Лекция 2-2-1

Задачи математического (имитационного) моделирования в морской экологии (на фоне истории моделирования)

Развитие и совершенствование методов океанологических исследований, включающих все области морской науки (физику, химию, биологию, геологию), а также смежных наук – гидробиологии, биофизики, биохимии, биогео- и гидрохимии, определило тот факт, что в течение 1920-1960-х гг. был накоплен огромный фактический материал, отражавший различные аспекты функционирования морских экосистем. Естественно, что в этих обстоятельствах возникла необходимость систематизировать и обобщить полученные данные, формализовать имеющиеся представления в виде математических моделей с целью прогнозирования изменения свойств природных вод по основным химическим и биологическим показателям.

На первых этапах систематизации в 1920-1930-е гг. исследовались интегральные показатели трансформации веществ в природных водах и состояния водоемов с использованием моделей, воспроизводящих режим растворенного кислорода в зависимости от содержания легко разлагаемого органического вещества (ОВ) в единицах химического или биологического потребления кислорода (соответственно ХПК и БПК). Кроме того, уделялось внимание изучению трофических межпопуляционных взаимоотношений организмов (типа хищник-жертва).

ОПРЕДЕЛЕНИЯ:

Биологическое потребление кислорода – син. биохимическое – количество кислорода, потребляемое при биохимическом окислении содержащихся в воде веществ в аэробных условиях (т.е. при наличии кислорода. А на эробные условия, это – без кислородная среда).

Химическое потребление кислорода – количество кислорода, потребляемое при химическом окислении содержащихся в воде органических и неорганических веществ действием окислителей.

Произошедшие в 1940-1960-х гг. изменения в характере водопотребления и объемах сбросов загрязненных сточных вод, загрязнении отдельных водоемов и росте степени их трофности, поставили экологов перед необходимостью разработки мероприятий по охране природных вод, контролю их качества и прогнозу перспектив изменчивости их состояния под влиянием хозяйственной деятельности. При этом оказалось, что при интенсивном антропогенном воздействии и сложном составе загрязняющих веществ (ЗВ) интегральные показатели качества морской воды оказываются малоинформативными для решения поставленных задач. Исследования отдельных форм существования материи недостаточно для понимания особенностей формирования и трансформации состава компонентов водной среды. Адекватное решение поставленных задач возможно только в рамках комплексного, системного подхода.

Системный анализ позволяет применять накопленные в разных естественных науках знания для познания закономерностей изменения состояния экосистем и решения практических задач рационального использования и охраны биоресурсов в комплексе. Эффективным инструментом для изучения и управления водными экосистемами в этом случае является математическое моделирование.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ:

Трофность – син. биологическая продуктивность водоема (БПВ) – способность сообщества, населяющего водоем, поддерживать определенную скорость воспроизводства биомассы входящих в его состав живых организмов.

Биомасса – (греч. bios – жизнь и лат. massa – ком, кусок), суммарная масса всех организмов на Земле, в отдельных экосистемах, группе видов и т.д.

Изменения трофности происходит по трофическим цепям.

Трофические цепи – это взаимоотношения между организмами, через которые в экосистеме происходит трансформация вещества и энергии;

- группы особей (бактерии, грибы, растения, животные), связанные друг с другом отношением пища-потребитель;

- другими словами, происходящая путем поедания одних организмов другими.

Трофические цепи подразделяют на два основных вида: пастбищная и детритная.

В пастбищной т.ц. (цепь выедания) – основу составляют автотрофные организмы (или живое вещество растений), затем идут потребляющие их растительноядные животные – фитофаги – (напр., фитопланктон – зоопланктон), потом хищники (консументы) 1-го порядка (рыбы, питающиеся зоопланктоном), далее хищники 2-го порядка (напр., судак, питающийся рыбами) и т.д. При переносе энергии по трофической цепи большая ее часть (80-90%) теряется, переходя в тепло, поэтому длина т.ц. ограничена 4-5 звеньями. Если представить это соотношение количественно, то получится пищевая пирамида.

В детритных т.ц. (цепь разложения) большая часть продукции растений не потребляется непосредственно растительноядными животными, а отмирает, и потребляется бактериями и животными детритофагами.

Детрит – (лат. detrtus – истертый) – мертвое органическое вещество (опавшие листья, сучья и др. остатки растительного и животного происхождения), присутствующее в любой экосистеме и подвергающиеся разложению под воздействием почвенных и водных организмов.

В свою очередь, отдельные звенья трофической цепи – трофические уровни – состоят из организмов со сходным составом потребляемой пищи.

Мерой трофности (или БПВ) служит величина продукции биомассы.

Продукция биомассы – (или биологической продукцией) называют биомассу, производимую за единицу времени (обычно за год).

Продуктивностью биомассы – называют продукцию биомассы, производимую на единицу площади (км², м² и т.д.).

Материально-энергетическую основу трофности (или БПВ) составляет первичная продукция, т.е. скорость новообразования биомассы автотрофами, аккумулирующими солнечную энергию в процессе фотосинтеза.

Первичная продукция – биомасса, производимая продуцентами за единицу времени.

Продуценты (от лат. создающий ) – атотрофные организмы, производящие органическое вещество из неорганического с помощью фотосинтеза или хемосинтеза.

Автотроф – организм, синтезирующий из неорганических органические вещества с использованием энергии Солнца – это в основном зеленые растения (зеленые сосудистые на суше и фитопланктон (микроскопические водоросли) в воде – он же – продуцент).

