Системный подход в экологии; принципы количественного описания и элементы математического моделирования динамических систем

 

 

 

 

Общая экология

Тема 2

 

Системный подход в  экологии; принципы количественного  описания и элементы математического  моделирования динамических систем

 

 

 

 

Типы систем в экологии:

 

живые

организмы

Биологические системы

 

газовая фаза

жидкая фаза

твердая фаза

Биокосные системы

 

G

 

E

 

F

 

F

 

F,G,E –потоки веществ, энергии,  информации, физические поля

 

 

 

 

Задачи исследований и границы выделения системы во времени и пространстве; целостность системы; принцип эмерджентности:

 

1 подход: Объект - организм (биосистема) – целостная система в собственных границах и с собственным характерным временем существования. Все остальное – внешняя (по отношению к границам организма) или окружающая среда (факторы среды)

 

2 подход: Объект - экосистема (биокосная система) –система объединяющая организмы и косные компоненты ближайшего окружения, представленные твердой, жидкой и газовой фазами. Как провести границы чтобы отделить такую систему от внешнего окружения? Где временные рамки? По-видимому, главный принцип - выделение системы не должно нарушать ее целостности. При исследованиях на различных соподчиненных уровнях , решении задач отдельных дисциплин можно изучать отдельные компоненты экосистемы. Но при этом следует помнить о принципе эмерджентности; целое не есть совокупность компонентов, у целого появляются новые качества и целое это связи между компонентами, от которых зависят сами компоненты.

 

 

 

 

Почва и фитоценоз (сообщество  растений) образуют целостную биокосную  систему более высокого порядка  – биогеоценоз (наземную экосистему)

Нелинейность, замкнутость (по  веществу) таких систем наличие  взаимообусловленных прямых и обратных связей не позволяют управлять продуктивностью (урожаем) их компонентов (фитоценоза, почвы…), прогнозировать динамику и устойчивость только на основе изучения отдельных «элементарных» процессов и факторов внешнего воздействия.

 

 

 

Почва и биогеоценоз (целостная  биокосная система)

 

 

 

 

Задачи исследований и границы выделения системы во времени и пространстве; целостность системы; принцип эмерджентности:

 

В.Н.Сукачев «Лишь при изучении  биогеоценоза как целого мы  в полной мере можем выявить  место фитоценозов в природе  и их роль в превращении  веществ и энергии…изучение жизни  фитоценоза не может быть оторвано  от изучения биогеоценоза как  целого»

 

А.А. Роде «Почвообразовательный  процесс нельзя считать процессом  самостоятельным, независимым, ввиду  того, что часть биологического  цикла миграции веществ, как важнейшего  элемента почвообразования протекает  вне почвы. Это обстоятельство  ничуть не умаляет «самостоятельности»  почвы как объекта исследования. Тезис В.В. Докучаева о том, что  почва есть самостоятельное естественно-историческое  образование означает, что ей  присущи совершенно особые, специфические, ни в каких других природных  телах не встречающиеся процессы  и явления. Но надо ясно понимать, что эти специфические, присущие  только почве процессы и явления, могут идти лишь при взаимодействии  почвы с другими природными  телами – компонентами биогеоценозов».

 

 

 

 

Концептуальные принципы выделения  систем в разных научных направлениях:

 

Антропоцентризм. Человеческий фактор стал определяющим по силе воздействия на биосферу и ее компоненты. Природных экосистем практически не осталось. С другой стороны и изучаем и изменяем природу мы в своих интересах – отсюда необходимость включения человека с его арсеналом организующих и разрушающих природу средств в состав биокосных систем на правах компонента (антропоэкеосистема, антропосфера) или в список внешних факторов организации биокосных единств Земли (агроэкосистемы, урбосистемы, ноосфера…).

