П.5. Системный подход и моделирование 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 не сводятся к сум­ме свойств ее элементов и не выводятся из этих свойств (целостность организмов более полной будет в популяции, популяции – в биоце­нозе и т. д., т.е., в соответствии с определением эмерджентности, свойства каждой системы не сводятся к свойствам ниже стоящих).

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 их 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, являются центральной процедурой систем­ного анализа.

Модель – это вспомогательный объект, находящийся в опреде­ленном объективном соответствии 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, и 2) она должна быть адекватна оригиналу (иначе представления о нем будут искажены). Сам процесс моделирования 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, т. е. натурными моделями (метод пробных участков). Ма­териальные модели используются обычно в технических целях и мало подходят для экологических проблем. Более подходящими здесь 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». 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 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 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.