Группу организмов, относящуюся к одному или близким видам и занимающую определенную область, в экологии называют популяцией. Популяции входят в состав биоценозов – совокупностей растительных и животных организмов, населяющих участок среды обитания.

Одна из важнейших задач экологии – выяснить, почему те или иные растения и животные образуют данный биоценоз, каково их влияние друг на друга и каким образом человек может регулировать их взаимоотношения в собственных интересах. И хотя на первый взгляд жизнь в сообществах кажется недоступной пониманию, многие ее закономерности уже удалось выяснить. Оказалось, что все поразительное разнообразие живых существ в сообществах, утонченность их адаптации и удивительно сложное поведение в конечном счете сводятся к получению каждым организмом своей доли энергии из пищи, поток которой направлен от одного члена сообщества к другому.

Каналы, по которым через сообщества постоянно протекает энергия, называются цепями питания. Каждое звено цепи – своего рода трансформатор, использующий некоторую часть энергии, первоначально накопленной растениями для своего собственного существования и размножения, и передающий ее следующему звену.

Сложнейшая цепь взаимных зависимостей образует устойчивую систему, в которой происходит круговорот веществ между живыми и неживыми ее частями. Озеро, лесной массив, поле, даже аквариум с тропическими рыбами, зелеными водорослями и моллюсками – все это экологические системы (экосистемы).

Классический пример экосистемы – озеро или пруд. Живые его элементы (к неживым относят воду с растворенными в ней кислородом, углекислотой, неорганическими солями и т. п.) могут быть разделены на группы в зависимости от их участия в поддержании экосистемы в качестве устойчивого целого.

Первая группа – растения, создающие органические соединения из простых неорганических веществ. Энергию для этого синтеза они получают от Солнца.

Вторая группа – организмы-потребители: насекомые, ракообразные, рыбы и т. д. Среди них – так называемые первичные потребители, которые питаются растениями, и вторичные – плотоядные, питающиеся первичными потребителями. Наконец, третья группа организмов – бактерии и грибы, разлагающие органические соединения, останки умерших организмов до простых неорганических веществ, используемых потом зелеными растениями. Так в каждой экосистеме совершается круговорот веществ.

В природе взаимоотношения различных видов животных, растений крайне многообразны. Бывает так, что одни виды помогают другим (например, на панцирях многих крабов обитают кораллы или актинии, помогающие крабам маскироваться). Простейшие жгутиковые, живущие в кишечнике термитов, выделяют фермент, без которого термиты не могли бы нормаль но переваривать древесину и расщеплять ее до сахаров. Некоторые виды бабочек, например бражник (рис. 7.13), пчелы и многие другие насекомые, добывая нектар, опыляют цветки растений. Вместе с тем далеко не все отношения между различными видами можно назвать добрососедскими. Они приобретают диаметрально противоположный характер, когда, например плесневые грибы подавляют рост бактерий, хищник уничтожаем жертву, а паразит губит хозяина. Однако и они не всегда вредны для вида в целом: под влиянием естественного отбора в природе устанавливается необходимое равновесие. А если такое равновесие искусственно нарушается, это приводит к поистине поразительным результатам.

Раньше к некоторым видам животных или растений было принято применять термин «вредный» или «полезный»: сорняк на поле, где растет пшеница, – «вредный»; кошка, уничтожающая мышей, – «полезная» и т. п. Сейчас ни у кого не вызывает сомнений что для нормального существования сообществ нужны различные их звенья, независимо от того, вредны они или полезны для человека.

На северном склоне Большого Каньона в Колорадо (США) уничтожили волков, для того чтобы увеличить количество оленей. Однако олени беспрепятственно размножались, и скоро их стадо возросло до 100 тыс голов. Пищи для такого количества животных оказалось недостаточно, и олени стали гибнуть от голода. В конце концов их поголовье уменьшилось в 10 раз по сравнению с первоначальным. При выяснении причин гибели животных оказалось, что, когда в этом районе существовали волки, среди оленей поддерживалось устойчивое равновесие, при котором их число соответствовало  запасам пищи.

