Читать книгу Życie i ewolucja biosfery - January Weiner - Страница 8

Słowo „ekologia”, oznaczające pierwotnie dział biologii zajmujący się badaniem związków między organizmami oraz między organizmami a środowiskiem — obecnie stało się terminem wieloznacznym. W języku potocznym może oznaczać ochronę środowiska, ideologię polityczną, postawę życiową, doktrynę filozoficzno-religijną, a nawet samo zagrożenie środowiska ludzkiego („ekologia daje się nam we znaki”); słowa tego używa się w celu określenia sposobu życia gatunków („ekologia pająka krzyżaka”) i sposobu produkowania różnych przedmiotów („ekologiczny papier toaletowy”). Można przypuszczać, że w swoim pierwotnym znaczeniu słowo „ekologia” używane jest najrzadziej. Nie ma na to żadnej rady. Żywy język ma swoje prawa, a próby przywracania wyrazom ich pierwotnych znaczeń to walka z wiatrakami. W historii nauki mamy wiele przykładów wyemancypowania się pewnych pojęć poprzez niewielkie, lecz dobitne zmiany morfologiczne oznaczających je terminów; dzięki temu nie myli nam się astrologia z astronomią, a chemia z alchemią. Zanim ktoś wynajdzie nowe słowo, oznaczające ten aspekt biologii — eksperymentalnej nauki przyrodniczej — która para się badaniem wzajemnych związków między organizmami, lub inaczej: zjawiskiem życia obserwowanym w skali szerszej niż życie pojedynczych osobników — musimy za każdym razem precyzować, o jaką ekologię nam chodzi.

Przede wszystkim koniecznie trzeba dokonać odróżnienia ekologii od ochrony środowiska. Pierwsza jest nauką przyrodniczą zajmującą się zjawiskami trwającymi na Ziemi od kilku miliardów lat, dotyczącymi wszystkich form życia: od bakterii po orangutany, dla której Homo sapiens jest tylko jednym z gatunków (prawda, że dosyć wyjątkowym). Ochrona środowiska natomiast to praktyczna działalność ludzi, jedna z gałęzi techniki; jak wszystkie przejawy cywilizacji, ochrona środowiska dotyczy przede wszystkim człowieka. Stara się — jak każda technika — kształtować warunki naszego życia w sposób, jaki w danej chwili wydaje nam się pożądany. Wykorzystuje w tym celu dorobek, a czasem także narzędzia wielu nauk eksperymentalnych — w tym również ekologii (oba te obszary spotykają się za pośrednictwem nauk stosowanych — ryc. 1.1). Dokonując rozróżnienia ochrony środowiska i ekologii, można przywołać analogię z medycyną i fizjologią: ta pierwsza jest działalnością praktyczną, druga zaś — dziedziną biologii. Tak jak nie można sobie wyobrazić skutecznej medycyny, która nie opierałaby się na wynikach badań fizjologii — tak ochrona środowiska nie może się obejść bez dorobku naukowego ekologii. I odwrotnie, tak jak praktyka lekarska inspiruje badania podstawowe w zakresie fizjologii, tak działalność praktyczna w zakresie ochrony środowiska wywiera wpływ na kierunki badań podstawowych w ekologii. Analogia rozciąga się jeszcze dalej: nieuctwo i ciemnota, odejście od poprawnej metodologii lub utrata zaufania do dorobku nauk eksperymentalnych mają podobne skutki w medycynie i w ochronie środowiska: pojawiają się znachorstwo, magia i zabobony — bezskuteczne paliatywy w rodzaju różnych odmian „medycyny alternatywnej” i „ekologii głębokiej”, działalność przeciw szczepieniom i zwalczanie GMO.

Stwierdzenie, że ochrona środowiska w odróżnieniu od ekologii nie jest eksperymentalną nauką przyrodniczą — w żadnej mierze nie oznacza, że ta druga jest czymś lepszym od tej pierwszej. Takie stawianie sprawy nie ma w ogóle sensu. Nikt przy zdrowych zmysłach nie powie przecież, że praktyczna medycyna jest czymś gorszym od podstawowej fizjologii.

