – від окремих популяцій і видів живих організмів до екосистем і біосфери.

Принцип адаптації стверджує, що живі організми мають сукупність морфологічних, фізіологічних, поведінкових і популяційних особливостей, що забезпечують існування того чи іншого виду рослин і тварин у певних умовах середовища існування. Завдяки адаптаціям будь-яка жива істота може жити і розмножуватися в тій чи іншій амплітуді конкретних екологічних умов, однак ці ж адаптації обмежують здатність даного виду живих організмів до існування за різкої зміни цих умов.

Принцип структурно-функціональної єдності свідчить про наявність відповідності структури функціям і навпаки. Живі організми практично не мають структурних частин, які б не виконували тієї чи іншої функції, так само як будь-яка функція реалізована у формі тієї чи іншої матеріальної конструкції тіла рослин і тварин.

Принцип адекватності конструкції, сформульований Рашев-ським, випливає з принципу адаптації. Він показує, що біологічні системи відповідають за структурою і функціями тому абіотичному середовищу, в якому вони живуть. Адекватність конструкції будь-якого організму є результатом дії природного добору.

Принцип найпростішої конструкції (за Рашевським), чи в більш точному формулюванні принцип оптимальності (за Р. Розеном) свідчить, що з усіх можливих конструкцій біосистем у природі реалізується найбільш простий за організацією варіант. Можливо, це є результатом мінімізації витрат речовини й енергії на формування даної біосистеми, будь це елементарний організм чи біоценоз.

Принцип найменшої взаємодії з середовищем існування поки що залишається дискусійним, але видається досить правдоподібним, тому що живі організми завжди мають механізми захисту від флуктуації навколишнього середовища. І, чим краще захищена жива матерія від непередбачених коливань абіотичних чинників, тим вона стійкіша. Особливо яскраво реалізація цього принципу виражена у вищих форм тварин, що виробили внутрішнє середовище, параметри якого (температура тіла, склад крові, електричні потенціали в нервовій системі та ін.) стійко зберігаються при досить широкому варіюванні зовнішнього середовища.

Принцип біологічної ієрархії полягає в наявності в природі біосистем різних рангів і їхніх упорядкованих за структурних ієрархій, в яких кожен вищий член ієрархії базується на нижчих членах цієї ж ієрархії. Найбільш очевидний приклад біологічної ієрархії – це таксономічні категорії: вид, рід, сімейство, порядок, відділ.

Принцип якісної неоднорідності свідчить про те, що будь-яка біосистема складається з компонентів якісно не схожих одне на одного. Це одна з базових ознак організації екологічних біо-систем. Вони тим надійніші і стабільніші, чим більша кількість організмів із різними типами харчування і різними властивостями входить до їхнього складу.

Принцип зворотних зв’язків, дуже чітко розроблений LI. Шма-льгаузеном, стверджує, що біосистеми самошдтримуються і саморегулюються внаслідок наявності різноманітних зворотних зв’язків. В особин рослин і тварин принцип зворотних зв’язків проявляється перш за все в їхньому впливі на середовище існування, яке реалізується у ході життєдіяльності будь-якого організму.

Інша форма елементарних об’єктів в екології – це абіотичні компоненти, що входять до складу екосистем та біосфери. Вони різноманітні та численні і в цілому складають так званий екотоп. До них належать сонячна радіація, газовий склад повітря, волога, сукупність елементів мінерального живлення та багато інших.

Існує багато варіантів класифікації абіотичних факторів середовища. До кліматичних факторів відносять звичайно ті, що пов’язані з атмосферою та сонячною радіацією (температура, освітленість, вологість повітря, вміст у повітрі кисню та вуглекислого газу, вітер та ін.). Деякі з цих факторів прямо діють на рослини та тварин, інші впливають на них опосередковано, а треті поєднують прямий та опосередкований вплив. Наприклад, концентрація вуглекислого газу в повітрі є фактором безпосередньої дії, оскільки вуглекислий газ поглинається при фотосинтезі. Вітер виступає як фактор прямої дії у той момент, коли він забезпечує перенесення пилку у вітрозапильних рослин або розносить плоди анемохорів, та водночас він виступає і як фактор опосередкованої дії в тих випадках, коли висушує ґрунт або спричинює вітрову ерозію.

