Основні методи екології

Розподіл екології на загальну (вивчення основних принципів організації і функціонування біологічних систем) і приватну (вивчення конкретних груп живих організмів) відображає не стільки проблематику екології як науки, скільки відмінності в характері і методах досліджень.

В даний час основними методами екології є:

  • - Польові спостереження, що дозволяють отримати конкретні відомості про стан окремих видів і популяцій, їх ролі в існуванні певної екологічної системи; залежність від діяльності певних груп організмів, антропогенного впливу; дані про зміну чисельності популяцій і т.д .;
  • - Експерименти в природних умовах, що дозволяють моделювати ту чи іншу ситуацію, наслідки її розвитку для конкретної спільноти організмів, біоценозу або біогеоценозу;
  • - Математичне моделювання процесів і ситуацій, що зустрічаються в популяціях і біоценозах, за допомогою обчислювальної техніки. Математичне моделювання дозволяє зробити кількісну оцінку досліджуваних процесів і явищ. Воно дає можливість з великою часткою вірогідності, використовуючи накопичені дані, прогнозувати можливий розвиток тих чи інших процесів і ситуацій в екологічних системах. Однак, використовуючи математичні прийоми, еколог повинен пам'ятати, що в зв'язку з наявністю у складних екологічних систем великого числа ступенів свободи, а також параметрів, що залежать від часу, до цих систем не можуть застосовуватися класичні, жорстко детерміновані алгоритми управління і прогнозування. Іншими словами, математичні розрахунки в екології використовуються при вирішенні практичних питань, але не можуть і не повинні передбачати конкретні зокрема.

Однак залучення кількісних методів в екологічні дослідження є потребою часу. Серед них найбільш перспективними є методи моделювання процесів і ситуацій, що відбуваються в популяціях і біоценозах.

Надорганізменну системи, які вивчає екологія, - популяції, біоценози, біогеоценози, екосистеми - надзвичайно складні У них спостерігається величезна кількість взаємозв'язків, міцність і сталість яких безперервно змінюються. Одні і ті ж зовнішні впливи можуть привести до різних, іноді прямо протилежних результатів, в залежності від того, в якому стані перебувала система в момент впливу.

Передбачати відповідні реакції системи на дію конкретних чинників можна лише через складний аналіз існуючих в кількісних вимірах взаємин і закономірностей. Тому в екологічній практиці широкого поширення набув метод математичного моделювання як засіб вивчення і прогнозування природних процесів.

Однією з перших моделей була модель Вольтерра-Лотки. У будь-якому біоценозі відбувається взаємодія між усіма його елементами: особини одного виду взаємодіють з особинами свого та інших видів. Ці взаємодії можуть бути мирними, а можуть мати зв'язок типу "хижак - жертва". Помічено, що чисельність хижих риб коливається в зворотній пропорції щодо чисельності дрібних рибок, службовців їм їжею. Аналіз цих коливань дозволив математику Віто Вольтерра (1860-1940) вивести рівняння, що формалізують ці коливання. Однак якби в біоценозі було тільки два цих види (що є дуже великим спрощенням), то динаміка чисельності кожного з цих видів сильно відрізнялася б від картини їх незалежного існування.

Крім ситуацій "хижак - жертва", "конкуренція - співіснування" може моделюватися ситуація "симбіоз". Модель симбіозу відображає кооперацію окремих видів в боротьбі за існування, коли один вид допомагає або протегує іншому (кооперація бджіл, кооперація дерев). Математичні моделі, побудовані для дослідження стійкості такої системи, показують, що при досить великих початкових значеннях чисельності завжди буде відбуватися експоненціальне зростання популяцій, що в певних випадках відповідає дійсності.

Біосфера сформувалася в ході еволюційних перетворень, без участі людини. Якісно новий етап у розвитку біосфери розпочався з появою людини в кінці третинного періоду кайнозойської ери. Діяльність людини досить довго не відрізнялася від діяльності інших живих істот. Добування вогню виділив людини з ряду інших тварин. Людина зумів розселитися не тільки в райони холодного клімату, пережити заледеніння і захиститися від хижаків, а й навчився знищувати органічні залишки, втручаючись в круговорот речовин в біосфері. Зараз відбувається інтенсивна перебудова природи в результаті людської діяльності. Перед людством реально маячить загроза голоду, самоотруєння, руйнування біологічної основи спадковості. Для запобігання загрози потрібно знати її причини. З цією метою і будувалися глобальні екологічні моделі.

Першою моделлю прогнозування витрати ресурсів була модель Т. Мальтуса (1798), який виходив з геометричного зростання чисельності населення і арифметичного зростання засобів існування. Такий підхід був спрощеним і глибоко помилковим.

Дж. Форрестер (1970) запропонував динамічну модель, що враховує зміни населення, капітальних вкладень, природних ресурсів, забруднення середовища, виробництво продуктів харчування. Прийняті в моделі взаємозв'язку досить складні. Наприклад, зростання чисельності населення поставлений в залежність від його щільності, забезпеченості харчуванням, рівня забруднення навколишнього середовища, наявності ресурсів, матеріального добробуту. Смертність пов'язана з рівнем життя, харчуванням; забруднення середовища пов'язано з обсягом фондів і т.д. Багатофакторна модель Форрестера дозволяє розглядати системи в залежності від коливання багатьох чинників. Одним з результатів дослідження Форрестера були графіки витрат природних ресурсів при стабілізації чисельності населення, виробничих фондів і якості життя.

