Основные методы анализа и моделирования экологических процессов

Надорганизменные системы, которые изучает экология - - популяции, биоценозы, биогеоценозы, эко­системы, - - чрезвычайно сложны. В них наблюдает­ся огромное количество взаимосвязей, прочность и по­стоянство которых постоянно меняются. Одни и те же внешние воздействия могут привести к различ­ным, иногда прямо противоположным результатам, в зависимости от того, в каком состоянии находилась система в момент воздействия.

Предвидеть ответные реакции системы на действие конкретных факторов можно лишь через сложный ана­лиз существующих в количественных измерениях взаимоотношений и закономерностей.

1. мо­дель Вольтерра — Лотки - одна из первых экологических моделей. В любом биоценозе проис­ходит взаимодействие между всеми его элементами: особи одного вида взаимодействуют с особями и свое­го вида, и других видов. Эти взаимодействия могут быть мирными, а могут иметь связь типа «хищник -жертва». Было замечено, что численность хищнников колеблется в обратной пропорции относительно колебаний численности жертвы. Анализ этих колебаний позволил матема­тику Вито Вольтерра (1860-1940) вывести необходи­мые уравнения. Если бы в биоценозе было только два вида (очень большое упрощение), то даже в этом слу­чае динамика численности каждого из видов сильно отличалась бы от картины их независимого существо­вания.

2. Модель симбиоза Кроме ситуаций «хищник — жертва» и «конкурен­ция - сосуществование» может моделироваться си­туация «симбиоз». Модель симбиоза отражает коопе­рацию отдельных видов в борьбе за существование, когда один вид помогает или покровительствует дру­гому (кооперация пчел, кооперация деревьев). Мате­матические модели, построенные на устойчивость та­кой системы, показывают, что при достаточно боль­ших начальных значениях численности всегда будет происходить экспоненциальный рост популяций, что в определенных случаях соответствует действитель­ности.

3. модель Т. Мальтуса. Биосфера сформировалась по собственному плану, без участия человека. Сейчас происходит интенсив­ная перестройка природы в результате человеческой деятельности. Перед человечеством вырисовывается угроза голода, самоотравления, разрушения биологи­ческой основы наследственности. Для предотвраще­ния угрозы надо знать ее причины. В этих целях стро­ились глобальные экологические модели. Первой моделью прогнозирования расхода ресурсов была модель Т. Мальтуса (1798), который исходил из геометрического роста численности населения и арифметического роста средств существования. Пос­ледующий опыт проиллюстрировал упрощенность и ошибочность этого подхода.

4. динамическая модель Дж. Форрестера (1970) учитывает изменение населения, капи­тальных вложений, природных ресурсов, загрязне­ние среды, производство продуктов питания. Одним из результатов исследования Форрестера были графики расхода природных ресур­сов при стабилизации численности населения, фон­дов и «качества» жизни.

5. Группа Д. Медоуза (1972) построила динамичес­кую модель на базе пяти основных показателей: ус­коряющаяся индустриализация, рост численности на­селения, увеличение числа недоедающих, истощение ресурсов, ухудшение окружающей среды. Прогноз по модели Медоуза по различным вариантам показал, что вслед­ствие исчерпания природных ресурсов и растущего загрязнения в середине XXI века произойдет миро­вая катастрофа. Единственным вариантом для ее ис­ключения может быть стабилизация численности на­селения и объема промышленности, стимулирование капиталом развития сельского хозяйства.

6. Модель М. Месаровича и Э. Пестеля (1974) содержит более 100 тысяч уравнений, описываю­щих мировую систему как совокупность региональ­ных систем. Авторы выделили наиболее крупные страны (Япония, Россия, Китай, Вьетнам и др.) и регионы (Северная Америка, Западная Европа, Се­верная Африка и др.), 10 групп населения, 5 катего­рий машин, 2 разновидности сельскохозяйственного производства, 19 разновидностей промышленного ка­питала, 5 видов капитала в энергетике. На базе этой модели авторы рассмотрели различные сценарии раз­вития мировой системы.

7. математическая модель био­сферы «Гея» была разработана в конце 1970-х гг. под руководством Н.Н. Моисее­ва. Она состояла из двух взаимосвязанных систем. Первая описывала процессы, происходящие в атмосфере и океане. Вторая — круговорот веществ в природе. На базе модели «Гея» был выполнен расчет различ­ных сценариев изменения климата на планете под воздействием ядерного взрыва, извержения вулкана, создания крупного локального топливно-энергетичес­кого комплекса, изменения горного ландшафта.

Дата добавления: 2014-01-07