Problemy, z którymi boryka się ochrona środowiska, to przeważnie skutki działalności człowieka, bardzo dotkliwe dla niego samego, zwłaszcza w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat. To zaś, czym zajmuje się ekologia, to naturalne zjawiska, występujące w biosferze od miliardów lat; na tym tle cała historia cywilizacji ludzkiej, a nawet czas trwania naszego gatunku, są zaledwie epizodem. Co więcej, zmiany w biosferze powodowane przez człowieka są niewielkie w porównaniu z katastrofami, jakie już się wydarzały wskutek działalności innych organizmów (jak choćby gigantyczny kataklizm sprzed dwóch miliardów lat wywołany uwolnieniem tlenu do atmosfery przez organizmy fotosyntetyzujące) lub na skutek zderzeń Ziemi z asteroidami. Jednak to, co może wydawać się błahostką w skali czasu geologicznego, dla nas, ludzi, może być sprawą życia i śmierci. Nic też dziwnego, że fakty, na które naukowa ekologia spogląda z dystansem, z punktu widzenia ochrony środowiska człowieka budzą emocje. Właśnie dlatego konieczne jest zrozumienie, na czym polegają procesy przebiegające w biosferze, odróżnianie zjawisk naturalnych od skutków działalności człowieka — tak samo jak poznanie fizjologii organizmu i bezbłędne odróżnianie jego naturalnych czynności od choroby.

Drugim istotnym problemem jest wyodrębnienie ekologii spośród domeny biologii. Wiele podręczników powtarza za Odumem (1977) jego sugestywną metaforę biologii jako tortu, który można dzielić na pionowe sektory „taksonomiczne” (ornitologia, algologia, entomologia) i poziome warstwy dziedzin (fizjologia, cytologia czy wreszcie ekologia). To obrazowe porównanie pozostawia jednak wrażenie, że biologia jako dziedzina składa się z osobnych i równoważnych poddziedzin (kto by zechciał, mógłby sobie z tortu Oduma wydłubać jednolity kawałek — np. „fizjologię owadów” lub „ekologię glonów”). Tymczasem biologia jest dziedziną znacznie bardziej homogenną; jak we wszystkich eksperymentalnych naukach przyrodniczych, można się w niej dopatrzyć struktury hierarchicznej: obiektem zainteresowań biologii jest zjawisko życia; jej trzon stanowią najogólniejsze teorie wyjaśniające to zjawisko, a więc zasady fizyki oraz autonomiczna dla biologii teoria ewolucji. Wszystkie poddziedziny biologii wyodrębnia się ze względów praktycznych — nie można przecież zajmować się całą biologią naraz. Gałęzie te można nazwać programami badawczymi biologii. Zjawisko życia można badać w różnych jego przejawach, uprawiając biologię cząsteczek, komórek, organizmów, ekosystemów czy całej biosfery, badając procesy chemiczne, elektryczne czy też zachowania osobników.

Ekologia jest jednym z programów badawczych biologii, jednym z głównych filarów nauki o życiu, bo życie nie jest zjawiskiem dotyczącym pojedynczych organizmów. Ekologia zajmuje się interakcjami między organizmami i funkcjonowaniem ich zespołów. To, co ekologię wyróżnia, to nie tyle przedmiot badań, którym może być zarówno populacja pierwotniaków w akwarium, jak i las deszczowy na Nowej Gwinei, ile typowe stawiane przez nią pytania. Przykładowo można wymienić kilka takich zagadnień:

– Na czym polega równowaga w układach biologicznych?

– Skąd się bierze i dzięki czemu utrzymuje się różnorodność gatunkowa

takich układów?

– W jaki sposób różnorodność wpływa na funkcjonowanie ekosystemów?

– Na czym polega regulacja liczebności populacji organizmów?

– Co ogranicza tempo procesów biologicznych?

– Co determinuje wzorce rozmieszczenia organizmów w przestrzeni?

– Na czym polega przystosowanie poszczególnych organizmów do środowiska?

Wiele z tych i podobnych pytań postawiono już na samym początku rozwoju ekologii. Inne pojawiły się w trakcie badań.