Група Л-Медоуза (1972) побудувала динамічну модель на базі п'яти основних показників: прискорюється індустріалізація, зростання чисельності населення, збільшення числа людей, що недоїдають, виснаження ресурсів, погіршення навколишнього середовища. У модель закладено великий набір приватних зв'язків, в три рази більший, ніж у моделі Форрестера. Прогноз за моделлю Медоуза за різними варіантами показав, що внаслідок вичерпання природних ресурсів і зростаючого забруднення навколишнього середовища в середині XXI ст. відбудеться світова катастрофа. Єдиним варіантом для її виключення може бути стабілізація чисельності населення та обсягу промислового виробництва, стимулювання капіталом розвитку сільського господарства.

Модель М. Месаровича і Е. Пестеля (1974) відрізняється розмірністю і детальністю зв'язків. У ній міститься більше 100 тисяч рівнянь, що описують світову систему як сукупність регіональних систем. Автори виділили найбільші країни (Японія, Росія, Китай, В'єтнам та ін.) І регіони (Північна Америка, Західна Європа, Північна Африка та ін.), 10 груп населення, 5 категорій машин, 2 різновиди сільськогосподарського виробництва, 19 різновидів промислового капіталу , 5 видів капіталу в енергетиці. На базі цієї моделі автори розглянули різні сценарії розвитку світової системи.

У Пенсільванському університеті була створена система спільного функціонування національних моделей. Її математична частина складається з 20 з гаком тисяч рівнянь.

Групою експертів ООН під керівництвом В. Леонтьєва в кінці 1970-х рр. була розроблена міжрегіональна модель міжгалузевого балансу світової економіки.

У нашій країні в кінці 1970-х рр. під керівництвом Н. II. Моїсеєва була розроблена математична модель біосфери "Гея". Вона складалася з двох взаємопов'язаних систем. Перша описувала процеси, що відбуваються в атмосфері і океані. Друга - кругообіг речовин в природі. В основу математичної моделі були покладені такі локальні моделі, як випаровування з поверхні океану і конденсація води в атмосфері, поглинання вуглекислоти морською водою, перенос енергії атмосферою, реакції фотосинтезу, відмирання рослин, розподіл біомаси на поверхні Землі і ін. На базі моделі "Гея" був виконаний розрахунок різних сценаріїв зміни клімату на планеті під впливом ядерного вибуху, виверження вулкана, створення великого локального паливно-енергетичного комплексу, зміни гірського ландшафту.

У першій половині 1980-х рр. вчені різних країн створювали глобальні математичні моделі з метою прогнозування наслідків ядерної війни. Найбільш великими були модель американського астронома К. Сагана та модель "Гея". Значною мірою саме ці дослідження стимулювали політичні рішення держав по скороченню ядерних озброєнь.

У побудові математичних моделей складних процесів можна виділити наступні етапи:

- Ретельне вивчення тих реальних явищ, які потрібно змоделювати, виявлення головних компонентів

і встановлення законів, що визначають характер взаємодії між ними;

  • - Формулювання основних питань, відповіді на які повинна дати модель;
  • - Розробка математичної теорії, яка описує процеси, що вивчаються з необхідною детальністю. На її основі будується модель у вигляді системи абстрактних взаємодій. Встановлені закони повинні бути одягнені в точну математичну форму. Конкретні моделі можуть бути представлені системою аналітичних рівнянь або у вигляді логічної системи машинної програми;
  • - Перевірка моделі шляхом розрахунку на її основі і звірення результатів з дійсністю. При цьому перевіряється правильність сформульованої гіпотези. При значному розходженні модель відкидають або вдосконалюють. При узгодженості результатів модель використовують для прогнозу, вводячи в неї різні вихідні параметри.

Розрахункові методи допомагають побачити те, що важко або неможливо перевірити в експерименті, дозволяють прогнозувати процеси і ситуації, що розвиваються в природі протягом великих проміжків часу.

В даний час математичне моделювання широко використовується в екологічних дослідженнях і прогнозах. Математичними моделями описують і перевіряють різні варіанти динаміки чисельності популяцій, продукційні процеси в екосистемах, умови стабілізації спільнот, хід відновлення систем при різних типах порушень. Будуються математичні моделі з регулювання промислових зусиль, моделі промислових популяцій, моделі трофічних зв'язків щодо вирішення проблеми боротьби з шкідниками. Моделі експлуатації лісового господарства, стратегічні моделі використання сировини, математичні моделі вибору способу виробництва, модель оптимізації плати за воду і багато інших.

Назріла необхідність створення глобальних математичних моделей, в які входили б підсистеми взаємодії між атмосферою і водою, атмосферою і поверхнею грунту, процеси в кожному з елементів навколишнього середовища, взаємодія верхнього шару атмосфери з космосом, механізми саморегулювання в природі, вплив діяльності людини на навколишнє середовище.

При значному обсязі можливостей подібна модель повинна бути досить детальна для різних регіонів нашої планети. За допомогою такої моделі можна оцінити великі інженерні рішення, діяльність міст, варіанти створення гідросистем, розміщення заводів і т.д.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >