Общие запасы воды - 1, 4 -1, 5 млрд. кубических километров По данным Shiklomanov and Rodda, 2003
Гидробиология – наука, изучающая водные организмы и условия их существования во взаимосвязи с окружающей средой, выступающей в форме водоема (водотока) со всеми особенностями и физикохимическими свойствами его ложа, воды и водосборной площади, а также в виде широкого сообщества других организмов (Чеботарев, 1978). Как наука экологическая гидробиология изучает население гидросферы во взаимосвязи с окружающей средой и биологические явления в водоемах, возникающие в результате взаимодействия различных живых компонентов друг с другом и с неживой природой (Константинов, 1979). Экологическое изучение особей отдельных видов - аутэкологическое направление, - сохранилось и в современной гидробиологии, но уже занимает подчиненное положение. На первый план выдвинулись демэкологические (популяционные) и синэкологические (биоценологические) исследования – изучение популяций и биоценозов (биогеоценозов, экосистем) как надорганизменных форм жизни, обладающих определенной структурой, функциями и характером взаимодействия с окружающей средой. Особенно интенсивно в современной гидробиологии изучаются водные экосистемы.
Гидробиология изучает взаимодействие обитателей вод – гидробионтов, их популяций и сообществ – биоценозов друг с другом и с неживой природой (Константинов, 1986; Зданович, Криксунов, 2004). Гидробиологию следует рассматривать как биологическую науку о закономерностях жизни водных организмов и их ассоциаций различного уровня (Протасов, 2010). Гидробиология – наука о жизни в водоемах, исследующая закономерности существования популяций водных организмов и биотических сообществ (биоценозов) в их неразрывной связи со средой обитания (биотопом), и служащая теоретической основой сохранения и обеспечения воспроизводства биологических ресурсов гидросферы. Исходя из этого определения основным объектом гидробиологии как науки следует считать водные экологические системы (Кожова, 1987). Гидробиология, или экология гидросферы, или гидроэкология, так же как и экология, - наука о надорганизменных формах организации жизни, - изучает водные экосистемы, исследует их структуру и функционирование с целью управления ими (Алимов, 1989). Или: гидробиология – наука о надорганизменных формах организации жизни, изучающая структуру и функционирование водных экосистем. Данное определение охватывает изучение отдельных водных организмов (гидробионтов), их популяций и сообществ, взаимодействий между ними и с неживой природой (Зилов, 2009).
Протасов, 2010: Гидробиологию следует рассматривать как систему знаний об организмахгидробионтах, экотопических группировках гидробионтов, гидробиомах* (*гидробиом – совокупность сходных по своему характеру водных экосистем) и живом веществе гидробиосферы. Объект исследования – организмыгидробионты и их ассоциации во взаимосвязи их со средой обитания. Предмет – их роль в биосферных процессах в масштабах от «организм как целое» до «гидробиосфера как целое» . Гидробиологическими следует считать исследования, которые дают новые знания: - об адаптациях организмов-гидробионтов к среде и закономерностях формирования их ассоциаций разного уровня, - об организации специфических для гидросферы экотопических группировках гидробионтов, - о гидробиомах и входящих в них экосистемах, - о живом веществе гидросферы, планетарной роли всей совокупности гидробионтов. Гидроэкология может рассматриваться как раздел гидробиологии и в то же время как составляющая общей экологии, поскольку имеет дело с характерными для этой науки объектами, с точным указанием их местоположения – водная среда.
Зилов, 2009: Предметом исследований гидробиологии являются экологические процессы в водной среде, т. е. процессы взаимодействия гидробионтов, их популяций и сообществ между собой и с абиотическими компонентами водных экосистем. (Водная экология* исследует, кроме того, и воздействие человека на эти процессы. ) Цель гидробиологии может быть определена как понимание экологических процессов, происходящих в водной среде. (Управление этими процессами с целью оптимизации использования водных ресурсов может считаться целью водной экологии. ) *Водная экология (гидроэкология, экология гидросферы) – часть геоэкологии, изучающая водные экосистемы как совокупность трех взаимодействующих компонентов: водной среды, водных организмов и деятельности человека. Основной задачей гидробиологии является изучение экологических процессов в гидросфере, тогда как применение их в интересах освоения гидросферы и оптимизации взаимодействия человеческого общества с водными экосистемами – основная задача водной экологии. Главная теоретическая задача гидробиологии: изучение общих внутренних закономерностей структурнофункциональной организации водных экосистем, которые и определяют круговорот вещества и поток энергии в них, а водной экологии: исследование зависимостей круговоротов вещества и потоков энергии от факторов внешней среды, в том числе и антропогенных.