Sięgając po podręczniki ekologii, natrafiamy na dalsze podziały: jest i ekologia mrówek, i ekologia jezior. Jest ekologia populacji i ekologia kraj­obrazu. Delimitacje te mają charakter wyłącznie pragmatyczny, a zakres zainteresowania różnych ekologii szczegółowych jest wytyczony czysto arbitralnie. Także dawniejszy podział na autekologię (życie poszczególnych organizmów w ich środowisku) i synekologię (ekologię zbiorowisk organizmów: zespołów, biocenoz i ekosystemów) stracił obecnie na znaczeniu. Skoro biologia nie składa się z oddzielnych części, to tym bardziej ekologia nie jest podzielna. Ze względu na nasilenie pewnych kierunków można dzisiaj mówić o badaniu dwóch aspektów życia zbiorowisk organizmów w biosferze: (1) masowych zjawisk termodynamicznych i biogeochemicznych, w skali całej biosfery lub w skali jej funkcjonalnych podjednostek — ekosystemów, oraz (2) problemu kształtowania się różnorodności gatunkowej. Ten drugi problem sprowadza się do badania zespołów organizmów: wielogatunkowych biocenoz i jednogatunkowych populacji oraz koewoluujących gatunków. Nie bez inspiracji ze strony ochrony środowiska, ekologia współczesna zdaje się koncentrować na tych dwóch aspektach życia biosfery. Z jednej strony interesują nas mechanizmy, którym życie na Ziemi zawdzięcza swoją trwałość, z drugiej — chcielibyśmy wiedzieć, czy trwałość biosfery ma związek z jej gatunkową różnorodnością. Ten pierwszy aspekt obejmie badania przepływu energii i obiegu pierwiastków w biosferze i w poszczególnych ekosystemach, drugi zaś — dynamikę liczebności populacji, stosunki między populacjami, powstawanie adaptacji i ewolucję historii życiowych. Pierwsze podejście traktuje wszystkie organizmy jak cząsteczki w wielkim reaktorze chemicznym biosfery, drugie — widzi poszczególne osobniki wyposażone w unikatowe programy genetyczne, współpracujące lub konkurujące między sobą o zasoby i podlegające doborowi naturalnemu. Oba podejścia badają jednak to samo zjawisko: życie biosfery, i oferują dla jego przejawów wyjaśnienia komplementarne, a nie konkurencyjne. Wyniki badań będą miały znaczenie praktyczne dopiero wtedy, gdy staną się cząstką jednolitej, dobrze umocnionej teorii. Ekologia takiej teorii jeszcze nie posiada.

Ekolodzy starający się zrozumieć mechanizmy trwałości biosfery za punkt wyjścia biorą dane o bilansach energii i materii w ekosystemach. Mierzą biomasę organizmów, ilość zawartej w niej energii i składników chemicznych, szacują tempo przepływu energii i obiegu pierwiastków; starają się ustalić tempo produkcji i rozkładu materii organicznej przez organizmy żywe i odgadnąć, od czego ono zależy i co je ogranicza. Obserwują wzajemne związki między globalnymi procesami biogeochemicznymi a zmianami klimatu w skali całej planety. Używają metod statystycznych i komputerów, aby upewnić się co do wiarygodności swoich pomiarów i wyliczyć bilans materii i energii w złożonych układach. Aby móc zidentyfikować przyczyny zaburzeń takiego bilansu, dokonują obserwacji ekosystemów w długich odcinkach czasowych, sięgając też po dane paleobiologiczne. Na podstawie zaobserwowanych korelacji między zmianami bilansu energii i materii w ekosystemach a różnymi czynnikami środowiskowymi próbują odgadnąć mechanizmy tych zjawisk; badają modele matematyczne ekosystemów, a wnioski przedstawiają w postaci hipotez, które weryfikują przez konfrontację wynikających z nich przewidywań z kolejnymi obserwacjami i wynikami eksperymentów.

Badacze zainteresowani problemem zmian różnorodności gatunkowej pytają przede wszystkim o to, ile jest gatunków w biosferze, jakie mają rozmieszczenie i zasięgi; starają się ustalić zmiany liczebności populacji — badając zagęszczenie i budując modele teoretyczne, pozwalające śledzić jego zmiany. Aby zrozumieć mechanizmy regulacji zagęszczenia populacji, konstruują hipotezy, które testują w eksperymentach laboratoryjnych i terenowych. Oba podejścia nie są jednak od siebie ostro odgraniczone.

