Экология тепловой и атомной энергетики

Методы математического моделирования экологических систем

Основные понятия системной экологии

Мем № 9: «Любая единица (биосистема), включающая все совместно функционирующие организмы (биотическое сообщество) на данном участке и взаимодействующая с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот вещества между живой и неживой частями, представляет собой экологическую систему, или экосистему… Экосистемы представляют собой открытые системы, поэтому важной составной частью концепции является среда на входе и среда на выходе» Ю. Одум [1986].

Изданная в 1971 г. и переведенная на русский язык в 1975 г. книга Ю. Одума "Основы экологии" стала первой монографической работой, в которой системный подход был поставлен "во главу угла" экологии. Его сущность в концентрированной форме сводится к двум тезисам:

экологическая система представляет собой "преобразователь" вещества и энергии (см. рис. 2.1), причем для каждого ее компонента могут быть рассчитаны составляющие материально-энергетического баланса;

живые организмы и их абиотическое (неживое) окружение неразделимо связаны друг с другом и находятся в постоянном взаимодействии с целью поддержания гомеостаза

 


Рис. 2.1. Взаимосвязь компонентов экосистемы с окружающей средой

Подпись:  
Стефан Альфред ФОРБС
(S. A. Forbes, 1844-1930)
первым предложил рассматривать озеро как единую экосистему, микрокосм
После этого появился еще ряд крупных работ, в которых подробно обсуждались различные аспекты системной экологии (например, [Куркин, 1976; Федоров, Гильманов, 1980; Джефферс, 1981; Флейшман, 1982]). Библиография по этой проблеме достаточно велика. Подробное описание теоретических конструкций и ретроспективный анализ развития концептуальных представлений системного подхода в общей экологии можно найти и в работах одного из соавторов настоящей монографии [Розенберг, 1984; Розенберг с соавт., 1999]. Детальный анализ понятийных особенностей и методологических проблем применения системного подхода для изучения структур водных экосистем дан, например, в статье А.И. Баканова [2000б].

Сейчас общепринято считать, что "главной парадигмой экологии следует признать концепцию экосистемы" [Федоров, 1977а], откуда и вытекает признание необходимости системного подхода [Василевич, 1969; Хайлов, 1970; Миркин, 1984]. Во всяком случае, ранее существовавшие подходы, в том числе и трофико-динамический, в значительной мере себя исчерпали, что привело в конечном итоге к осознанию учеными кризисного состояния экологии как науки [Старобогатов, 1970; Федоров, 1977а; Розенберг, 1988, 1991; Розенберг, Смелянский, 1997]. К сожалению, к настоящему времени трудно привести примеры всестороннего и плодотворного анализа водных экосистем с позиций системного анализа. В дальнейших разделах нами будут приведены ссылки на редкие работы, где трудоемкое применение отдельных элементов математического моделирования способствовало успешному решению иногда достаточно узкой проблемы. Большинство исследователей просто оперирует "системной терминологией" для обоснования методологической позиции, заменяя традиционные термины и понятия на новые, более "научные", что часто вызывает негативную реакцию и чувство разочарования у специалистов. Например, Б.М. Миркин и Л.Г. Наумова [1998] считают, что «...понятие "системный подход" сегодня изрядно затаскано и стало обыденным научным клише, которое уже приносит скорее вред, чем пользу». Но так ли уж виноват в этом сам "системный подход"?

Другое важнейшее понятие – «сложность системы» может быть оценена на двух уровнях: сложность на "структурном уровне", которая определяется числом элементов системы и связей между ними (морфологическая сложность); сложность на "поведенческом уровне" – набор реакций системы на внешние возмущения или степень эволюционной динамики (функциональная сложность).

Структурные свойства систем определяются характером и устойчивостью отношений между элементами. По характеру отношений между элементами структуры делятся на многосвязные и иерархические. Очень трудно найти примеры сложных иерархических систем – все они имеют, как правило, сетевую организацию, когда один и тот же элемент структуры может входить (в зависимости от точки зрения или по определению) в несколько подсистем более высокого уровня. Например, один и тот же вид организмов в зависимости от условий может трактоваться как "хищный" или "нехищный". Различают также детерминированные, стохастические и хаотические структуры. Детерминизм, как и индетерминизм, имеет свою иерархию совершенства. Например, типично вероятностные структуры экосистем на нижнем уровне (особь, группа организмов) претерпевают чисто случайные изменения, но на более высоких уровнях эти изменения становятся целенаправленными за счет естественного отбора и эволюции. Функциональное описание системы, как и морфологическое описание, как правило, иерархично. Для каждого элемента, частной подсистемы и всей системы в целом функциональность задается набором параметров морфологического описания Х (включая воздействия извне),  числовым функционалом Y, оценивающим качество системы, и некоторым математическим оператором детерминированного или стохастического преобразования Y, определяющим зависимость между состоянием входа Х и состоянием выхода Y

