Экологическая система как объект математического моделирования - Математические методы в экологии
Любая единица (биосистема), включающая все совместно функционирующие организмы (биотическое сообщество) на данном участке и взаимодействующая с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот вещества между живой и неживой частями, представляет собой экологическую систему, или экосистему... Экосистемы представляют собой открытые системы, поэтому важной составной частью концепции является среда на входе и среда на выходе.
Рис. 1. Взаимосвязь компонентов экосистемы с окружающей средой
Важнейшее понятие - "сложность системы" может быть оценена на двух уровнях:
- - сложность на "структурном уровне", которая определяется числом элементов системы и связей между ними (морфологическая сложность); - сложность на "поведенческом уровне" - набор реакций системы на внешние возмущения или степень эволюционной динамики (функциональная сложность).
Определить, что такое "сложная система" на структурном уровне не представляется реалистичным, хотя большинство биологов интуитивно убеждены, что все экосистемы имеют морфологически сложное строение. Б. С. Флейшман предложил пять принципов усложняющегося поведения систем, представленных на схеме и позволяющих оценить функциональную сложность (рис. 2).
Сложность поведения систем первого уровня определяется только законами сохранения в рамках вещественно-энергетического баланса (такие системы изучает классическая физика). Особенностью систем второго уровня является появление обратных связей; определяющим для них становится принцип гомеостаза, что и задает более сложное их поведение (функционирование таких систем изучает кибернетика). Еще более сложным поведением обладают системы третьего уровня, у которых появляется способность "принимать решение", т. е. осуществлять некоторый выбор из ряда вариантов поведения ("стимул - реакция").
Рис. 2. Принципы усложняющегося поведения систем
Так, Н. П. Наумов показал, что возможен опосредованный через среду обитания обмен опытом между особями, поколениями одного вида и разными видами, т. е., по существу, обмен информацией. Системы четвертого уровня выделяются по наличию достаточно мощной памяти (например, генетической) и способности осуществлять перспективную активность или проявлять опережающую реакцию ("реакция - стимул") на возможное изменение ситуации - эффект преадаптации.
Наконец, пятый уровень сложности объединяет системы, связанные поведением интеллектуальных партнеров, предугадывающих многоходовые возможные действия друг друга. Этот тип поведения имеет отношение, в основном, к социальным аспектам взаимодействия "Человек - Природа".
Наконец, все свойства сложных систем делятся на простые (аддитивные; например, биомасса некоторого сообщества) и сложные (неаддитивные; например, устойчивость экосистемы).
Описание любой сложной системы состоит из трех компонентов: морфологической, функциональной и информационной.
Морфологическое описание должно давать полное представление о строении системы и представляет собой четверку конечных множеств:
Sм = {S--,--V,--s--,--K} ,
Где S--=--{--S i} - множество элементов и их свойств; V = { Vi } - множество связей; s - структура; K - композиция. Морфологическое описание, как правило, иерархично, причем уровень детализации (глубина описания) зависит от задачи, поставленной исследователем.
Под элементом понимается подсистема, внутрь которой морфологическое описание уже не проникает. Элементный состав может содержать однотипные (гомогенные системы) и разнотипные (гетерогенные системы) элементы.
Структурные свойства систем определяются характером и устойчивостью отношений между элементами. По характеру отношений между элементами структуры делятся на многосвязные и иерархические.
Композиционные свойства систем определяются способом объединения элементов в функциональные группы и соотношением этих групп.
Различают следующие группы элементов и подсистем:
- - эффекторные - способные преобразовывать воздействия и воздействовать веществом и энергией на другие подсистемы (например, техногенные компоненты экосистем); - рецепторные - способные преобразовывать внешние воздействия в информационные сигналы, передавать и переносить информацию (биоиндикаторные компоненты); - рефлексивные - способные воспроизводить внутри себя процессы на информационном уровне (измеряющие компоненты).
Функциональное описание. Сложная система, как правило, многофункциональна. Функции любой системы можно распределить по возрастающим рангам, примерно следующим образом:
- - пассивное существование (материал для других систем); - обслуживание системы более высокого порядка; - противостояние другим системам или среде (выживание); - поглощение других систем и среды (экспансия); - преобразование других систем и среды.
