Тема: "ВСТУП"

Міждисциплінарні зв’язки біологія та екології

1. Біологія як комплексна наука про біосистеми

Біологія — комплекс наук про живу природу («bios» означає «дім», «logos» — «наука»). Об’єктом досліджень біології є живі організми, їхня будова, процеси життєдіяльності, взаємозв’язки між собою та із середовищем існування, різноманітність та закономірності поширення по планеті тощо. Завданням біології є всебічне вивчання всієї сукупності організмів (як сучасних, так і викопних). Сучасна біологія є комплексною наукою.

Біологічні науки можна класифікувати за напрямками досліджень:

Науки, що вивчають систематичні групи живих організмів: систематика (наука про класифікацію різних груп організмів); вірусологія (наука про віруси); мікробіологія (наука про мікроорганізми); мікологія (наука про гриби); ботаніка (наука про рослини); зоологія (наука про тварини); антропологія (наука про людину) та їхні підрозділи: альгологія (вивчає водорості); бріологія (вивчає мохи); ентомологія (вивчає комах); іхтіологія (вивчає риб); герпетологія (вивчає плазунів); орнітологія (вивчає птахів) та інші.
Науки, що вивчають різні рівні організації живого: молекулярна біологія, біохімія (вивчають життя на молекулярному рівні); цитологія (на клітинному); гістологія (на тканинному); морфологія, анатомія (на органному); мікробіологія, ботаніка, зоологія (на організмовому); екологія, біогеографія (на біогеоценозному та біосферному).
За процесами життєдіяльності: біохімія (вивчає хімічний склад живих організмів та хімічні процеси, що в них відбуваються); біофізика (вивчає фізичні процеси в живих організмах); фізіологія (вивчає закономірності функціонування живих організмів й окремих їх структур); ембріологія (вивчає розвиток зародків); біологія розвитку (вивчає процеси онтогенезу — індивідуального розвитку організмів)

2. Екологія як комплексна наука про екосистеми

Екологія — наука про взаємодію живих організмів між собою та з навколишньою неорганічною природою; про зв’язки в екосистемах, яким підпорядковане існування організмів; про структуру і функціонування цих систем.

Завданнями сучасної екології є:

вивчення загального стану сучасної біосфери, причин і обсягів змін під впливом різних природних і антропогенних чинників;
прогнозування динаміки стану екосистем і біосфери в часі та просторі;
збереження здатності біосфери до саморегуляції та самовідновлення.

Сучасна загальна екологія має понад 50 напрямків (розділів і підрозділів), що об’єднані у два основні напрями: теоретична (класична) екологія та прикладна. За рівнем і предметом досліджень існує поділ також на: аутекологію (вивчає взаємодію окремих особин або видів з навколишнім середовищем); демекологію (вивчає структуру і динаміку популяцій); синекологію (вивчає взаємовідносини популяцій, угруповань та екосистем із середовищем). Крім того, існують спеціалізовані напрямки: палеоекологія (вивчає умови і середовище існування організмів минулих епох, а також їхні зміни в процесі історичного розвитку); основи біоіндикації (оцінка умов середовища за складом та чисельністю видів-індикаторів); екологічна токсикологія (вивчає дію токсичних речовин на екосистеми та їхній кругообіг у харчових ланцюгах); радіаційна екологія (досліджує особливості існування організмів під впливом природного та техногенного опромінення) та інші. Прикладна екологія вивчає механізми руйнування біосфери, способи запобігання цьому та способи раціонального користування природними ресурсами. Її основними підрозділами є: геоекологія (ландшафтна екологія, геологічна екологія, екологічні аспекти функціонування атмо-, гідро- та літосфери); техноекологія (екологічні наслідки впливу промисловості, енергетики, будівництва, транспорту, сільського господарства, військової та космічної діяльності); соціоекологія (екологія людини, етнічна та демографічна екологія, екологічна освіта, культура, право, політика, менеджмент та ін.).

