Введение в методы изучения экологииЕсли по уже изложенным причинам изучении экологии,экология должна изучать уровень экосистемы, то какими же методами следует воспользоваться, чтобы постичь эту многообразную и сложную форму организации? Мы начнем изучение с описания упрощенных версий, охватывающих только самые важные, основные свойства и функции. Так как в науке упрощенные версии реального мира называют моделями, надо определить здесь это понятие. О моделях
Модель — это абстрактное описание того или иного явления реального мира, позволяющее делать предсказания относительно этого явления. В своей простейшей форме модель может быть словесной или графической (неформализован¬ной). Однако если мы хотим получить достаточно надежные количественные прогнозы, то модель должна быть статистической и строго математической (формализованной). Например, математическое выражение, описывающее изменения численности попу¬ляции насекомых и позволяющее предсказывать эту численность в любой момент времени, следует считать моделью, полезной с биологической точки зрения. А если рассматриваемую популя¬цию составляет вид-вредитель, то эта модель приобретает еще и экономическое значение.
Модели, созданные на ЭВМ, позволяют получать на выходе искомые характеристики при изменении параметров модели, добавлении новых или исключении старых. Иными словами, возможна «настройка» математической модели с помощью ЭВМ? позволяющая усовершенствовать ее, приблизив к реальному явлению. Наконец, модели очень полезны как средство интеграции всего того, что известно о моделируемой ситуации и, следовательно, для определения аспектов, нуждающихся в новых или уточненных исходных данных или же в новых теоретических подхо¬дах. Если модель не работает, т. е. плохо соответствует реальности, необходимые изменения или улучшения могут быть подсказаны ЭВМ. Если же оказывается, что модель точно имитирует действительность, то вы получаете неограниченные воз-можности для экспериментирования: в нее можно вводить новые факторы или возмущения, с тем чтобы выяснить их влияние на систему. Даже в случае не совсем точного соответствия модели реальному миру, что часто бывает на ранних стадиях ее разработки, модель все же остается крайне полезной для обучения и проведения исследовательских работ,поскольку она выделяет ключевые компоненты и взаимодействия, заслуживающие особого внимания.
Вопреки мнению многочисленных скептиков, с сомнением от-носящихся к моделированию сложной природы, можно утверждать, что информация даже об относительно небольшом числе не,ременных служит достаточной основой для построения эффектив-ных моделей, поскольку каждое явление в значительной степени управляется или контролируется ключевыми, эмерджентными или интегративными, факторами, о которых говорилось в разд. 2 и 3. Уатт, например., утверждает, что «для построения удовлетворительных математических моделей не нужно необъят-ного количества информации об огромном множестве переменг ?ных». Математические аспекты моделирования рассматриваются
жает углеводороды, a ft — окислы азота, два типа химических соединений, содержащихся в выхлопных газах автомобилей. Под действием движущей силы — энергии солнечного света Е — они реагируют между собой и дают смог Рз. В этом случае взаимо¬действие оказывает синергический, усиливающий эффект, так как Ръ более опасен для здоровья людей, чем Pi или Рг, действующие порознь.
энергию Е в пищу. В этом случае Ръ обозначает растительнояд¬ное животное, поедающее растения, а Рз — всеядное животное, которое может питаться либо растительноядными, либо растения¬ми. Тогда взаимодействие / может представлять несколько возможностей. Эта модель может быть «случайный» переключатель, если наблюдения в реальном мире показали, что всеядное животное Ръ питается Р\ и Рч без разбора в зависимости от их доступности. Или же / может иметь постоянное процентное значение, если обнаружено, что рацион Ръ состоит, скажем, на 80% из растительной и на 20% из животной пищи независимо от того, каковы запасы Р\ и Рг. Либо / может быть «сезонным» переключателем в том случае, если Ръ питается растениями в один сезон года и животными — в другой. Наконец может быть пороговым пере¬ключателем, если Ръ сильно предпочитает животную пищу и переключается на растения только тогда, когда уровень Рг падает ниже определенного порога модели.
Обобщенная модель системы с входом (Z) и выходом (У).
Состояние и поведение системы во времени зависит от взаимодействие внешних сигналов, поступающих на вход, с сигналами на выходе, образующими петлю обратной связи.
нейную структуре
Общая модель системы с внутренней петлей обратной связи показана на рис. 1.4. Два типа входных сигналов, внешний (Z) и внутренний (ZX), действуют на рассматриваемую единицу, под-держивая ее состояние или через какое-то время переводя ее в новое состояние и производя новые сигналы на выходе. Теоретически эта внутренняя модельная петля имеет тенденцию поддерживать организованное состояние, несмотря на нарушающие внешние воздействия.
Характеристика хорошей модели должна включать три ком-понента: 1) анализируемое пространство (границы системы), 2) субсистемы (компоненты), считающиеся важными для общего функционирования, и 3) рассматриваемый временной интервал. После того как мы правильно определили экосистему, экологиче-скую ситуацию или проблему и установили ее границы, мы вы-двигаем доступную для проверки гипотезу или серию гипотез.
которую можно принять или отвергнуть хотя бы предварительно, ожидая результатов дальнейших экспериментов или анализа. Более подробные сведения об изучение экологии способом модели можно найти в работах Холла и Дэя, а также Медоуза.
В последующих главах разделы, озаглавленные «Определения модели», являются, в сущности, «словесными моделями» рассматриваемых экологических принципов. Во многих случаях даются также графические модели, а в некоторых случаях включены и упрощенные математические выражения. Эта книга нацелена прежде всего на то, чтобы сформулировать принципы, объяснить своество изучения экологии способом модели упрощения и абстракции, к которым приходится сводить явления реального мира, чтобы научиться понимать ситуации и проблемы д справляться с ними или строить их математические модели.
|