Функциональное описание системы, как и морфологическое описание, как правило, иерархично. Для каждого элемента, частной подсистемы и всей системы в целом функциональность задается набором параметров морфологического описания Х (включая воздействия извне), числовым функционалом Y, оценивающим качество системы, и некоторым математическим оператором детерминированного или стохастического преобразования Y, определяющим зависимость между состоянием входа Х и состоянием выхода
Y: Y = Y (X).
Как видно из приведенной выше схемы принципов усложняющегося поведения, функция отклика Y подсистемы верхнего уровня зависит от функций, описывающих внутренние процессы подчиненных подсистем.
Из общей теории моделирования физических систем принято выделять пять групп параметров с точки зрения способа их использования в моделях:
- 1. входные параметры - V = (v1,v2,...,vk), - значения которых могут быть измерены, но возможность воздействия на них отсутствует (применительно к моделям экосистем, к таковым можно отнести солнечную активность, глобальные климатические явления, неуправляемую хозяйственную деятельность человека и т. д.); 2. управляющие параметры - U = (u1,u2,...,ur), - с помощью которых можно оказывать прямое воздействие в соответствии с теми или иными требованиями, что позволяет управлять системой (к ним можно отнести ряд целенаправленных мероприятий по охране и восстановлению природной среды); 3. возмущающие (стохастические) воздействия - x--=--(x--1,x--2,...,x l), - значения которых случайным образом меняются с течением времени и которые недоступны для измерения, создавая дисперсию неучтенных условий или шум; 4. параметры состояния - X = (x1,x2,...,xn) - множество внутренних параметров, мгновенные значения которых определяются текущим режимом функционирования экосистемы и, в конечном итоге, являются результатом суммарного воздействия входных, управляющих и возмущающих факторов, а также взаимного влияния других внутрисистемных компонентов; 5. выходные (целевые или результирующие) параметры - Y = (y1,y2,...,ym) - некоторые специально выделенные параметры состояния (либо некоторые функции от них), которые являются предметом изучения (моделирования, оптимизации) и которые используются в качестве критерия "благополучия" всей экосистемы.
Похожие статьи
-
Экология (от греч. жилище, местопребывание и понятие, учение) -- наука, изучающая взаимоотношения организмов друг с другом и со средой их обитания....
-
Введение - Математические методы в экологии
Использование математических и информационных методов в экологии является непременным условием грамотного построения исследований и обработки информации...
-
Предмет и объекты изучения экологии Экология и история ее развития. Место экологии в системе естественных и социальных наук. Методы экологических...
-
Сопряженная эволюция (коэволюция) на внутривидовом и межвидовом уровнях характеризуется тем, что при ней обмен генетической информацией минимален. На...
-
В последние десятилетия в Европе уделяется большое внимание проблемам, связанным с образованием и утилизацией отходов, в частности твердых бытовых и...
-
Сукцессия (от лат. Successio -- преемственность, наследование) -- процесс саморазвития сообществ. В основе сукцессии лежит неполный биологический...
-
Некоторые исследователи придавали физическому окружению решающее значение в развитии личности. Известный социолог Питирим Сорокин в нескольких работах,...
-
Основными объектами потенциальной ядерной и радиационной опасности на территории Украины являются предприятия ядерно-топливного циклу (АЭС,...
-
ОБЪЕКТЫ ИЗУЧЕНИЯ И МЕТОДЫ ЭКОЛОГИИ - Экология и ее методы
Экология - это наука о взаимоотношениях живых существ между собой и с окружающей их природой, о структуре и функционировании надорганизменных систем....
-
В схемах пищевых цепей каждый организм бывает представлен как питающийся другими организмами какого-то одного типа. Однако реальные пищевые связи в...
-
В 1987г. за рубежом дополнительная добыча нефти за счет применения методов повышения нефтеотдачи составила 70.6 млн т, в том числе за счет тепловых...
-
Потребность в городском пассажирском транспорте возникает, когда в результате роста городов их территориальные размеры превышают зону пешеходной...
-
Автоматизированный контроль окружающей природной среды в пространстве и реальном времени в соответствии с заранее заготовленной программой называется...
-
Экосистемы и принципы их функционирования В современной науке доминирует системная парадигма. Исходя из этого, основным объектом изучения экологии...
-
Национальная система экологической сертификации - будущее России
В ходе длительного исследования проблем глобального потепления выяснилось, что современные города, а точнее здания -- один из главных источников...
