В современной экологии применяются также математические методы, методы теории информации и кибернетики. Особенно широкое распространение получило экологических систем с использованием ЭВМ. Сущность этого метода заключается в том, что наряду с оригиналом, т. е. реальной системой, изучается его искусственно созданное подобие. В исследованиях применяют самые разнообразные модели: реальные (натуральные), знаковые (идеальные), концептуальные (вербальные, графические), математические (аналитические, численные) и их разновидности.
Процесс перевода физических или биологических представлений в любой экологической системе в ряд математических зависимостей и операций над ними называется системным анализом, а сама математическая система - моделью. Первыми математическими моделями простейших экологических систем «хищник - жертва» и «паразит - хозяин» были теоретические разработки итальянского математика В. Вольтера, сделанные в 1931 году. Они послужили толчком для построения более сложных моделей процессов пищевых отношений популяций в биоценозах. С появлением быстродействующих ЭВМ возникли возможности моделирования еще более сложных саморегулирующихся систем с обратной связью — популяций, биоценозов и биогеоценозов. В современных условиях моделирование занимает основное место в работах по экологическому прогнозированию.
И еще один метод исследования, использующийся среди экологов-прогнозистов это мониторинг. Часто под мониторингом понимают наблюдение за состоянием окружающей среды. В научную литературу этот термин вошел в начале 70-х годов перед проведением Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде (июнь 1972) в дополнение к понятию контроль. Современное значение мониторинга определяется как система контроля окружающей среды, включающая три основных вида деятельности:
-слежение и контроль - систематические наблюдения за состоянием окружающей среды;
-прогноз - определение возможных изменений природы под влиянием естественных и антропогенных факторов;
-управление - мероприятия по регулированию состояния окружающей среды.
Отсюда вытекают и задачи экологии - выявить возможные взаимосвязи различных технологий, и в первую очередь химических, биохимических, агрохимических, энергетических, разрушающих или вредно воздействующих на природную сферу, для создания общей экологической безопасности окружающей среды, в том числе и химической, биохимической, радиационной. Основные задачи экологии заключаются в изучении динамики популяции, биоценозов и их систем, вскрытии законов экологических процессов и овладении управлением ими. Для решения экологических задач очевидна необходимость разработки долгосрочных экологических прогнозов при создании промышленных и сельскохозяйственных - комплексов, планирования производственной деятельности с учетом отдаленных последствий, природоохранного подхода к проведению всех работ в агробиоценозах. В центре внимания современного человечества стоят проблемы взаимодействия человека с окружающей природной средой, экологической устойчивости планеты. Сегодня решение экологических задач стало одним из глобальных критериев гуманности общества, уровня его технических и научных разработок.
На Земле всё подчиняется законам природы. В тонком слое, где встречаются и взаимодействуют воздух, вода и земля, обитают удивительные объекты - живые существа, среди которых и мы с вами. Этот слой, населенный организмами, взаимодействующий с воздухом, водой и земной корой, называется биосферой. Все живые существа, и мы в том числе, зависят от сохранения ее цельности. Если слишком сильно изменить одну из составляющих биосферы, последняя может полностью разрушиться. Не исключено, что атмосфера, гидросфера и литосфера при этом сохранятся, но в их взаимоотношениях уже не будет участвовать живое. Иными словами, в настоящее время в условиях рыночной экономики человеку, чтобы выжить, необходимо, опираясь на знание экологии, научиться управлять своей деятельностью в соответствии с требованиями природы и жить, считаясь с ее законами, правилами и принципами. А. И. Герцен отмечал, что природа не может перечить человеку, если человек не перечит ее законам.
Законы, принципы и правила составляют теоретическое «ядро» науки экологии. Всего насчитывается семнадцать законов экологии.
Закон -
-физико-химического единства вещества (В. И. Вернадский),
-растущего плодородия и урожайности,
-убывающего плодородия (естественного),
-толерантности (В. Шелфорд),
-минимума (Ю. Либих),
-независимости факторов (В. Р. Вильямс),
-совокупности действия факторов(Э. Митчерлих, А. Тинеман, Б.Булле),
-сукцессионного замедления,
-последовательности прохождения фаз развития,
-(правило) необратимости эволюции (Л. Долло),
-оптимальности,
-снижения энергетической эффективности природопользования,
-развития природной системы за счет окружающей ее среды,
-максимизации энергии (Г. Одум, Э.Одум),
-константности (В. И. Вернадский),
-внутреннего динамического равновесия (Н. Ф. Реймерс),
-биогенной миграции атомов (В. И. Вернадский).