Також екологія може різнитися за об’єктами дослідження: екологія рослин, екологія тварин, екологія мікроорганізмів, екологія водних організмів тощо. Залежно від середовища існування організмів: екологія суходолу, екологія океану, екологія прісних водойм, екологія високогір’я тощо.

3. Міждисциплінарні зв’язки біології та екології

Біологія та екологія тісно пов’язані з іншими науками: фундаментальними (математикою), природничими (фізикою, хімією, географією, геологією, ґрунтознавством), суспільними (психологією, соціологією), прикладними (біотехнологією, біонікою, рослинництвом, охороною природи). Під час взаємодії біології та екології з іншими дисциплінами виникають нові напрямки і галузі досліджень. Так виникла математична біологія — напрямок науки, в якому об’єктом дослідження є біологічні системи різного рівня із застосуванням диференціальних рівнянь та математичної статистики. Математичні засоби обробки зібраного матеріалу застосовуються майже в усіх галузях біології.

4. Методи біологічних та екологічних досліджень

Живу матерію на різних рівнях організації досліджують також різними методами, основні з яких:

порівняльно-описовий,
експериментальний,
моніторинг і моделювання.

Отримані результати обробляють за допомогою математично-статистичного аналізу.

За допомогою порівняльно-описового методу описують нові для науки види організмів, процеси чи явища. Його започаткував давньогрецький учений Арістотель. Однак часто замало просто описати новий вид організмів, процес, явище тощо. Щоб встановити своєрідність об'єкта досліджень, його необхідно порівняти з іншими подібними об'єктами, процесами чи явищами. Наприклад, відкриття нових для науки видів неможливе без аналізу їхньої подібності та відмінностей від близьких форм. Те саме стосується органічних сполук, біохімічних процесів, будови та функцій клітин, тканин, організмів, екосистем тощо.

Для наукового дослідження будь-який біологічний об'єкт потрібно класифікувати, тобто визначити його належність до тієї чи іншої групи (наприклад, органічних речовин - до білків, ліпідів, вуглеводів чи нуклеїнових кислот тощо, живих істот - до відповідного виду, роду, родини і т. д.). Порівняння об'єктів дослідження можливе лише в межах певного рівня організації (наприклад, порівняння певної молекули з іншими молекулами, клітини - з іншими клітинами, виду - з іншими видами тощо).

Експериментальний метод полягає в тому, що дослідники активно втручаються в будову об'єктів досліджень, перебіг тих чи інших процесів, явищ і спостерігають за наслідками такого втручання. Експерименти бувають польові та лабораторні. Польові експерименти здійснюють у природних умовах: на експериментальних ділянках вивчають дію певних речовин на ріст рослин, випробовують заходи боротьби зі шкідниками, досліджують вплив господарської діяльності людини на природні екосистеми тощо. Лабораторні експерименти проводять у спеціально обладнаних приміщеннях (лабораторіях) (мал. 3.1). У таких дослідженнях часто використовують піддослідні організми, яких дослідники штучно розводять та утримують. Деякі лабораторні культури дали початок промисловим культурам, які використовують для одержання потрібних людині продуктів. Це один з напрямів досліджень у біотехнології (наприклад, використання дріжджів у хлібопекарській справі, виноробстві; бактерій і грибів - для отримання антибіотиків тощо).

Моніторинг - постійне стеження за перебігом певних процесів в окремих популяціях, екосистемах, біосфері в цілому чи за станом певних біологічних об'єктів. Його здійснюють здебільшого на популяційно-видовому, біогеоце-нотичному чи біосферному рівнях. Він дає змогу не тільки визначати стан певних об'єктів, а й прогнозувати можливі зміни, аналізувати їхні наслідки. Наприклад, зміни клімату на нашій планеті можливі в зв'язку з накопиченням в атмосфері вуглекислого газу. Здійснюючи моніторинг його вмісту в атмосфері, можна припустити, як це впливатиме на зміну клімату нашої планети. Таким чином, моніторинг дає можливість своєчасно виявляти негативні зміни у структурі та функціонуванні окремих популяцій, біогео-ценозів чи біосфері в цілому і своєчасно розробляти заходи їх охорони.