Алимов, 1989: Гидробиологии принадлежит важная роль в решении крупнейших междисциплинарных проблем глобального значения. Например, создание научных основ рациональной эксплуатации биологических ресурсов природных вод с обеспечением их расширенного воспроизводства; разработка основ прогнозирования состоянии водных экосистем в условиях антропогенного воздействия на них; исследование причин эвтрофирования вод и методов его предотвращения; разработка научных основ управления качеством вод, формирования чистой воды в природных водоемах и в сооружениях для водоснабжения; создание научных основ аквакультуры экономически значимых видов рыб, беспозвоночных и водорослей. Исходя из этого Задачи гидробиологии: изучение общих закономерностей структурно-функциональной организации водных экосистем, определяющей потоки вещества и энергии в них; исследование зависимости потоков в-ва и энергии от факторов среды, в том числе и антропогенных, влияние изменений структуры популяций животных на структуру этих потоков в экосистемах; разработка теории биологической продуктивности водных экосистем; изучение биологического фона акваторий и продукционных свойств входящих в них экологических систем.
Зилов, 2009: Конкретные практические задачи гидробиологии и водной экологии: 1. Повышение биологической продуктивности водоемов для получения из них наибольшего количества биологического сырья. 2. Разработка биологических основ обеспечения людей чистой водой, в том числе оптимизация функционирования экосистем, создаваемых для промышленной очистки питьевых и сточных вод. 3. Экспертная оценка экологических последствий зарегулирования, перераспределения и переброски стока рек, антропогенного изменения гидрологического режима озер и морей. 4. Оценка вновь создаваемых промышленных, сельскохозяйственных и других предприятий для водных экосистем с целью охраны последних от недопустимых повреждений. 5. Мониторинг состояния водных экосистем.
Общая гидробиология изучает экологические процессы в водоемах и водотоках. В ней можно выделить: системная гидробиология; трофологическая гидробиология; энергетическая гидробиология; этологическая гидробиология; палеогидробиология; бентология; планктология. Частная гидробиология изучает специфику экологии водных объектов разного типа. Выделяют гидробиологию морей, озер, прудов, болот, луж, временных и пересыхающих водоемов и др. То же - и для водотоков: гидробиология рек различных типов, ручьев. Кроме того, существует гидробиология подземных и пещерных вод, гидробиологии полярных и тропических водоемов, водоемов умеренного пояса и субтропических. Зилов, 2009
Прикладная гидробиология: Продукционная гидробиология, изучающая биологические основы продуктивности водоемов (например, повышения вылова рыбы, урожая морепродуктов и т. п. ). (или промысловая, рыбохозяйственная) Санитарная гидробиология, занимающаяся решением проблем чистой воды, самоочищения водоемов. Медицинская гидробиология, исследующая происхождение и распространение болезней, связанных с водой (в первую очередь – инфекционных). Ее подраздел гидропаразитология, разрабатывающая методы борьбы с паразитическими животными, обитающими в водоемах, в том числе личиночными стадиями паразитов. Токсикологическая гидробиология или водная токсикология, изучающая возможность вреда продуктов техногенеза для водных объектов, в частности влияние токсикантов на гидробионтов и экосистемные процессы. Радиологическая гидробиология, решающая вопросы, связанные с поступлением в водоемы радионуклидов, влиянием их на гидробионтов, накоплением их в трофических цепях. Техническая гидробиология, изучающая биологические явления, представляющие опасность для техники, контактирующей с водой (биокоррозия, обрастания и т. п. ). Частным случаем ее можно считать навигационную гидробиологию, которая исследует водные биологические процессы, препятствующие судоходству. Зилов, 2009