Большинство сообществ непрерывно меняется – и от сезона к сезону, и изо дня в день, и даже каждую минуту. Сообщество может состоять в основном из животных или, наоборот, из растений. Общую картину жизни сообщества создают несколько наиболее крупных, многочисленных или наиболее активных видов. Изменения, происходящие с сообществом на любой стадии его развития, затрагивают большинство входящих в него организмов. Появление новых растений или животных сопровождается изменениями внешней среды, которые, как правило, благоприятны для новых видов и неблагоприятны для старожилов. Постепенно перестройка в биоценозе замедляется, и он достигает равновесия. Но достигнутое равновесие тоже временно.

Даже коралловый риф – один из наиболее стабильных биоценозов – и тот подвержен значительным изменениям. При каждом продолжительном поднятии или понижении уровня моря, при каждом медленном перемещении земной коры сам коралл, являющийся основанием гигантского биоценоза рифа, может полностью погибнуть. Поэтому точнее говорить не об общем равновесии в природе, а о великом множестве равновесий в мире живых существ.

Олицетворением совокупности всех равновесий в живой природе могли бы быть не весы, покоящиеся на точке опоры, а скорее помещение, полное часов всех сортов и размеров, маятники которых непрерывно меняют амплитуду колебаний – из года в год и от минуты к минуте. И тем не менее все эти часы, несмотря на сильное воздействие извне, ухитряются показывать примерно одинаковое время, а амплитуда колебаний их маятников меняется лишь в строго ограниченных пределах. Изменчивость, а не неизменность – вот ключ к пониманию мира живых существ и вот что делает эту небольшую планету под Солнцем столь привлекательной для жизни на ней.

Плодотворное исследование экологических закономерностей требует привлечения ученых различных специальностей. Даже самый простой пруд настолько сложен как экосистема, что для понимания всех происходящих в нем процессов необходимо участие ботаников, ихтиологов, гидрологов, гидрофизиков, энтомологов и т. д. Чтобы взглянуть на изучаемый пруд как на единое целое (а это иногда бывает необходимо из чисто практических интересов, не говоря уже о теоретических), приходится обобщать исследования представителей разных наук.

В последнее время мы все чаще слышим разговоры о новых больших пограничных областях знания – биофизике, биохимии, физической химии и т. д. Эти науки возникают как бы на стыке нескольких дисциплин, физики и биологии например (биофизика). Одним из таких стыков естественных наук является биолого-математическое моделирование. Как известно, окружающий нас мир поддается количественному описанию. Перефразируя известное изречение И.М. Сеченова, можно сказать, что все – от блеска дальних звезд, шума океанского прибоя и полета пчелы до первого крика ребенка, вдохновенного танца балерины и творческой мечты ученого – можно описать количественно. Конечно, от этого «можно» до реального «описано» путь долгий и трудный, но он вполне преодолим современной научной и технической мыслью.

Особенно сложны для математического описания живые организмы и их системы, ибо они ни на секунду не остаются в покое, а все время меняют свое состояние. Однако благодаря использованию ЭВМ сегодня стало возможно и их моделирование. В создаваемой математической модели должны быть отражены все изменения биологического объекта, в противном случае модель будет неверной.

Однажды, когда группа ученых решала вопрос о наиболее рациональном использовании одного из озер (предлагалось использовать его или для разведения рыбы, или для водоснабжения близлежащего поселка, или предоставить озеро в распоряжение туристов и т. п.), было решено обратиться «за советом» к ЭВМ. Машина, суммировав все наблюдения специалистов, взвесив все «за» и «против», дала несколько неожиданную рекомендацию: озеро не трогать, оставить его таким, как оно есть.

Человек, являясь частью природы, не может долго пренебрегать биологическими законами, рано или поздно человечество должно решить проблему охраны природы на научной основе. Люди могут вырубить лес или перекрыть реку, но они не в состоянии отменить законы, управляющие жизнью на Земле, поддерживающие в равновесии многочисленные формы жизни. Поэтому сегодня перед людьми всего мира стоит задача не только расширять свое знание законов природы и ее эксплуатацию, но и сохранить уникальный растительный и животный мир Земли для будущих поколений.