Моделирование гипотез развития экосистем - Анализ популяции живых организмов в экосистеме
Отношения между живыми организмами в экосистеме характеризуются отношениями типа "хищник -- жертва". Для популяции живых организмов характерны определенные устойчивые пропорции или колебания в численности, если на них не оказывают влияние неожиданные факторы: стихийные бедствия, вмешательство человека. Описание процессов, которые происходят в природе, подчас весьма сложны, и ученые рассматривают, предлагают и отвергают различные гипотезы, объясняющие анализируемые явления. Например, колебания в численности в популяции рыси в Канаде соответствуют колебаниям численности их основной жертвы -- зайца-беляка.
Данные конторы Гудзон-Бей Компани позволяют анализировать численность популяции обоих животных за длительный период времени (рис.1). Базируясь на том, что колебания численности хищников и жертвы нередко тесно связаны между собой, некоторые ученые-экологи выдвинули гипотезу, в соответствии с которой увеличение популяции зайцев сопровождается увеличением популяции рыси, которая в конце концов достигает такой плотности, что популяция зайца не может выдержать давление рыси и начинает сокращаться. Вслед за этим численность рыси также сокращается. Когда рыси становится мало, популяция зайца вновь восстанавливается и цикл возобновляется.
Рис. 1. Циклические колебания численности зайца-беляка и рыси в районе Гудзонова залива
Такая гипотеза может быть отображена в виде знакового графа (рис. 2). Здесь в виде кружков отображается численность рыси и зайца-беляка, а в виде стрелок - воздействия одного показателя на другой.
Рис. 2. Отображение гипотезы взаимного регулирования популяции рыси и зайцев
Знак "--" на дуге от вершины "Рысь" к вершине "Заяц" показывает, что рост популяции рыси уменьшает популяцию зайцев. Обратная дуга имеет знак "+", что означает фиксацию факта влияния увеличения числа зайцев на увеличение популяции рыси. Таким образом, на рис. 2 изображен знаковый ориентированный граф (орграф). С помощью построенного знакового орграфа можно выяснить важные свойства изучаемой экосистемы. Конечно, это исследование будет носить предварительный характер, но наша задача -- оценить справедливость высказанной гипотезы и определить тенденции развития такой экосистемы.
Для моделирования на основе знакового орграфа следует воспользоваться импульсным процессом. Если увеличение показателя принять за 1 балл и начальное увеличение дать популяции зайцев, то в следующий момент популяция рыси увеличится также на единицу за счет передачи начального импульса в размере единицы от зайцев к рыси по дуге, имеющей знак "+". Далее увеличение рыси должно быть передано показателю зайцев. Поскольку дуга, соединяющая показатель "Рысь" и показатель "Заяц", имеет знак "--", то популяция зайцев уменьшится на единицу и будет равна нулю. Процесс будет продолжаться циклично. Динамика экосистемы "Рысь -- Зайцы" показана на рис. 3.
Рис. 3. Тенденция изменения взаимного регулирования численности популяции рыси и зайцев (на базе знакового орграфа -- рис. 2).
Модель демонстрирует гипотезу, выдвинутую рядом ученых. Величины изменения популяции даны в баллах, поскольку слишком грубая модель влияния не дает возможности численно оценить изменения популяции. С помощью приведенной модели и рассчитанных графиков можно лишь получить подтверждение гипотезы о наличии колебаний в обеих популяциях. Однако данной гипотезе многое противоречит:
- * популяция рысей не может увеличиваться с такой скоростью, чтобы вызвать сокращение популяции зайца; * на некоторых островках, где рыси нет, наблюдаются такие же колебания численности зайца-беляка, как и на материке.
Другая гипотеза заключается в том, что циклы численности популяции зайцев вызваны периодическим снижением качества и количества растений, которыми питается заяц, что в свою очередь вызывает сокращение популяции этих животных, создавая возможность для восстановления растительности после ее чрезмерного выедания. Колебания численности рыси пассивно следуют за циклическими изменениями популяции их жертвы. В этом случае можно построить иную модель на базе знакового орграфа (рис.4)
Рис. 4. Знаковый орграф, отображающий гипотезу колебаний численности зайцев вследствие периодического изменения количества и качества растений
Для того чтобы выяснить тенденцию изменения популяции животных с помощью построения орграфа, следует задать начальные изменения (импульс) для активизирующего эту экосистему показателя. Исходя их логики гипотезы, таким живым организмом являются растения. Пусть их начальным значением будет 1 балл. В такой ситуации можно исследовать динамику функционирования экосистемы и получить график, приведенный на рис.5.