Моделювання - метод дослідження та демонстрування структур, функцій, процесів за допомогою їхньої спрощеної імітації. Моделювання є обов'язковим етапом багатьох наукових досліджень, бо дає змогу вивчати об'єкти та процеси, які неможливо безпосередньо спостерігати чи відтворювати експериментально. Будь-яка модель неминуче спрощена. Вона не може виявити всю складність об'єктів, процесів чи явищ, які спостерігають у природі, а відображає лише їхні загальні риси чи ймовірний перебіг.

За допомогою моделювання учені прогнозують можливі наслідки тих чи інших процесів або явищ, створюють певні ідеальні об'єкти чи явища й порівнюють з ними реальні. Наприклад, для дослідження багатьох небезпечних хвороб людини створюють моделі цих процесів у піддослідних тварин.

Моделі можуть бути статичними та динамічними. Приклади статичних моделей вам не раз демонстрували на уроках біології, наприклад моделі будови квітки, головного мозку чи інших органів. Їх можна роздивлятися, не втручаючись в їхню структуру. А ось за допомогою акваріума можна створити динамічну модель водної екосистеми. Змінюючи видовий склад організмів, хімічний склад води тощо, можна спостерігати за наслідками такого втручання. Теоретичні основи математичних моделей біологічних процесів і явищ розробляє математична біологія. Математична модель - це чисельне вираження парних зв'язків (у вигляді системи диференційних рівнянь) у межах певного об'єкта, процесу чи явища. Змінюючи числове значення одного з показників, введених у модель, можна спостерігати, як змінюватимуться й інші, тобто як поводитиме себе данасистема за певних умов. Наприклад, можна створити модель харчових зв'язків у екосистемі, описуючи зв'язки між окремими видами: рослина -рослиноїдний вид, рослиноїдний вид - хижак і т. д.

Математичне моделювання в біології - сукупність математичних методів аналізу складних кількісних взаємозв'язків і закономірностей у біологічних системах. Його здійснюють за допомогою комп'ютерної техніки, яка дає змогу зберігати величезні обсяги даних і швидко їх обробляти за допомогою спеціальних програм. Математичне моделювання дає змогу спостерігати за можливими варіантами перебігу подій, виділяти окремі зв'язки, комбінувати їх тощо. Передумовою створення правильної математичної моделі слугують накопичення даних спостережень або експериментів про певні явища чи процеси.

Математичну модель створюють у декілька етапів. Послідовно висувають робочу гіпотезу та формулюють запитання, відповіді на які повинна дати модель; розробляють відповідний математичний апарат; на його основі вираховують певні дані; порівнюють їх з результатами спостережень та експериментів, перевіряючи правильність моделі. У разі істотних розходжень результатів моделювання з реальними даними модель докорінно переробляють або відкидають, оскільки це свідчить про помилковість робочої гіпотези або неправильно розроблений математичний апарат.

Гіпотеза - науково обґрунтоване припущення, висунуте для пояснення того чи іншого факту, процесу або явища. Гіпотеза, підтверджена практикою, стає науковою теорією.

Математичні моделі, наприклад, дають змогу визначати, яку кількість особин промислових тварин можна вилучати з природних популяцій, щоб це не позначилося на їхній чисельності; прогнозувати масові розмноження шкідників, наслідки антропогенного впливу на окремі екосистеми та біосферу (наприклад, як збільшення концентрації вуглекислого газу в атмосфері впливає на окремі групи організмів і клімат планети загалом) тощо.