Подробнее рассмотрим один из них – закон физико-химического единства вещества (В. И. Вернадский): все живое вещество планеты Земля физико-химически едино. Этот закон – естественное следствие положения о материальном единстве живого и неживого вещества. Из закона физико-химического единства живого вещества вытекают два важнейших для разумного природопользования вывода.
Первый: вредное для одних видов живых организмов (существ) обязательно вредно и для других видов. Отсюда, если пестициды смертельны для одних организмов, то они не могут не оказывать вредного влияния на другие организмы. Различие состоит только в степени устойчивости видов к вредному агенту.
Второй: живое вещество имеет сложную внутреннюю взаимосвязь, для каждого геологического периода как бы единую сеть жизни, в состав которой входит и биовид человека. Разрывы этой «сети» создают в ней «дыры», что снижает устойчивость биосферы. Поэтому сохранение видового разнообразия - гарант поддержания устойчивости биосферы.
К законам также добавляются «законы-афоризмы» (Б. Коммонера), в которых находят отражение многие закономерности экологии:
Все связано со всем. Всеобщая связь процессов и явлений в природе отражает сущность закона В. И. Вернадского о физико-химическом единстве биосферы.
Все должно куда-то деваться. Соответствует закону константности (В. И. Вернадского) и закону развития природной системы за счет окружающей среды.
Природа «знает» лучше. Абсолютно достоверной информации о механизмах и функциях природы человек не имел, не имеет и, трудно сказать, будет ли иметь. Но стремиться к этому он обязан, что, однако, сделать далеко не просто. Только математический расчет параметров биосферы займет больше времени, чем весь период существования нашей планеты как твердого тела.
Ничто не дается даром. Биосфера - единое целое, где «ничего не может быть выиграно или потеряно». Все, что извлекает из нее человек, должно быть возвращено. «Платежа по этому векселю нельзя избежать, он может быть только отсрочен».
Знание законов обязательно не только для постижения сути причинно-следственных взаимосвязей и природы взаимодействия между компонентами, но и для обеспечения устойчивости функционирования естественных и агрономических экосистем путем разработки и осуществления рациональных приемов и технологий природопользования.
Биосфера,по определению В. И. Вернадского «зона жизни». Структуру организованности биосферы, можно назвать, как планетное явление космического характера. Биосфера - это глобальная экосистема, особая оболочка Земли, сфера распространения жизни, границы которой определяются наличием пригодных для организмов абиотических условий: температуры, жидкой воды, состава газов, элементов минерального питания. Принципиальные границы биосферы определены как границы существования активной жизни. Верхняя граница биосферы охватывает тропосферу и проходит по высоте озонового слоя, нижняя опускается на континентах до глубины 2-3 км, а под океаном - до 1 км (вся гидросфера охвачена жизнью). В биосфере все главные организмы связаны со средой обитания и их деятельностью самоуправляемыми биологическими и геохимическими процессами.
В биосфере во времени постоянно протекают два взаимосвязанных процесса преобразования веществ в природе - геологический и биологический круговороты.
Геологический (большой) круговорот - обмен химических элементов между океаном и сушей в результате разрушения изверженных горных пород, растворения их в воде, физико-химических превращений и образования минералов при испарении воды от энергии Солнца.
Биологический (малый) круговорот - циркуляция веществ между растениями, животным миром, микроорганизмами и почвой. Основа его - фотосинтез, т. е. превращение зелеными растениями и особыми микроорганизмами лучистой энергии Солнца в энергию химических связей органических веществ. Фотосинтез обусловил появление на Земле кислорода при помощи зеленых организмов, озонового слоя и условий для биологической эволюции. Растения благодаря фотосинтезу выделяют кислород и создают органическое вещество, поглощая минеральные вещества из почвы и углекислый газ из воздуха. Животные кормятся растениями и поглощают кислород, выделяя углекислоту. Микроорганизмы превращают мертвое органическое вещество в неорганическое, которым пользуются растения.