 

Биоцентризм. В основе организации биокосного единства – ведущее значение принадлежит внутреннему биологическому фактору: средообразующая деятельность взаимодействующих живых организмов (биоценоза) и обратное влияние со стороны абиотических компонентов (экотопа). Биогеоценоз это экосистема в границах фитоценоза. Поскольку круговорот веществ определяется потоком лучистой энергии – естественные границы – по ареалу однородного фитоценоза, автотрофного блока, улавливающего эту энергию и трансформирующего ее в биомассу. (биогеоценоз, экосистема, биосфера)) Типично для биогеоценологии, системной экологии, учения о биосфере…

 

Равенство факторов. В природе все факторы и компоненты равнозначны и биотические и абиотические как на низшем уровне организации (ландшафт, геосистема), так и на глобальном (географическая оболочка). На деле здесь чаще всего умаляется роль живых организмов и превозносятся абиотические факторы (космические и геодинамические) в организации и динамике геосистем различного уровня. Типично для географических и геологических учений (ландшафтоведения, физ. географии, учения о геосистемах, географической оболочке,факторного генетического почвоведения …

 

 

 

 

Концептуальные принципы выделения  систем в разных научных направлениях:

 

ГРАНИЦЫ В ПРОСТРАНСТВЕ: Выделение объекта и проведение соответствующих границ диктуется целью исследования. Например, если исследователя интересует структура связей, перенос и трансформация веществ и энергии в биогеоценозе (БГЦ), границы этой биокосной системы в пространстве совпадают с границами ее автотрофного блока ― фитоценоза, поскольку существование остальных подсистем напрямую зависит от поступления веществ и энергии, продуцируемых растениями. Выделение почвенного индивидуума, как биокосной системы формально проводится в вертикальном направлении по двум границам ― верхней, с атмосферой, и нижней ― с грунтовыми водами. Латеральное расчленение удобно проводить по границам биокосной системы более высокого ранга ― БГЦ или его структурных элементов (парцелл). Во всех случаях, независимо от цели исследования, проведение границ не должно нарушать целостности биокосного единства, что, кстати, типично для представителей географического направления в естествознании, отрицающих принцип биоцентричности. Например, лесной биогеоценоз, выделенный по границам доминирующего на данной территории типа леса ― целостная система, способная к самоорганизации и устойчивому функционированию. Урочище или фация, выделенные по границам рельефа местности или доминирующей материнской породе будут целостными лишь в том случае, если эти границы совпадут с границами господствующего типа растительности и связанных с ним единой трофической цепью зоо- и микроценозов. В противном случае, это лишь абстрактные категории для географического описания распространения (встречаемости на данной территории) тех или иных объектов, но не для анализа закономерностей их функционирования.

 

 

 

 

Концептуальные принципы выделения  систем в разных научных направлениях:

 

ГРАНИЦЫ ВО ВРЕМЕНИ: Границы существования биокосной системы во времени, опять таки целесообразно выделять по принципу биоцентричности. Это не означает, что с гибелью определенного поколения биокосная система перестает существовать. Напротив, генетическая информация, передающаяся от поколения к поколению, определяет однотипность и устойчивость функционирования системы, имеющей поэтому больший масштаб характерного времени существования. Смена одних биоценозов другими неминуемо ведет к смене режимов функционирования биокосной системы и, соответственно, ее экологического состояния. При этом, благодаря инертности твердой фазы почвы, определяющей ее морфологические характеристики, создается впечатление, что никаких изменений не произошло. Возникает довольно распространенная ситуация ― на "одной и той же почве ― два типа растительности". Ошибка становится очевидной, если вспомнить, почва не просто органоминеральная субстанция, а биокосное тело со своим "живым веществом" в виде микробо- и зооценозов. Последние довольно быстро реагируют на смены в автотрофном блоке БГЦ, приспосабливаясь к новому режиму функционирования и влияя на него через функции утилизации органической материи и снабжение растений минеральными веществами. Поэтому морфологические особенности почвы как физического субстрата, далеко не всегда отражают особенности ее функционирования как биокосного тела в текущий момент времени.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Экология – количественная наука, принципы количественного описания  систем:

 

Наиболее общие (универсальные) связи, характерные для всех объектов природы или ее больших множеств составляют теоретическую базу науки о природе – ее фундаментальные законы и принципы. (например – закон сохранения вещества и энергии). Менее универсальные законы характерны для определенных классов объектов и явлений и являются теоретической базой отдельных отраслей науки (например закон состояния идеального газа, характерный для большинства газообразных веществ природной среды). Наконец существуют индивидуальные зависимости, характерные лишь для данного объекта и для их получения требуется как правило экспериментальное исследование (зависимость дыхания почвы от температуры и влажности). Развитие точных наук идет по пути селекции (отбора) наиболее универсальных, значимых связей и отношений, составляющих фундамент науки и позволяющих характеризовать класс объектов при минимизации экспериментальных исследований.

