Экология имеет свою специфику: объектом ее исследования служат не единичные особи, а группы особей, популяции и их сообщества, т. е. биологические макросистемы. Многообразие связей, формирующихся на уровне биологических макросистем, обусловливает разнообразие методов экологических исследований. Все методы в экологии можно разделить на три большие группы (Рис.1).

     Однако, как только было установлено, что все биологические системы, в том числе и надорганизменные макросистемы, обладают способностью к саморегуляции, ограничиваться методами математической статистики стало невозможно. Поэтому в современной экологии широко применяются методы теории информации и кибернетики, тесно связанные с такими областями математики, как теория вероятности, математическая логика, дифференциальные и интегральные исчисления, теория чисел, матричная алгебра.

     Для экологов первостепенное значение имеют полевые исследования, т. е. изучение популяций видов и их сообществ в естественной обстановке, непосредственно в природе. При этом обычно используются методы физиологии, биохимии, анатомии, систематики и др. биологических, да и не только биологических, наук. Наиболее тесно биологические методы связаны с физиологическими. Однако между ними имеется принципиальная разница. Физиология изучает функции организма и процессы, протекающие в нем, а также влияние на эти процессы различных факторов. Экология же, используя физиологические методы, рассматривает реакции организма как единого целого на совместное воздействие внешних факторов при строгом учете сезонной цикличности жизнедеятельности организма и внутрипопуляционной разнородности.

Рис. 1. Основные группы экологических методов исследования

      Полевые методы позволяют установить результат влияния на организм или популяцию определенного комплекса факторов, выяснить общую картину развития и жизнедеятельности вида в конкретных условиях. Однако наблюдения не могут дать вполне точного ответа, например, на вопрос, какой же из факторов среды определяет характер жизнедеятельности особи, вида, популяции или сообщества. На этот вопрос можно ответить только с помощью лабораторного эксперимента, задачей которого является выяснение причин наблюдаемых в природе отношений.

     Исследуя и описывая массу количественных и качественных данных, ученые используют при этом методы физиологии, анатомии, биохимии, систематики и других наук. Например, при изучении растительных сообществ производится подробное качественное и количественное их описание. Описываются систематика всех групп растений, их жизнен- ность, ярусность, мозаичность, фенология (периодичность в развитии), обилие, биомасса, продукция, а также характеристика места обитания (рельеф, склон, почва) и многое другое.

     При экологических исследованиях животных изучаются их питание, размножение, поведение, размещение популяций и закономерности миграций, абиотические условия среды (химия, температура, влажность, степень освещенности) и биотические связи в сообществе. Для изучения животных используют способы мечения (кольцевание птиц, прикрепление к телу радиопередатчиков, закрепление на теле млекопитающих меток, окраска, введение в организм меченых атомов и т.д.). В современных условиях экологические исследования играют существенную роль в решении ряда теоретических и практических задач.

     При экологическом исследовании, которое обычно проводится на определенном количестве особей, изучаются природные явления во всем их разнообразии: общие закономерности, присущие макросистеме, ее реакции на изменения условий существования и др. Но каждая особь, индивидуум неодинаковы, отличны друг от друга. Кроме того, выбор особи из всей популяции носит случайный характер. И лишь применение методов математической статистики дает возможность по случайному набору различных вариантов определить достоверность тех или иных результатов (степень отклонения их от нормы, случайны отклонения или закономерны) и получить объективное представление о популяции.

     В связи с этим экологический эксперимент, как правило, носит аналитический характер. Экспериментальные лабораторные методы позволяют проанализировать влияние на развитие организма отдельных факторов в искусственно созданных условиях и, таким образом, изучить все разнообразие экологических механизмов, обусловливающих его нормальную жизнедеятельность. На основе результатов аналитического эксперимента можно организовать новые полевые наблюдения или лабораторные эксперименты.

     Выводы, полученные в лабораторном эксперименте, требуют обязательной проверки в природе. Это дает возможность глубже понять естественные экологические отношения популяций и сообществ. Эксперимент в природе отличается от наблюдения тем, что организмы искусственно ставятся в условия, при которых можно строго дозировать тот или иной фактор и точнее, чем при наблюдении, оценить его влияние. Эксперимент может носить и самостоятельный характер. В экологическом эксперименте трудно воспроизвести весь комплекс природных условий, но изучить влияние отдельных факторов на вид, популяцию или сообщество вполне возможно. Примером экологических экспериментов могут служить исследования по созданию лесозащитных полос, мелиоративные работы, расселение животных в необитаемых ранее районах.