В современной отечественной гидробиологии можно выделить несколько основных направлений, в частности: экосистемное и популяционное. Выразителем экосистемного направления является созданная Г. Г. Винбергом «школа продукционной гидробиологии» . В рамках развиваемого данной школой балансового и структурно-функционального подходов накоплены существенные знания о количественных закономерностях потоков вещества и трансформации энергии в различных экосистемах и ее элементах (сообществах, популяциях, трофических уровнях). Их обобщением являются обстоятельные сводки А. Ф. Алимова (1989, 1990, 2001, 2002). Продукционную гидробиологию можно определить как учение о потоках энергии и вещества в водных экологических системах, о способах оценки этих потоков, о количественных соотношениях между ними и о факторах, на них влияющих. Все эти методы и знания объединяют обычно под именем теории биологической продуктивности. Специфический метод продукционной гидробиологии - балансовый подход. Согласно балансовому подходу, основное внимание при изучении водоема уделяется или движению вещества и энергии в нем от блока к блоку (по сложившейся терминологии – от одного трофического уровня к другому), или же противоположности процессов образования (продукции) и разрушения (деструкции) орг. в-ва. Хотя обе точки зрения связаны, очевидно, что Хатчинсона и Линдемана (Lindeman, 1942) явно более привлекла первая, а Г. Г. Винберга (1936) – вторая (Полищук, 1992).
С другой стороны, в рамках популяционного направления, фиксирующего внимание на отдельных популяциях в конкретном месте и времени, функциональная организация всего сообщества познается через выявление и количественную оценку факторов, лимитирующих развитие отдельных популяций, образующих сообщество (Гиляров, 1988). С помощью аналитического (объяснительного) подхода выявляются конкретные причинноследственные связи в динамике популяции и в межпопуляционных взаимодействиях (внутри элементов экосистем и между ними). В нашей стране яркими представителями «популяционно-аналитического» или «популяционно-ориентированного» направления являются работы А. М. Гилярова (1987, 1988, 1990) и Л. В. Полищука [1986, 1989 (в соавторстве с А. В. Смуровым), 1992 а, 2003, Polishchuk, 1992, 1995].
Алимов, 1989, Константинов, 1986: Специфический метод гидробиологии – учет количества организмов различных групп (количественный учет различных групп населения), их численности и биомассы (суммарной массы). Учет численности и биомассы особей, с одной стороны, позволяет уточнить представления об их экологии (средство исследования образа жизни гидробионтов и их взаимосвязи с элементами среды). С другой стороны, определяя численность и биомассу различных групп населения, судят о структуре популяций и биоценозов, динамике их состояния, локальной изменчивости (средство изучения популяций и биоценозов). Наконец, данные о количестве тех или иных организмов необходимы для суммарной оценки их функциональной роли в различных экосистемных процессах.
Кожова, 1987: Одним из главных методов гидробиологии как науки является наблюдение в природе, позволяющее познать, как гидробионты распределяются, ведут себя и функционируют в естественных условиях обитания. Иногда этот метод называют экологогеографическим. Вскрывая взаимосвязи «гидробионты-среда» , гидробиолог дает не только их описание, но и выявляет количественные зависимости, т. е. все экологические процессы, протекающие в водоеме, выражает с помощью определенных количественных показателей «фондов» и потоков в-ва и энергии. Гидробиолог всегда оперирует величинами численности организмов (в объеме воды или на площади водоема), биомассы (массы организмов) и их продукции (прироста органического в-ва прирост массы организмов (в единице объема воды, под единицей площади водоема, на единице площади его дна - в единицу измерения времени). Следовательно, методом гидробиологии является количественная оценка процессов, происходящих в водоемах. Закономерности жизни гидробионтов можно понять только при изучении комплекса биотических и абиотических факторов среды. Поэтому гидробиологические исследования должны быть комплексными, а методом гидробиологии можно назвать комплексный подход к изучению водоемов, или – системный. Системный подход – это направление методологии научного познания и социальной практики, в основе которого лежит рассмотрение объектов как систем. Такой подход ориентирует исследование на раскрытие целостности объекта, на выявление многообразных типов связей в нем и сведение их в единую теоретическую картину.
