Системный подход в экологии

1.Системный подход в  экологии

Системный подход в экологии обусловил формирование целого направления, ставшего ее самостоятельной отраслью – системной экологией.

Системный подход – это  направление в методологии познания объектов как систем.

Система – это множество  взаимосвязанных элементов, образующих опреде­ленную целостность, единство. Ее состав, структуру и свойст­ва изучают посредством системного анализа, являющегося ос­новой системного подхода и представляющего собой совокуп­ность методологических средств, используемых для решения сложных научных проблем.

В эту совокупность средств  входит комплекс методов от простых описательных, логических до весьма сложных математических. Технической основой системного анализа являются современные ЭВМ и информационные системы с широким использованием методов математическо­го программирования, теории игр и т. д.

Основными системными принципами являются: целост­ность, структурность, взаимозависимость системы и среды, иерархичность, множественность описания каждой системы.

Целостность – обобщенная характеристика системы, свой­ства  которой несводимы к сумме  свойств ее элементов и не­выводимы из этих свойств (целостность организмов более пол­ной будет в популяции, популяции – в биоценозе и т. д., и свойства каждой системы несводимы к свойствам нижестоя­щих).

Структурность – установление структуры и взаимо­зависимости структурных элементов, обусловленности пове­дения системы ее структурой (структура биоценоза, трофиче­ская структура экосистемы и установление измеримых связей между трофическими уровнями, и др.).

Взаимозависимость системы  и среды выражается в формировании и проявлении ее свойств в результате этого взаимодействия (взаимодейст­вие биоценоза и биотопа, популяций в биоценозе и т. п.).

Ие­рархичность – это когда каждый компонент системы может рассматриваться как самостоятельная система, а сама иссле­дуемая система является составной частью более широкой сис­темы (уровни биологической организации, вплоть до глобаль­ной системы – биосферы).

Экосистемы – это весьма сложные самоорганизующиеся и целенаправленные, со сложной иерархической структурой системы, требующие множественного описания каждой сис­темы, что требует построения множества моделей, т.е. ши­рокого использования методов моделирования при исследо­вании.

Построение обобщенных моделей, отражающих все фак­торы и взаимосвязи в системе, является центральной проце­дурой системного анализа. Понятие «модель» широко исполь­зуется, например, на бытовом уровне: модель самолетов, ко­раблей, автомобилей и т. п. Если эти модели не действую­щие, то они отражают только морфологические особенности объекта, но уже знание этих особенностей позволяют человеку, если он раньше не видел оригинал, узнать этот оригинал по модели. Иными словами, лишь часть свойств объекта по­зволяют судить об объекте в целом, в данном случае – о фор­ме объекта. Нечто похожее происходит и при научных иссле­дованиях.

Традиционная схема научного исследования: исследова­тель – объект. Здесь исследователь получает информацию пу­тем непосредственного изучения объекта. Например, биолог изучает видовой состав фитопланктона под микроскопом. Но такое возможно лишь на достаточно простых объектах, но не при исследовании целостной структуры экосистемы, взаимо­действии с познаваемым ори­гиналом и способный замещать его на отдельных этапах по­знания.

Моделирование – это разработка, исследование мо­дели и распространение  модельной информации на оригинал. Достоинства моделирования проявляются  там, где возможности традиционного  подхода оказываются огра­ниченными. Именно такой областью познания является эко­логия.

Модель должна соответствовать  двум требованиям:

1) она должна отражать  лишь те особенности оригинала,  которые выступают в качестве  предмета познания;

2) она должна быть адекватна  оригиналу (иначе представления  о нем будут искажены).

Сам процесс моделирования, по мнению ученого И.Я. Лиепа, можно  разделить на четыре этапа: качественный ана­лиз, математическая реализация, верификация и изучение мо­делей.

Первый этап моделирования  – качественный анализ – является основой любого объектного моделирования. На его основе формируются задачи и выбирается вид модели. Этот этап обязан обеспечить соответствие модели двум вышеука­занным требованиям. Вид модели выбирается исходя из спо­соба построения, из характера самого объекта, и др.

По способу построения все модели делят на два класса: материальные и абстрактные.

Материальные модели по сво­ей физической природе сходны с оригиналом. Они могут со­хранить геометрическое подобие оригиналу (макеты, трена­жеры, искусственные заменители органов и т. д.), подобие протекания физических процессов с оригиналом – физическое моделирование (гидрологическая модель – течение воды и т. п.) и могут быть природными объектами – прообразами ори­гинала то есть натурными моделями (метод пробных участков). Материальные модели используются обычно в технических целях и мало подходят для экологических проблем.

Более под­ходящими для экологического моделирования являются абстрактные  модели, представляющие собой описание ориги­нала в словесной форме или посредством символов и опера­ций над ними, отражающих исследуемые особенности ориги­нала. Абстрактные модели подразделяются на три типа: вер­бальные, схематические и математические.

Вербальные модели – это  формализованный вариант тра­диционного естественнонаучного описания в  виде текста, таб­лиц и иллюстраций.

Схематиче­ские модели разрабатываются в виде различного рода схем, рисунков, графиков и фотографий, основные их достоинст­ва – наглядность, информативность и простота построения (трофические цепи, пирамида Элтона, схемы структуры, ди­намики и энергетики экосистем, воздействия экологических факторов, биохимических круговоротов, и др.).

Вербальные и схематические  модели – неотъемлемая часть качественного  анализа математического моделирования, являющегося наиболее совершенным  видом количественного исследования оригинала, позволяющая построить  его мате­матическую модель.

«Математическая модель»  – это мате­матическое описание оригинала, отражающее его целостность, структуру, динамику, функционирование и взаимосвязи ори­гинала, внешних и внутренних факторов воздействия» (И.Я. Лие­па). Это означает, что практически эта модель есть фор­мула или система уравнений и неравенств.

По своему характеру выделяют модели статические и ди­намические. Статическая модель отражает объект (систему), не изменяющий свое состояние во времени, а динамическая модель отражает объект (систему), изменяющий свое состоя­ние во времени. Подавляющее большинство живых объектов и систем – это динамические системы и могут быть отраже­ны только лишь динамическими моделями.

Второй этап моделирования  – это математическая реали­зация логической структуры модели. С точки зрения техноло­гии применения математических методов, можно выделить мо­дели аналитические и численные (компьютерские).

Аналити­ческая модель – это построение теоретических концепций с применением строгого математического аппарата, обычно по­зволяющего вывести общую формульную зависимость.

Ком­пьютерские модели П.М. Брусиловский, Г.С. Розенберг делят на имитационные и самоорганизующиеся.

Имитационные модели отражают представления иссле­дователя о взаимосвязях в экосистеме и как они реализуют­ся. Наилучшие результаты эти модели дают при составле­нии прогноза изменений в экосистеме.

Самоорганизующие­ся модели относятся к классу регрессионных уравнений, в них широко используются вероятностно-статистические ме­тоды расчетов.

Третий этап моделирования  предусматривает верифика­цию модели: проверку соответствия модели оригиналу. На этом этапе необходимо удостовериться, что выбранная модель отвечает второму требованию: адекватно отражает особенно­сти оригинала. Для этого может быть проведена эмпириче­ская проверка – сравнение полученных данных с результата­ми наблюдений за оригиналом. Модель может быть призна­на высококачественной, если прогнозы оправдываются. При отсутствии эмпирических данных проводится теоретическая верификация – по теоретическим представлениям определяется область применения и прогностические возможности мо­дели.

Четвертый этап моделирования  – это изучение модели, экспериментирование  с моделью и экологическая  интерпре­тация модельной информации. Основная цель этапа – выяв­ление новых закономерностей и исследование возможностей оптимизации структуры и управление поведением моделируе­мой системы, а также пригодность модели для прогнозирова­ния.

В экологии математические модели экосистем В.Д. Фе­доров и Т.Г. Гильманов предлагают разделить на мо­дели популяционного, биоценотического и экосистемного уров­ней.

Популяционные модели описывают  особенности отдель­ных популяций, отражают их свойства и внутренние законо­мерности; модели, позволяющие оценить динамику числен­ности и возрастного состава популяций в зависимости от ро­ждаемости и смертности, заданных как функции лишь от об­щей плотности и возрастного состава популяций.

Модели биоценотического уровня задаются как системы уравнений, отра­жающих динамику биоценоза как функцию плотностей состав­ляющих его популяций.

Модели экосистемного уровня пред­ставляют собой системы уравнений, в число аргументов кото­рых включены как внутренние переменные состояния, так и внешние факторы воздействия и целостные свойства экоси­стем. Модели этого уровня учитывают и роль обратных свя­зей в функционировании систем.

При построении любой модели главная задача – создать модель достаточной полноты. Для этого  необходимо стремить­ся учесть все существенные факторы, влияющие на рассмат­риваемые явления; уделить специальное внимание наличию в ней противоречивых элементов, как одного из признаков полноты модели; учесть возможность появления неизвест­ных факторов, чтобы в случае необходимости дополнить мо­дель новым элементом.

Биология – одна из первых наук, в которой приоритетное значение приобрел системный подход в изучении природы, впервые в научной форме  использованный Ч. Дарвиным. Особенно широко используются системные идеи в экологии. На новую, более высокую ступень идеи системного подхода по­ставлены в учении В.И. Вернадского о биосфере и ноосфере, где научному познанию предложен новый тип объектов – гло­бальные системы. Такой глобальной экосистемой и является биосфера, объединяющая на основе иерархического принципа все экосистемы Земли более низких уровней.

 

Использованная литература

1.Бигон М., Харпер Дж., Таунсед К. Экология. Особи, популяции, сообщества. М., Мир, 1989

2.Вронский В.А. Прикладная  экология. Учебное пособие. Ростов  н/Д, Феникс, 1996

3.Гиляров А.М. Популяционная  экология. М., Изд-во МГУ, 2000

4.Защита окружающей среды  от техногенных воздействий. Учебное  пособие / Под общей ред. Г.Ф. Невской. М., изд-во МГУ, 2003

5.Миллер Т. Жизнь в  окружающей среде / Пер. с англ. Т.1. М., Прогресс-Пангея, 1993

6.Одум Ю. Экология. Т. 1-2. М., Мир, 1986

7.Розанов Б.Г. Основы  учения об окружающей среде.  М., Изд-во МГУ, 2004