Статистичний метод. Будь-який накопичений матеріал, отриманий у результаті спостережень, експериментів або моделювання, потребує статистичної (математичної) обробки. Маса зібраних фактів, не проаналізованих і не оброблених статистично, не дає можливості виявити весь об'єм інформації, встановити певні закономірності. Перед обробкою результатів дослідники визначають завдання, які потрібно вирішити, і залежно від цього обирають той чи інший метод математичної статистики. Математична обробка необхідна для визначення ступеня достовірності та правильного узагальнення отриманих результатів.

Статистично достовірну закономірність у біології можна вважати правилом або науковим законом. Біологічні закони - це статистично вивірені закономірності, що зазвичай не мають винятків і можуть бути витлумачені лише певним чином (пригадайте закони, які ви вивчали з інших предметів).

Рівні організації біологічних систем та їхній взаємозв’язок

Рівні організації живої матерії

Молекулярний рівень. Будь-яка жива система складається з біологічних макромолекул — нуклеїнових кислот, білків, полісахаридів та інших органічних речовин. З цього рівня починаються різноманітні процеси життєдіяльності організмів: обмін речовин, перетворення енергії, передача спадкової інформації.
Клітинний рівень. Клітина є структурно-функціональною одиницею всіх живих організмів, існуючих на Землі (виняток становлять віруси). На клітинному рівні сполучаються процеси передачі інформації та перетворення речовин і енергії.
Організмовий рівень. Елементарною одиницею організмового рівня є особина (індивід), яка розглядається в розвитку — від моменту зародження до припинення існування — як жива система. На цьому рівні вивчають особину та властиві їй риси будови та поведінки.(малярійний плазмодій).
Популяційно-видовий рівень. Популяція — надорганізмова система, в якій здійснюються елементарні еволюційні перетворення. На цьому рівні вивчають чинники, що впливають на чисельність популяцій, проблему збереження зникаючих видів, чинники мікроеволюції.
Біогеоценотичний рівень. На цьому рівні здійснюється взаємодія організмів між собою і з чинниками неживої природи, що визначають їх чисельність, видовий склад і продуктивність.
Екосистемний рівень - Включає екосистеми всіх ступенів складності. Системи цього рівня є функціональною єдністю живих і неживих компонентів, яка охоплена безперервним обміном речовиною, енергією та інформацією. Екосистеми забезпечують постійний функціональний зв'язок між живою та неживою природою, постійний рух речовини за біогеохімічними циклами і постійну трансформацію сонячної енергії у трофічних ланцюгах. їх основна функція - забезпечення постійного матеріально-енергетичного обміну з зовнішнім середовищем і між компонентами екосистеми. Сукупність всіх екосистем планети створює гігантську глобальну екосистему - біосферу. Біосфера в цілому, як єдина і найбільша екосистема є предметом вивчення глобальної екології, або біосферології.
Біосферний рівень. Біосфера — сукупність усіх біогеоценозів, система, що охоплює всі явища життя на нашій планеті. На цьому рівні відбувається колообіг речовин і перетворення енергії, пов'язані з життєдіяльністю всіх живих організмів.