Основным методом гидробиологии как науки является системный анализ структуры, функции и связей популяций и биоценозов между собой и с факторами среды обитания. Он строится на количественной основе с целью выявления закономерностей, позволяющих управлять структурой и функционированием элементов гидросферы (Кожова, 1987). Главным методом гидробиологии, как и остальных экологических дисциплин, является системный подход, т. е. рассмотрение экосистемы как целого, и количественный учет протекающих в ней потоков энергии, вещества и информации. Следовательно, гидробиология всегда оперирует величинами численности организмов, их биомассы и продукции (Зилов, 2009).
Методологической основой современной гидробиологии служит системный подход, ориентированный на раскрытие целостности объекта и обеспечивающих ее механизмов, на выявление многообразных связей сложного объекта и сведения их в единую теоретическую картину. Система при этом понимается как совокупность взаимосвязанных элементов, образующих определенную целостность, единство. Она характеризуется также непрерывным единством с окружающей средой, во взаимодействии с которой она и проявляет свою целостность. Выявление системного характера объекта исследований требует разложения его на составные части с установлением их свойств, а для определения сущности объекта, как некой организации, необходим синтез этих частей в единое целое (Алимов, 2001).
Под структурой понимается расположение взаимосвязанных составных частей системы. При рассмотрении структуры следует учитывать совокупность связей, обеспечивающих целостность системы. Например, популяция представляет собой локализованную в пространстве и динамичную во времени систему особей одного вида, находящихся между собой в отношениях размножения. В популяции различают размерную, возрастную и половую структуры. Сообщества организмов, или биоценозы можно рассматривать как локализованные в пространстве и динамичные во времени системы популяций разных видов, находящихся между собой в трофических отношениях, поэтому в них различают и трофическую структуру. В сообществах и экосистемах, кроме того, различают видовую, пространственную структуру и др. Взаимосвязь отдельных частей в рамках целого, соотношение двух или группы объектов в пределах целого, при котором изменение одного приводит к изменению другого, называют функцией. Например, скорость обмена и питания у животных возрастает пропорционально увеличению массы их тела и. т. д. Т. о. , система может быть охарактеризована структурными и функциональными показателями, которые находятся в определенных соотношениях между собой (Алимов, 2001).
Главный объект исследований экологии – экосистемы: - Структурно-функциональные единицы биосферы, отличающиеся друг от друга по своим физико-химическим характеристикам, составу населения и особенностями внутрисистемных взаимодействий (Константинов, 1979). - Структурно организованные системы, в которых биотические и абиотические элементы связаны функционально в единое целое на базе круговорота в-в и трансформации потока энергии (Кожова, 1987). - Локализованная в пространстве и динамичная во времени совокупность совместно обитающих и входящих в сообщества различных организмов и условий их существования, находящихся в закономерной связи между собой и образующих систему взаимообусловленных биотических и абиотических процессов. В результате взаимодействия организмов между собой и окружающей их средой внутри экосистемы организуются потоки вва, энергии и информации. Экосистема может быть представлена как биоразнообразие видов + взаимосвязь потоков в-ва и энергии и информации, последние рассматриваются как организующие и регулирующие. Динамическое взаимодействие потоков в-ва , энергии и информации, обеспечивающее стабильность экосистемы во времени в конкретных условиях среды, и есть ее функционирование (Алимов, 2001).
Для количественного учета используют различные орудия и приборы как специфически гидробиологические – планктонные сети, дночерпатели, драги, планктоночерпатели, батометры различных конструкций, так и многие приборы, заимствованные из арсеналов гидрохимии, гидрофизики, гидрологии. С их помощью облавливаются определенные участки грунта, воды и др. субстратов, по найденным в пробах организмам устанавливаются видовой состав, численность и биомасса организмов (видов, групп), с последующим пересчетом на ед. площади или объема. В последнее время часто используются погружные и дистанционные биофизические приборы. Например, по концентрации хлорофилла судят о количестве водорослей, концентрацию хлорофилла определяют, например, флюориметрией. Подводное и надводное телевидение, фотографирование, эхолокация, а также визуальные наблюдения с самолетов, подводных лодок, батискафов, с помощью аквалангов… дополняют арсенал средств, с помощью которых получают представление о концентрации и распределении водного населения, о структуре популяций и биоценозов. Приобретают особую перспективность наблюдения из космоса, позволяющие почти одномоментно оценивать многие параметры состояния гидросферы и ее населения в целом.