 

 

После обособления (выделения) системы  в координатах пространства (x,y,z) и времени (t), необходимо определить показатели состояния системы (переменные, параметры). Чаще всего при этом используются интенсивные показатели (то есть не зависящие от количества вещества). Они могут быть первого рода (температура, давление), или второго – удельные (нормированные) характеристики, являющееся комбинацией двух или более экстенсивных величин, зависящих от количества вещества. Например, численность организмов (популяции) – N – экстенсивная величина, а ее интенсивный аналог – плотность популяции – отношение численности к площади (ареалу), который занимает популяция (S): С=N/S. Аналогично, характеристики абиотических факторов – например, влажность почвы (W) – отношение экстенсивных величин – массы воды (m^l) и массы твердой фазы почвы(m^S): W= m^l/ m^S.

 

Между показателями системы  устанавливаются связи (отношения), которые могут быть формализованы в виде графических, функциональных, логических зависимостей и иных способов выражения. Эти связи формируют структуру объекта и являются основным предметом изучения. В простейшем случае связи представляют собою линейные зависимости (пропорциональность типа У=аХ+в, где У,Х – показатели системы (факторы)). Однако в природе линейные связи достаточно редки, а доминируют – нелинейные отношения. Линейные связи –допущение, возникающее на начальных стадиях и при ограниченных масштабах изучения объекта в качестве первого приближения. По направленности различают прямые (воздействие компонента А на компонент Б) и обратные (реакция компонента Б на воздействие А) связи.Наличие в системе прямых и обратных связей является предпосылкой ее целостности и самоорганизации.

 

 

 

 

Примеры связей и их формализации  в экологии: (ЛИНЕЙНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ)

 

 

 

 

Примеры связей и их формализации: (ГРАФИЧЕСКИЕ ЗАВИСИМОСТИ - РАСПРЕДЕЛЕНИЯ)

 

 

 

 

Влияние влажности и  температуры на дыхание почвы (интенсивность биодеструкции)

 

Примеры связей и их формализации: (НЕЛИНЕЙНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ)

 

 

 

 

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ДИНАМИКА  систем и ее количественные  показатели:

 

      C =С_²-С_¹ -  изменение интенсивного показателя С

                           за интервал времени  t=t_²-t_¹.

 

      C -  изменение интенсивного показателя С по мере изменения расстояния  по пространственным координатам  х,  у,  z .

 

С¹

 

С²

 

х

 

t

 

C

 

C

 

t

 

U= C /t

 

      К -  проводимость среды (величина показывающая насколько хорошо среда проводит данный поток. К=1/R, R – сопротивление среды)

 

 

 

 

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ДИНАМИКА  систем и ее количественные  показатели:

 

  Линейные и нелинейные системы: Если скорости изменения в системе прямо пропорциональны самим интенсивным свойствам: U=dC/dt=kC, а потоки – градиентам: q=-KgradC, k, K=const, такие системы относятся к линейным.

 

            Линейные феноменологические уравнения переноса:

 

 

 

 

 

 

 

 

Процесс переноса

 

 

Уравнение

 

 

Показатели состояния

 

 

Название закона

 

 

1. Движение тепла

 

 

q= λgradT

 

 

Т температура

λ κоэффициент теплопроводности

 

 

З-н Фурье

 

 

2. Диффузия веществ

 

 

q=DgradC

 

 

С  концентрация

D  κоэффициент диффузии

 

 

З-н Фика

 

 

3.Электричес- 

   кий ток

 

 

q= (1/R)gradU

 

 

U напряжение

R сопротивление проводника

 

 

З-н Ома

 

 

4. Фильтрация воды в пористых  средах

 

 

q= K^ФgradP

 

 

Р  гидравлический напор

K^Ф κоэффициент фильтрации

 

 

З-н Дарси

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ДИНАМИКА  систем и ее количественные  показатели: