Системный подход и моделирование в экологии.

 

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.

Основные системные принципы: целостность, структурность, взаимозависимость системы и среды, иерархичность, множественность описания каждой системы. Целостность — обобщенная характеристика системы, свойства которой несводимы к сумме свойств ее элементов и невыводимы из этих свойств. Структурность — установление структуры и взаимозависимости структурных элементов, обусловленности поведения системы ее структурой. Взаимозависимость системы и среды выражается в формировании и проявлении ее свойств в результате этого взаимодействия (взаимодействие биоценоза и биотопа). Иерархичность — это когда каждый компонент системы может рассматриваться как самостоятельная система, а сама исследуемая система является составной частью более широкой системы.

Экосистемы - это сложные самоорганизующиеся и целенаправленные, со сложной иерархической структурой системы, требующие множественного описания каждой системы, что требует построения множества моделей.

Модель - 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.

Требования модели: 1) должна отражать лишь те особенности оригинала, которые выступают в качестве предмета познания, 2) должна быть адекватна оригиналу.

Этапы моделирования: 1) качественный анализ, 2) математическая реализация, 3) верификация, 4) изучение моделей.

I этап — качественный анализ — является основой любого объектного моделирования. На его основе формируются задачи и выбирается вид модели.

Деление моделей по способу построения: материальные и абстрактные. Материальные модели по своей физической природе сходны с оригиналом. Материальные модели используются обычно в технических целях и мало подходят для экологических проблем. Более подходящими для экологического моделирования являются абстрактные модели, представляющие собой описание оригинала в словесной форме или посредством символов и операций над ними, отражающих исследуемые особенности оригинала. Они подразделяются на три типа: вербальные, схематические и математические.

Вербальные модели — это формализованный вариант традиционного естественнонаучного описания в виде текста и иллюстраций. Схематические модели разрабатываются в виде различного рода схем, основные их достоинства — наглядность, информативность и простота построения. Математическая модель — это математическое описание оригинала, отражающее его целостность, структуру, динамику, функционирование и взаимосвязи оригинала, внешних и внутренних факторов воздействия.

По своему характеру выделяют модели: 1) Статическая модель отражает объект (систему), неизменяющий свое состояние во времени, а 2) динамическая модель отражает объект (систему), изменяющий свое состояние во времени.

II этап моделирования — это математическая реализация логической структуры модели. С точки зрения технологии применения математических методов, можно выделить модели: 1) Аналитическая модель — это построение теоретических концепций с применением строгого математического аппарата.  2) Численные (компьютерские) модели делят на имитационные и самоорганизующиеся. Имитационные модели отражают представления исследователя о взаимосвязях в экосистеме и как они реализуются. Самоорганизующиеся модели относятся к классу регрессионных уравнений, в них широко используются вероятностно-статистические методы расчетов.

III  этап моделирования предусматривает верификацию модели: проверку соответствия модели оригиналу. На этом этапе необходимо удостовериться, что выбранная модель отвечает второму требованию. Для этого проводится эмпирическая проверка — сравнение полученных данных с результатами наблюдений за оригиналом. При отсутствии эмпирических данных проводится теоретическая верификация — по теоретическим представлениям определяется область применения и прогностические возможности модели.

IV этап: 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 В.Д.Федоров и Т.Г.Гильманов предлагают разделить на модели популяционного, биоценотического и экосистемного уровней. Популяционные модели описывают особенности отдельных популяций, отражают их свойства и внутренние закономерности. Модели биоценотического уровня задаются как системы уравнений, отражающих динамику биоценоза как функцию плотностей составляющих его популяций. Модели экосистемного уровня - системы уравнений, в число аргументов которых включены внутренние переменные состояния, внешние факторы воздействия и целостные свойства экосистем.

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.