Рис. 5. Динамика экосистемы, изображенной на рис. 4.
В приведенной на рис. 5 модели количество растений регулируется зайцами. Однако в высказанной учеными гипотезе есть предположение об изменении количества и качества растений под воздействием различного набора факторов -- климатических, биологических и прочих. Разделим все факторы на благоприятные (Ф+) и неблагоприятные (Ф--). В таком случае модель экосистемы существенно усложнится и может быть представлена орграфом следующего вида (рис. 6).
Рис. 6. Орграф, учитывающий влияние разнообразных факторов на количество и качество растений
Результаты моделирования представлены на рис. 6. Полученные результаты наглядно демонстрируют справедливость выдвинутой учеными гипотезы и основные тенденции в колебаниях популяции живых организмов. Знаковый граф не в силах дать численную оценку изменения популяции. С его помощью можно концептуально оценить взаимодействие живых организмов в системе и определить возможные сдвиги в их популяции.
Рис. 7. Результаты моделирования на базе орграфа, представленного на рис. 6.
Похожие статьи
-
Сфера применения орграфов еще больше расширяется, если использовать не знаковые, а взвешенные орграфы. Во взвешенном орграфе каждой дуге присваивается не...
-
Глобальные прогностические модели - Анализ популяции живых организмов в экосистеме
Человек всегда стремился узнать свое будущее и будущее всего человечества. В настоящее время многие футурологи предсказывают мрачную картину развития...
-
Популяция (populus - от лат. народ. население) - одно из центральных понятий в биологии и обозначает совокупность особей одного вида, которая обладает...
-
Доклады "Римского клуба" - Анализ популяции живых организмов в экосистеме
Биологический экосистема организм популяция Риммский клуб -- международная общественная организация, созданная итальянским промышленником Аурелио Печчеи...
-
КЛАССИФИКАЦИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ ПО ТИПУ ПИТАНИЯ. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В ЭКОСИСТЕМЕ - Основы экологии
По способу питания все организмы подразделяются на автотрофов и гетеротрофов. Автотрофы ( От греч. autos - сам) - осуществляют превращение неорганических...
-
Популяция - Развитие экосистем, экологические факторы
Популяцией в экологии называют группу особей одного вида, находящихся во взаимодействии между собой и совместно населяющих общую территорию. Слово...
-
Современная концепция автоматического регулирования численности популяций базируется на сочетании двух принципиально различных явлений: модификаций, или...
-
На земной поверхности нет химической силы, могущественней по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом. Что принципиально отличает...
-
Благодаря вышеперечисленным свойствам, почва обеспечивает живущим в ней организмам водоснабжение и минеральное питание. Недостаток воды в почве угнетает...
-
Динамика популяций - Общая экология
Динамика популяций - это процессы изменения ее основных биологических показателей (численности, биомассы, структуры) во времени в зависимости от...
-
Развитие популяционного подхода - Экология как наука: история становления
Одной из важнейших задач популяционной экологии было выявление общих закономерностей динамики численности популяций - как отдельно взятых, так и...
-
Среды обитания и их влияние на живые организмы На нашей планете существуют 4 среды жизни: 1. Водная 2. Воздушно - наземная 3. Почвенная 4. Организменная...
-
Экосистема - Развитие экосистем, экологические факторы
Экосистема, или экологическая система - биологическая система, состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз) , среды их обитания (биотоп) , системы...
-
Солнечная энергетика - одна из самых перспективных и быстрорастущих отраслей мировой экономики, и по утверждению Европейской ассоциации фотовольтаики...
-
Биопродуктивность экосистем - Уровни организации живой материи. Экологические проблемы биосферы
Скорость, с которой продуценты экосистемы фиксируют солнечную энергию в химических связях синтезируемого органического вещества, определяет...
-
Популяцией называют группу особей одного вида, обладающих способностью свободно скрещиваться и неограниченно долго поддерживать свое существование в...
-
Она определяется соотношением различных возрастных групп организмов в составе популяции. На формирование возрастной структуры влияют общая...