До едафічних факторів належить більшість ґрунтових параметрів: кількість у ґрунті елементів мінерального живлення, вміст гумусу, насиченість ґрунту повітрям і хімічний склад цього повітря, pH ґрунтового розчину та ін. Едафічні фактори також можуть мати пряму та опосередковану дію.

Біотичні фактори включають у себе весь комплекс впливу на даний живий організм, який виникає в результаті співіснування цього організму з іншими рослинами і тваринами.

У цілому, наявність постійного обміну речовинами між рослинами і тваринами, з одного боку, та їхнім середовищем, що включає в себе кліматичні, едафічні та біотичні фактори, – з іншого, веде до виникнення різноманітних і тонких зв’язків у системі «організм – середовище». Ці зв’язки охоплюють перш за все ту частину екологічного простору – екотопу, яка безпосе-

редньо оточує живий організм, контактує з ним. Виникає комплексна система, яка включає сам організм та елементи середовища, що складають його найближче оточення. За пропозицією італійського вченого Д. Негрі (1914) цей комплексний об’єкт отримав назву екоїд. У межах екоїда середовище не тільки активно використовується живим організмом, але й суттєво змінюється під його впливом. Тому було запропоновано щодо рослин називати абіотичну частину екоїда фітогенним полем. Поняття екоїда та фітогенного поля виявилося досить корисними при аналізі аутекологічних закономірностей на рівні окремих організмів.

Як екоїди, рослини та тварини входять до екосистем більш високого ієрархічного рівня, а інші формують біосферу. У результаті утворюється певний набір біоекосистем, які й виступають об’єктами досліджень екологів-професіоналів: особини -екоїди – популяції – екосистеми – біосфера. Це проілюстровано нарис. 2.2. Видно, що різноманітність структурних одиниць, які можуть бути виділені в природі, досить велика, а одні й ті самі об’єкти можуть належати до різних типів біологічних ієрархій.

Концепція біологічної ієрархії не зводить до простого ускладнення об’єктів при переході від нижчих до вищих ланок ієрархії. По мірі підняття ієрархічними щаблями вони набувають нових властивостей, що були відсутні на попередніх рівнях ієрархії.

Поява нових властивостей при переході від одного рівня організації до іншого отримала назву принципу емерджентності. Відповідно до цього принципу властивості та функції об’єктів вищих рівнів організації включають у себе властивості та функції нижчих ланок даного ієрархічного ряду. Але вони не зводяться лише до них. Так, властивості та функції такої екосистеми, як ліс, не можуть бути зведені до властивостей та функцій окремих організмів – дерев, що складають ліс. Здатність багатьох типів лісу до самовідновлення після вирубки через заміну порід – це властивість екосистеми, але не особин.

Залежно від підходу до вивчення природи може бути сформовано кілька різних видів ієрархії. Основні з них представлені на рис. 2.2. Для зоолога, який вивчає різноманіття форм життя, основною є ієрархія типу «організм – сусідство – популяція – вид». Дослідження законів сумісного життя рослин вимагає усвідомлення ієрархії типу «особини – консорції — ценотичні популяції -біоценози». Але основними ланками екологічної структурної ієрархії є організми, популяції та екосистеми. Аналіз різних видів біологічної ієрархії засвідчує, що рівень організованості біологічних та екологічних систем знижується по мірі підвищення їхнього місця в ієрархії. На нижчих ланках ієрархії системи жорстко організовані, на вищих – усе більш і більш нестійкі.

Екологічні об’єкти, що знаходяться на різних рівнях структурної ієрархії, таким чином, мають деякі сукупні властивості, які складаються:

а) із властивостей, привнесених до даного об’єкту з нижчих ланок ієрархії;

б) емерджентних властивостей, які виникли внаслідок взаємодії елементів біосистеми як якісно нові й типові тільки для даного рівня ієрархії. Недоврахування цієї фундаментальної особливості об’єктів екології приводило і приводить до значної кількості випадків технологічних і соціальних рішень, що руйнують природне середовище і спричиняють розвиток екологічної кризи.

Своєрідність особин – індивідуальних організмів – полягає в тому, що вони входять в усі ланки екологічної ієрархії. Але залежно від конкретних завдань, що вирішує екологія, центр ваги переміщується на той чи інший об’єкт загальної ієрархії. Це веде іноді навіть до різних визначень екології як науки. Вона розглядається то як наука про екосистеми, то як наука про біосферу, а то і як наука про взаємини рослин і тварин із середовищем існування.