Фундаментальні властивості живого

Єдність хімічного складу. До складу всіх живих організмів входять ті ж хімічні елементи, які містяться й у неживій матерії. Однак їх співвідношення в живому й неживому різне. Так, у живих організмах набагато більша частина хімічного складу (98 %) припадає на чотири елементи: вуглець, водень, кисень та азот. Крім того, усі живі організми побудовані з особливих речовин — макромолекул, які відсутні в неживій матерії. Основними серед них є такі: білки, нуклеїнові кислоти й АТФ (аденозинтрифосфорна кислота), вуглеводи й ліпіди.
Дискретність (латин, discretus — переривчастий, тобто складається з окремих частин) і цілісність — дві фундаментальні загальні властивості організації життя на Землі. Ця властивість полягає в тому, що будь-яка жива система (клітина, організм, популяція, вид, біогеоценоз) складається з окремих, але взаємозалежних і взаємодіючих частин, що утворюють структурно-функціональну єдність, тому вона являє собою єдине ціле.
Складність і високий ступінь організації. Живі системи складаються з величезної кількості складних молекул і структур, що зумовлює їх ускладнену внутрішню будову. При цьому будь-яка частина організму має спеціальне призначення й здатна виконувати певні функції. Усе це забезпечує складність і високий ступінь організації живої системи в цілому.
Обмін речовин і перетворення енергії. Жива система являє собою відкриту систему, оскільки через неї проходять потоки речовин та енергії. Щодо енергії, то живі організми мають здатність видобувати, перетворювати й використовувати енергію навколишнього середовища — або у формі органічних поживних речовин, або у вигляді енергії сонячного випромінювання. Завдяки речовинам та енергії, що надходять з навколишнього середовища, організми та їх складові — органи й структури — здатні здійснювати різні функції. У результаті своєї життєдіяльності вони повертають у зовнішнє середовище продукти розпаду й перетворену енергію у вигляді тепла. Усе це і становить сутність обміну речовин і перетворення енергії в живих організмах.
Саморегулювання. Властивість саморегулювання означає здатність живих організмів підтримувати сталість свого хімічного складу в нескінченно мінливих умовах середовища існування, використовуючи певні системи регулювання як на клітинному рівні, так і на рівні всього організму.
Самовідтворення. Це найбільш універсальна властивість живого, яка забезпечує здатність до розмноження. Саме завдяки цій властивості батьківські особини з покоління в покоління відтворюють подібне собі потомство (аксіома Вейсмана), завдяки чому життя виду не припиняється. В основі самовідтворення лежить процес реплікації, тобто синтезу ДНК-молекули, яка зберігає спадкову інформацію, на основі матричного принципу (аксіома Кольцова). Цей принцип виявляється в точності копіювання порівняно стабільної молекули ДНК, що забезпечує можливість ідентичного самовідтворення (явище спадковості).
Конваріантна редуплікація. Самовідтворення в живих організмах відбувається не як механічне повторення, а як відтворення з внесенням змін (аксіома Ч. Дарвіна). Неминучість таких змін випливає з фізико-хімічних властивостей молекули ДНК. Будь-якій молекулі, особливо досить складній, а такою і є молекула ДНК, властивий лише відносний, тобто обмежений ступінь стабільності. Час від часу вона зазнає структурних змін унаслідок руху атомів і молекул. Якщо ці зміни не призводять до летального результату, вони багаторазово підсилюються (аксіома Тимофєєва-Ресовського) і потім передаються спадково в результаті самовідтворення за матричним принципом. Конваріантна редуплікація означає можливість спадкової передачі дискретних відхилень від вихідного стану, тобто генетичних змін (явище мінливості).
Здатність до росту та індивідуального розвитку. Дана властивість притаманна всім живим організмам. Ріст — збільшення маси й розмірів особини. При цьому зберігаються окремі риси будови, властиві даному виду. Ріст супроводжується розвитком. Індивідуальний розвиток (онтогенез) — уся сукупність перетворень особини з моменту зародження до кінця життя, у процесі яких виникає конкретний якісний стан організму.
Подразливість і здатність специфічно реагувати на зміни зовнішнього середовища. Подразливість є істотною властивістю всього живого. Вона пов’язана з передаванням інформації із зовнішнього середовища живим організмам й виявляється в їхніх реакціях на зовнішні впливи. Завдяки властивості подразливості живі організми вибірково реагують на зовнішні впливи відповідно до своїх спадкових особливостей.
Пристосованість до середовища існування. Беручи до уваги те, що живі організми специфічно реагують на зміни зовнішнього середовища, зрозуміло, що вони можуть до нього пристосовуватися. Особливості будови, функцій і поведінки даного організму, які відповідають його способу життя й здатності до відтворення в даних умовах середовища, називаються адаптаціями (пристосуваннями).
Здатність до історичного розвитку (філогенезу). Цей процес називається еволюцією. Історичний розвиток супроводжується утворенням нових видів, їх пристосуванням до середовища й прогресивним ускладненням життя. Усе це відбувається шляхом дії природного добору (аксіома Ч. Дарвіна). У процесі еволюції виникла вся різноманітність живих організмів, пристосованих до умов існування.