Хемотроф – организм, синтезирующий из неорганических органические вещества с использованием энергии химических реакций – это некоторые бактерии.

Вещества и энергия, запасенные автотрофами, по трофическим цепям передается к последующим трофическим уровням гетеротрофов.

Гетеротроф(ы) – (от греч. heteros – иной и trophe- пища, питание) – организм(ы), использующий для питания только или преимущественно органические вещества.

Консумент(ы) (от лат. consumo – потребляю) – то же, что гетеротроф(ы) – питающиеся органическими веществами, созданными другими организмами – это в системе классификации продуценты-консументы.

А замыкают цепочку консументов – редуценты – организмы, главным образом бактерии и грибы, потребляющие остатки органического вещества и превращающие их в неорганические.

Скорость образования биомассы гетеротрофов называют вторичной продукцией.

Вторичная продукция – биомасса, произведенная консументами в единицу времени, т.е. только организмами, потребляющими органическое вещество.

К примеру. Млекопитающие за свою жизнь съедают 100 свои масс пищи и производят животную продукцию, равную 10 своим массам (прирост массы, обмен клеток, молоко, шерсть, масса рожденных детенышей).

Человек за свою жизнь съедает 400 своих масс пищи и производит 10 масс вторичной продукции.

Фотосинтез – химический процесс, идущий в зеленых растениях под действием световой энергии с образованием из двуокиси углерода и воды глюкозы и выделением кислорода как побочного продукта.

Изучение БПВ (трофности) – необходимая основа рационального использования, охраны водоемов и обеспечения воспроизводства их биологических ресурсов.

В комплексе химико-биологических процессов, развивающихся в морской среде, особое внимание при моделировании уделяется механизмам, определяющим трансформацию и биогеохимическую цикличность элементов, входящих в состав живого вещества (С, N, P, S, Si). При этом на первых этапах моделирования внимание акцентировалось на скоростях снижения концентраций химических веществ, утилизации и последовательных превращений субстратов сообществом организмов, а также на скорости и механизмы трансформации химических веществ. В результате решались важные практические задачи получения количественной информации об изменениях во времени и пространстве химических и биологических характеристик морской экосистемы в зависимости от интенсивности воздействия на нее факторов среды обитания (температура, освещенность, прозрачность, водный режим, биогенная нагрузка), а именно:

1. Оценивали способность морской экосистемы к самоочищению и разрабатывали рекомендации для создания наиболее эффективных условий для этого процесса;

2. Составляли балансы веществ в природных водах с учетом обменных потоков на границах раздела фаз вода - атмосфера, вода - дно, а также поступления веществ с водами притоков и с атмосферными осадками, потери веществ при выносе их водными массами из водоемов;

3. Устанавливали роль естественных и антропогенных процессов в круговороте биогенных веществ в морских экосистемах и на этом основании разрабатывали мероприятия по охране водных ресурсов, оценивали запасы природных вод, потенциал их качества, определяли способы контроля загрязнения и механизмы очистки вод;

4. Оценивали запас биогенных элементов в природных водах, их пространственную и временную изменчивость под влиянием процессов потребления планктонными организмами и регенерации при деструкции ОВ. Также исследовали основы формирования первичной продукции водоемов и их биологической продуктивности для высших трофических уровней;

5. Изучали поведение сообществ организмов и распределение морских биоценозов в морской среде, особенности вертикальной неоднородности и горизонтальной мозаичности полей гидробионтов [Винберг, 1966], устанавливалась роль хищников в регуляции фотосинтетической активности фитопланктона [Винберг, Анисимов, 1969].

6. Изучали вертикальную структуру сообществ микроорганизмов – биомасс разных групп фито- и зоопланктона, детрита в тропической зоне океана [Vinogradov et al., 1972], в пелагиали Японского моря [Меншуткин и др., 1974], в пелагиали Перуанского апвеллинга [Флейшман, Крапивин, 1974].

7. Исследовали причины активизации (вспышек) развития биологических сообществ [Петровский и др.,1998], инвазии новых для экосистем видов организмов (нововселенцев) [Практическая экология…, 1990], цветения определенных групп водорослей.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ:

Биоценоз (от греч. bios – жизнь и koinos – общий) – 1) совокупность животных, растений, грибов и микроорганизмов, совместно населяющих участок суши или моря. 2) совокупность организмов, населяющих один биотоп и образующих скоррелированное сообщество, состоящее из продуцентов и консументов. (В районах хозяйственной деятельности человека биоценоз, как правило, нарушен).

Биотоп (от греч. bios – жизнь и topos – место) – Участок водоема или суши с однотипными условиями рельефа, климата и других абиотических факторов, занятый определенным биоценозом.

При изучении комплекса гидродинамических процессов, развивающихся в морской среде, основное внимание при математическом моделировании состояния морских экосистем уделяется задачам горизонтального и вертикального переноса загрязняющих веществ, установлению условий формирования и распада скоплений морских организмов (фито- и зоопланктона, пелагических и донных промысловых объектов), перераспределения жизни по вертикали [Меншуткин, Финенко, 1975].

В настоящее время актуальными задачами математического моделирования биогеохимических процессов в морских экосистемах являются:

- изучение скоростей химико-биологических процессов,

- круговорота веществ в природных водах,

- условий формирования биологической продуктивности водоемов,

- оценка балансов соединений органогенных элементов в водной среде,

- а также комплексное изучение процессов химического обмена на границах раздела вода - атмосфера и вода – дно и химико-биологической трансформации веществ в водной среде и в донных осадках.

Дата добавления: 2014-01-07