-
Экологические факторы - Основы общей экологии
Неживая и живая природа, окружающая растения, животных и человека, носит название среды обитания. Множество отдельных компонентов среды, влияющих на...
-
Моделирование процессов природопользования. - Особенности системы управления природопользованием
Практически все науки, в том числе и природопользование, используют модели. Под моделью понимают материальный или мысленно представляемый объект, который...
-
Экология есть наука о родном доме человечества, об условиях обитания тех, кто его населяет. В более строгом определении экология -- комплексное научное...
-
Экологические факторы среды и их классификация - Общая экология
Множество отдельных элементов среды обитания, влияющих на организмы хотя бы на одной из стадий индивидуального развития, называются Экологическими...
-
Заключение - Единая система экологического мониторинга Российской Федерации
В заключение можно сделать следующие выводы: Все виды мониторингов включают три основные функции: наблю-дение за состоянием окружающей среды; оценка и...
-
При неблагоприятных факторах воздействия на сосудистую систему человека: магнитные бури, изменение климата и т. д. - возникают патологические...
-
Определение туризма и особенности экологического туризма - Влияние туризма на экологию
Туризм (от фр. Tourisme < Tour - прогулка, поездка) возник в тот период развития общества, когда человек перестал трудиться ради выживания, заботиться...
-
Завершается двадцатое столетие. Похоже, что человечество собственное уничтожение сделало своей целью и стремительно к ней движется. Никакой разум не...
-
Автомобильный транспорт является основным источником загрязнения атмосферного воздуха городов вредными веществами, шумом, инфразвуком. Он является также...
-
Объекты экологического нормирования - Экологическое нормирование
Объектом экологического нормирования являются: - отдельные природные компоненты или экосистемы в целом; - виды техногенного воздействия и их сочетания; -...
-
Уровни организации живых систем - Основы экологии
Экология изучает живые системы различных уровней организации в их взаимодействии со средой обитания. А что представляют собой живые системы? Что такое...
-
Как сказано выше, в настоящее время основные энергоресурсы, за счет которых обеспечиваются энер-гетические потребности человечества, это: органичес-кое...
-
Находясь в постоянном взаимодействии с природой, человек все острее ощущает необходимость налаживания таких взаимосвязей с окружающей средой, при которых...
-
Биогеоценоз широколиственного леса. - Экологические системы
Среди наземных биогеоценозов одним из наиболее сложных является широколиственный лес, например дубрава. Дубрава - совершенная и устойчивая экологическая...
-
Для данного исследуемого участка задается промышленный объект - асфальтобетонный завод. Технологический процесс асфальтобетонного завода Холодные и...
-
Управление транспортным процессом можно разложить на классические четыре составляющие: планирование, организацию, учет и контроль. Необходимость...
-
Создание информационно-аналитической системы управления общественным транспортом обусловлено необходимостью повышения экологической эффективности...
-
Понятие экологии настолько быстро стало входить во все сферы общественной жизни, что оно сейчас находится в своем становлении. Его объем и содержание...
-
Воздействие городского транспорта на экологию г. Рязани Город Рязань - один из крупнейших промышленных городов центрального региона России и...
-
В настоящее время применяют следующие методы ликвидации нефтяных загрязнений водных объектов: -механические, -физико-химические, -химические,...
-
Введение, Социально-бытовая среда, Городская среда - Экология жизненной среды
Жизненной средой Человека принято называть весь комплекс предметов и явлений окружающей природной и социальной действительности, с которыми он...
-
Основы демэкологии (экологии популяций), Вид и его экологическая характеристика - Общая экология
Вид и его экологическая характеристика Вид -- элементарная структурная единица в системе живых организмов, качественный этап в их эволюции. Это...
-
Виды систем и виды связей в системах - Основы экологии
Предметом изучения экологии являются живые системы, следовательно, важно познакомиться с общими положениями теории систем. Различают три вида систем: 1....
-
Вред природный нефтяной минимизация В качестве основных направлений деятельности этой группы методов минимизации воздействия производств на окружающую...
-
Заключение - Социальная экология: задачи, объекты, функции и значения в современном мире
Итак, объектом социальной экологии выступает взаимоотношения в системе "общество-природа", предметом - система принципов, законов, категорий, касающихся...
Экологическая система как объект математического моделирования - Математические методы в экологии