Стратегія сталого розвитку природи та суспільства

Уперше основні принципи міжнародного екологічного співробітництва були узагальнені в Декларації Стокгольмської конференції ООН (1972). У сучасному розумінні вони викладені в Декларації конференції ООН щодо навколишнього середовища й розвитку в Ріо-де-Жанейро (1992). Концептуальну основу ухвалених рішень склала стратегія сталого розвитку. У документах вона визначається як розвиток, який дозволяє на довгостроковій основі забезпечити стабільне економічне зростання, що не призводить до деграда- ційних змін навколишнього середовища.

Наприкінці XX ст. поняття «сталий розвиток» стало поширеним у всьому світі, широко використовуваним у науковій і популярній літературі, таким, що часто звучить у виступах державних і політичних діячів. Проте осмислення цього поняття, пошук його визначення тривають.\

У широкому значенні сталий розвиток розуміється як процес, який відповідає новому типу функціонування цивілізації, з економічними, соціальними, екологічними, культурними параметрами, радикально відмінними від сформованих історично, тобто ставиться завдання оптимізації керування не тільки природно-ресурсним потенціалом, але й усією сукупністю природно-соціокультурного багатства.

У питаннях сталого розвитку загальна мета полягає в удосконалюванні процесу прийняття рішень таким чином, щоби забезпечити в його рамках повний облік соціально-економічних і екологічних питань, а також більш широку участь громадськості.

Строки, повнота й, головне, «ціна» переходу суспільства до сталого розвитку відповідно до сучасного екологічного імперативу (загального обов'язкового закону) залежить від розв'язання чотирьох основних завдань сучасності:

збереження вцілілих і відновлення до рівня природної продуктивності ряду екосистем, які деградували;
раціоналізація споживання;
«екологізація» виробництва;
нормалізація чисельності населення.

Основні принципи міжнародного екологічного співробітництва включають, зокрема, такі ідеї:

люди мають право на здорове й плідне життя в гармонії з природою;
розвиток на благо нинішнього покоління не має здійснюватися на шкоду інтересам розвитку майбутніх поколінь і на шкоду навколишньому середовищу;
держави мають суверенне право розробляти власні ресурси, але без шкоди навколишньому середовищу за їх межами;
викорінювання вбогості й нерівності в способі життя в різних частинах світу необхідне для забезпечення сталого зростання й задоволення потреб більшості населення;
держави співробітничають з метою збереження, захисту й відновлення цілісності екосистем Землі;
держави розвивають і заохочують інформованість і участь населення шляхом надання широкого доступу до екологічної інформації;
держави приймають ефективні національні закони щодо навколишнього середовища;
екологічна політика не має використовуватися для невиправданого обмеження міжнародної торгівлі;
у принципі той, хто забруднює навколишнє середовище, має нести й фінансову відповідальність за це забруднення;
держави повідомляють одна одну про стихійні лиха або діяльність, які можуть мати шкідливі транскордонні наслідки;
війна неминуче впливає на процес сталого розвитку.

Соціальна складова сталості розвитку спрямована на збереження стабільності соціальних і культурних систем, у тому числі на скорочення числа руйнівних конфліктів між людьми. Важливим аспектом цього підходу є справедливий поділ благ. Бажано також збереження культурного капіталу й різноманіття в глобальних масштабах, а також більш повне використання практики сталого розвитку, наявної в недомінуючих культурах.