Kolejne lata przynoszą postępy w badaniach ekologicznych. Zmiany na miarę rewolucji naukowej dokonały się przede wszystkim dzięki postępom ekologii ewolucyjnej i badaniom całej biosfery w skali globalnej. Te ostatnie mogły się rozwinąć dzięki nowemu narzędziu: badaniom kosmicznym, które rzuciły nowe światło na zjawiska odbywające się na naszym globie, ale przede wszystkim przyczyniły się do rozwoju metod i instrumentów, które — zastosowane do badań Ziemi — zupełnie zrewolucjonizowały ekologię. Zjawiska biogeochemiczne i klimatyczne można badać w skali globalnej, mając w polu widzenia całą planetę (tak jak cytolog widzi całą komórkę pod mikroskopem), zamiast — jak dawniej—rekonstruować procesy globalne na podstawie wyników wyrywkowych, lokalnych pomiarów. Między innymi dzięki satelitom dowiedzieliśmy się rewelacji na temat życia na powierzchni i w głębi oceanów. Miały w tym swój udział nowe wynalazki w dziedzinie badań podmorskich. Rozwój techniki poszedł tak daleko, że dane satelitarne są powszechnie dostępne dla wszystkich zainteresowanych (metody te są szerzej omówione w rozdziale 7 i dodatku 1). Wielkie znaczenie miał rozwój paleobiologii, dzięki czemu obserwacje biosfery można było rozciągnąć w czasie o miliardy lat i dostrzec dynamiczne zmiany w biosferze; w tej dziedzinie — podobnie jak w badaniach biogeochemicznych współczes­nych ekosystemów — do postępu przyczyniło się upowszechnienie metod pomiaru składu izotopowego (izotopów stabilnych) próbek biologicznych i geologicznych. Ze wszystkich dziedzin biologii ekologia i biologia molekularna okazały się chyba najbardziej czułe na rozwój i upowszechnienie komputerów. Bez nich trudno by było sobie wyobrazić badania ekosystemów i wykorzystywanie danych satelitarnych.

Biologia molekularna dostarczyła wszystkim dziedzinom współczesnej biologii narzędzi otwierających niedostępne przedtem obszary poznawcze. Metody molekularne (nie tylko techniki badań, lecz także wiedza o molekularnych aspektach życia) stosowane są w tak wielu kierunkach badań ekologicznych, że wzmianki o tych metodach pojawiają się w prawie wszystkich rozdziałach tego podręcznika (osobno omówione w dodatku 3).

Obok nowinek technicznych, na rozwój współczesnej ekologii wpłynęły istotne zmiany w podejściu do badań, co przejawia się coraz silniejszą integracją ekologii z biologią ewolucyjną z jednej, a naukami o Ziemi z drugiej strony. Teoria ewolucji stanowi szkielet całej biologii. Zbliżenie ekologii do biologii ewolucyjnej nie tylko pozwala ekologii wyjaśniać takie zjawiska, jak kształtowanie różnorodności zespołów czy powstawanie adaptacji, lecz także przyczynia się do zwiększenia dyscypliny metodologicznej. Biologia ewolucyjna wyprzedza bowiem ekologię pod tym względem. Natomiast wnioski wyciągnięte z badań ekosystemowych w coraz większej skali przestrzennej, w szczególności krążenia pierwiastków napędzanego siłami fizycznymi i działalnością żywych organizmów, przyczyniły się do integracji biologicznych aspektów ekologii z biogeochemią i klimatologią; wyodrębnia się nowa dyscyplina nauk przyrodniczych — nazywana nauką o systemie Ziemi (Earth system science).

Uogólnianie wyników badań w obszarze ekologii jest trudniejsze niż w innych dziedzinach biologii. Badając ekosystemy — z których każdy jest złożonym układem, jedynym w swoim rodzaju — nie można powtarzać precyzyjnie zaprojektowanych eksperymentów na wielu identycznych obiektach, jak to można robić, badając organizmalne, komórkowe lub molekularne procesy na laboratoryjnych muszkach i myszkach. Jednak od czasu, gdy ekologia stała się nowoczesną, eksperymentalną nauka przyrodniczą — czyli od połowy XX wieku — nagromadziła się ogromna liczba publikacji omawiających poszczególne problemy na różnych przykładach. Nowoczesne metody analizy porównawczej danych (metaanaliza — więcej o tej metodzie w rozdziale 10) pozwalają na tej podstawie wyciągać dobrze uwiarygodnione ogólne wnioski, dzięki czemu dokonał się postęp w rozumieniu funkcjonowania biosfery).