Батометр Молчанова Батометр Руттнера
Пробоотборник для речного литорального зообентоса Трубчатый дночерпатель
Для оценки функциональной роли отдельных групп населения в экосистеме устанавливается их значение в трансформации веществ и энергии. С этой целью используются физиологические, микробиологические, биохимические, токсикологические, биофизические и др. методы (определение величины фотосинтеза, трат на обмен, использования пищи на рост, фильтрационной активности и т. п. ). Современные средства мат. анализа, моделирование используется для создания схем и расчетов протекающих процессов и их результатов. Модель – это абстрактное описание реальных явлений (в нашем случае водных экологических объектов и процессов, в том числе экосистем). Модели могут быть неформализованные (словесные или графические) и формализованные – строго математические с использованием количественных данных. Модель – метод познания, позволяющий не только характеризовать структурно-функциональные особенности экосистемы, но и управлять их «работой» .
Гидроэкологические знания являются базой для создания экологоматематических моделей – основного инструмента прогнозирования состояния водных экосистем и разработки экологических основ управления ими. Математическая модель представляет собой формализацию знаний об объекте, т. е. запись его структуры и функции на математическом языке. В качестве прогностических, позволяющих рассчитывать динамику компонентов экосистемы при определенных сценариях воздействия, в экологической биофизике водных экосистем используются динамические модели, учитывающие содержательные механизмы взаимодействия гидробионтов с биотическими и абиотическими факторами среды через кинетические характеристики связей компонентов друг с другом и с параметрами внешних факторов. Кинетические характеристики, являющиеся универсальными биологическими (химическими, физическими) закономерностями, получают в независимых от анализа рядов наблюдений экспериментах (Абросов и др. , 1985; Гительзон и др. , 1993; Дегерменджи, Гладышев, 1995; Губанов и др. , 1996; Гладышев, 1999). Математическое моделирование служит «…пожалуй, единственным средством подтверждения экологических гипотез, особенно в явлениях с одновременным протеканием разнонаправленных процессов…» (Дегерменджи, 1998, с. 1073). Иными словами, с помощью математических моделей можно получать новое знание о водной экосистеме.
Из биологических дисциплин наиболее тесно связаны с гидробиологией зоология, ботаника, микробиология, физиология и биогеография. Современная гидробиология также контактирует с генетикой, цитологией, биохимией и молекулярной биологией, поскольку для решения гидробиологических проблем привлекаются и анализируются данные по реакциям клеток и субклеточных структур (включая их наследственный аппарат) на те или иные воздействия среды. Используются и методы биофизики (экологическая биофизика). Гидробиология использует результаты и методы других наук, изучающих гидросферу, – гидрологии, гидрохимии, гидрофизики, гидрогеологии и др. Гидрология – раздел географии, наука, изучающая природные воды в пределах гидросферы, процессы мирового стока, закономерности круговорота воды в природе, звенья которого – океаны и озера, реки и ручьи, подземные воды и болота. По изучаемым объектам гидрология делится на океанологию, гидрологию суши и гидрогеологию (гидрологию подземных вод). В гидрологии суши различают гидрологию рек – потамологию и озер – озероведение или лимнологию, ледников – гляциология. Лимнолог учитывает значение жизни в водоеме как гидрологического фактора.
Лимнология Океанология Гидрофизика Гидрохимия Гидробиология (экология водных экосистем) = = биолимнология + биоокеанология
ОТБОР ПРОБ ПЛАНКТОНА
Скорость подъема сети – не менее 0. 25 и не более 0. 5 м/сек
Дночерпатели
Отбор проб бентоса дночерпателем Отмывание проб бентоса от ила