Экосистема как объект математического моделирования Любая гидробиологическая система представляет собой сложный, большой, слабо детерминированный и эволюционирующий объект исследования. Экосистемы в значительной мере соответствуют подходу, развиваемому школой И. Пригожина [Пригожин, Стенгерс, 1986], согласно которому в развитии любой системы чередуются периоды, в течение которых ее состояние может быть характеризовано то как "в основном детерминированное", то как "в основном случайное", когда дальнейшее поведение становится в высокой степени неопределенным. Эту гипотезу можно распространить и на пространственную координату, в связи, с чем некоторые участки поверхности могут восприниматься исследователем как нестационарные или "неправильные". Поэтому, вообще говоря, признаки, наблюдаемые нами в экосистеме, связаны с описываемой ими сущностью статистически, принимая во внимание, что детерминистская связь является частным случаем статистической, т.е. связью с вероятностью равной 1.

Дискретность и непрерывность биосферы Достаточным и конструктивным может быть определение основной задачи экологии как задачи о распространении и обилии организмов [Andrewartha, Birch, 1954]. К этому сводятся почти все операции по упорядочиванию гидробиологических объектов и математическому моделированию экологических сообществ разного масштаба и структуры. Однако до сих пор отсутствуют строгие определения таких основополагающих терминов, как «популяция», «сообщество», «обилие» и «биоразнообразие», понятийная размытость которых особенно проявляется на фоне углубления представлений об экосистеме, как пространственно-временном континууме.

Взаимосвязь экосистемы со средой и пределы толерантности воздействий

Например, реакция экосистемы на действие фактора по логистической модели (правее диапазона толерантности) состоит из четырех последовательных фаз:

а) фазы активного сопротивления всей системы за счет внутренних ресурсов,

б) фазы экспоненциального "выбивания" слабых звеньев, когда ресурс, поддерживающий устойчивость экосистемы, исчерпывается,

в) фазы роста адаптационных процессов в системе, противодействующих влиянию фактора,

г)  и, наконец, фазы стабилизации, когда "выжившие" компоненты экосистемы воспринимают установившийся уровень фактора в пределах своего диапазона толерантности

Мем № 10: «Источником недопонимания обычно являются три фактора:

недостаточная структуризация информации и недостаток априорных знаний;

наличие помех, случайных или умышленных;

3) различие в критериях оценки фактов у лиц, вступающих в информационный контакт, иначе говоря, отсутствие единого категорийного аппарата (idioma universal – стандартного языка)» В.В. Дружинин и Д.С. Конторов [1976].

Вообще говоря, системный подход не является строго методологической концепцией, что отмечал еще А.А. Ляпунов [1980]: он выполняет эвристические функции, ориентируя конкретные экологические исследования в двух основных направлениях. Во-первых, его содержательные принципы позволяют фиксировать недостаточность старых, традиционных методов изучения экосистем для постановки и решения новых задач их целостного восприятия или исследования. Во-вторых, понятия и принципы конструктивного системного подхода, изложенные далее, помогают привнести в практику новый стиль научного мышления, а также приемы и методы исследований, ориентированные на раскрытие сущности процессов трансформации энергии, передачи вещества и информации в экосистемах. Прямое отождествление системно-аналитических принципов с методами кибернетики или с математическим моделированием является слишком узкой их трактовкой, хотя в виде идеологически-концептуальной основы системный подход одинаково важен и для экологии и для самой математики, как: «упорядоченная и логическая организация данных и информации в виде моделей» [Джефферс, 1981].

Центральным понятием системологии является понятие «системы». Существует более тысячи ее определений [Урманцев, 1978], и, не углубляясь в терминологические изыски, примем следующее рабочее определение: система – совокупность элементов со связями между ними, подчиняющимися соответствующим законам композиции. К этому можно добавить, что каждый из элементов системы внутри себя считается неделимым, а с внешним миром система взаимодействует как единое целое.


На главную