     В последнее время широкое распространение получило моделирование биологических явлений, т. е. воспроизведение в искусственных системах различных процессов, свойственных живой природе. Например, в «модельных условиях» были осуществлены многие реакции, протекающие в растении при фотосинтезе. Примером биологических моделей может служить и аппарат искусственная почка, искусственные легкие и др. В различных областях биологии широко применяются так называемые живые модели. Несмотря на то, что различные организмы отличаются друг от друга сложностью структуры и функции, многие биологические процессы у них протекают практически одинаково. Поэтому изучать их удобно на более простых существах, они- то и становятся живыми моделями.

     Основной задачей биологического моделирования является экспериментальная проверка гипотез относительно структуры и функции биологических систем. Сущность этого метода заключается в том, что вместе с оригиналом, т. е. с какой-то реальной системой, изучается его искусственно созданное подобие – модель. В сравнении с оригиналом модель обычно упрощена, но свойства их сходны. В зависимости от особенностей оригинала и задач исследования применяются самые разнообразные модели. Реальные (натурные, аналоговые) модели, если таковые удается создать, отражают самые существенные черты оригинала. Например, аквариум может служить моделью естественного водоема.      Однако создание реальных моделей сопряжено с большими техническими трудностями. Хотя есть уже такие искусственные аппараты – климатотроны, в которых можно создать приближенную к реальным модель экосистемы. Знаковая модель представляет собой условное отображение оригинала с помощью математических выражений или подробного описания. Наибольшее распространение в современных экологических исследованиях получили концептуальные и математические модели и их многочисленные разновидности. Разновидности концептуальных моделей характеризуются подробным описанием системы (научный текст, схема системы, таблицы, графики и т. д.). Математические модели являются более эффективным методом изучения экологических систем, особенно при определении количественных показателей. Математические символы, например, позволяют сжато описать сложные экологические системы, а уравнения дают возможность формально определить взаимодействия различных их компонентов. Процесс перевода физических или биологических представлений о любой экологической системе в ряд математических зависимостей и операции над ними называются системным анализом, а сама математическая система – моделью.

     Примером успешного применения математической модели для прогнозирования является разработанная В.В. Меншуткиным модель динамики лососевых рыб. Анализ модели на ЭВМ позволил выяснить и понять важнейшие закономерности жизнедеятельности камчатской нерки. На модели был проведен ряд экспериментов. В результате установили, что на нерестилищах нерки наблюдается повышенная смертность мальков, а в открытом море катастрофически возрос промысел лососей. Модель явилась официальным документом при составлении прогноза. Ограничения вылова лососей в открытом море позволили сохранить стадо этих ценных рыб.

     Модели чаще всего используются для решения конкретных задач: применять или не применять пестициды, какую природную среду требуется контролировать в первую очередь, какие антропогенные нагрузки допустимы и т. д. Хотя все эти сегодняшние проблемы невозможно решать без обоснованного прогноза на далекую перспективу.

     В современных условиях моделирование занимает основное место в работах по экологическому прогнозированию. В основу математического моделирования при экологическом прогнозировании положен принцип представления сложной биологической системы в виде отдельных подсистем (блоков, модулей, камер), связанных между собой функциональными связями, имитирующими либо поток веществ (в том числе и загрязняющих), либо регулирующих воздействия, либо пространственные миграции, либо развитие организмов и т. д.

     В последние годы среди прогнозистов широко распространилось понятие « мониторинг », которое было предложено ещё в 1920-х гг. по отношению к окружающей среде. Часто за мониторингом признается только наблюдение за состоянием окружающей среды. В более широком смысле в понятие «мониторинг» включают не только наблюдение, но и контроль, и управление состоянием окружающей среды, т. е. то или иное целенаправленное воздействие на нее. Задачей современного мониторинга является прогноз.

       В последние десятилетия, когда угроза глобального экологического кризиса заставила рассматривать человеческую деятельность на планете с позиций законов живой природы, произошло быстрое расширение экологии. Вобрав в себя проблемы окружающей среды, она не только использует достижения других разделов биологии, но и вторгается в смежные с биологией дисциплины – в науки о Земле, в физику и химию, в различные инженерные отрасли, предъявляет новые требования к информатике и вычислительной технике, находит приложения за пределами естественных наук – в экономике, политике, социологии, этике. Этот процесс проникновения идей и проблем экологии в другие области знания получил название экологизации. Экологизация отражает потребность общества в объединении науки и практики для предотвращения экологической катастрофы. Обращение разных наук к проблемам экологии и окружающей человека среды содержит постановку и решение многих практических задач. Поэтому идет речь об экологизации экономики, производства и техники.

     Экология превратилась из частного раздела биологии, знакомого узкому кругу специалистов, в обширный и еще окончательно не сформировавшийся комплекс фундаментальных и прикладных дисциплин, который Н.Ф. Реймерс (1992) назвал мегаэкологией, т.е. «большой экологией».