-
Сущность этого правила заключается в том, что фактор, находящийся в недостатке или избытке (вблизи критических точек) отрицательно влияет на организмы и,...
-
Эта среда относится к наиболее сложной как по свойствам, так и по разнообразию в пространстве. Для нее характерна низкая плотность воздуха, большие...
-
Фенотипическая изменчивость - Развитие экосистем, экологические факторы
Фенотипическая изменчивость - это изменение организмов под действием факторов среды и эти изменения не наследуются. Эта изменчивость не затрагивает гены...
-
Фауна поймы р. Урала сформирована видами с широкими ареалами: голарктические, палеарктические, средиземноморские, которые занимают значительный процент....
-
Синэкология, Генофонд - Развитие экосистем, экологические факторы
Экосистема генофонд популяция Синэкология -- раздел экологии, изучающий взаимоотношения организмов различных видов внутри сообщества организмов. Часто...
-
Живой организм как особая среда обитания. Средообразующая роль живых организмов - Общая экология
Использование одними организмами других для удовлетворения своих потребностей - распространенное в природе явление. Нет практически ни одного...
-
Атмосфера. Воздух - источник кислорода для дыхания и углекислого газа для фотосинтеза. Он защищает биосферу от вредных космических излучений и...
-
Основы аутэкологии (факториальной экологии), Организм и среда - Общая экология
Организм и среда Живые организмы во всем многообразии их связей являются предметом изучения экологии. К живым организмам относятся все формы...
-
Популяция, ее структура и динамика - Экология
Все живые организмы существуют только в форме популяций. Изучение структуры и динамики популяций имеет большое практическое значение. Не зная...
-
Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательных веществ. Всю экосистему можно уподобить единому механизму, потребляющему энергию и...
-
Впервые определение экосистемы как совокупности живых организмов с их местообитанием было дано Тэнсли в 1935 году. При экосистемном подходе к изучению...
-
Деятельность человека оказывает значительное влияние на состояние литосферы. При этом наибольшую антропогенную нагрузку испытывает ее поверхностный слой...
-
Мониторинг и анализ загрязнения окружающей среды экспресс-методами
Растения и действующие на них факторы среды могут быть использованы для мониторинга и экспресс - оценки загрязнения окружающей среды. Все живые организмы...
-
Численность популяции определяется в основном двумя противоположными явлениями - рождаемостью и смертностью. Пусть N - численность популяции. Тогда...
-
КЛАССИФИКАЦИЯ ЭКОСИСТЕМ ПО ПРОДУКТИВНОСТИ - Основы экологии
Продуктивность и плодородие экосистем. Изучение продуктивности - крайне важное направление экологических исследований. В течение 10 лет (с 1964 по 1974...
-
Изменения в биогеоценозах, Колебания численности. - Экологические системы
Хотя биогеоценоз является саморегулирующейся системой, стремящейся к устойчивому состоянию, однако последнее никогда не достигается полностью. Этому...
-
Сообщество - Развитие экосистем, экологические факторы
Сообщество - это совокупность популяций, биотический компонент экосистемы. Сообщество функционирует как динамическая система, через которую проходит...
-
Карл Францевич Рулье - Развитие экосистем, экологические факторы
Профессор Московского университета Карл Францевич Рулье на протяжении 1841-1858 гг. дал практически полный перечень принципиальных проблем экологии, не...
-
Главные этапы биохимической эволюции живых организмов - Общая экология
Современная биосфера возникла не сразу, а в результате длительной эволюции в процессе постоянного взаимодействия внешних ( Аллогенных ) - геологических и...
-
Взаимоотношения живых организмов в биосфере - Основы экологии
В процессе развития жизни на Земле первичные живые существа разделились на две группы -- автотрофов (организмов, синтезирующих из неорганических...
-
Органические отбросы, биогенные вещества и тепло становятся помехой для нормального развития пресноводных экологических систем только тогда, когда они...
-
В. И.Вернадский считал, что термин биосфера в биологии был впервые применен Ж. Б.Ламарком. В 1875 г в геологии его обосновал Э. Зюсс. Основоположником...
-
Водные объекты в местах расположения предприятий целлюлозно-бумажной отрасли подвергаются отрицательному воздействию. Высокое содержание в них...
Моделирование гипотез развития экосистем - Анализ популяции живых организмов в экосистеме