Основные методы экологии

Деление экологии на общую (изучение основных принципов организации и функционирования биологических систем) и частную (изучение конкретных групп живых организмов) отражает не столько проблематику экологии как науки, сколько различия в характере и методах исследований.

В настоящее время основными методами экологии являются:

— полевые наблюдения, позволяющие получить конкретные сведения о состоянии отдельных видов и популяций, их роли в существовании определенной экологической системы; зависимость от деятельности определенных групп организмов, антропогенного влияния; данные об изменении численности популяций и т.д.;

— эксперименты в природных условиях, позволяющие моделировать ту или иную ситуацию, последствия ее развития для конкретного сообщества организмов, биоценоза или биогеоценоза;

— математическое моделирование процессов и ситуаций, встречающихся в популяциях и биоценозах, с помощью вычислительной техники. Математическое моделирование позволяет произвести количественную оценку изучаемых процессов и явлений. Оно дает возможность с большой долей достоверности, используя накопленные данные, прогнозировать возможное развитие тех или иных процессов и ситуаций в экологических системах. Однако, используя математические приемы, эколог должен помнить, что в связи с наличием у сложных экологических систем большого числа степеней свободы, а также параметров, зависящих от времени, к этим системам не могут применяться классические, жестко детерминированные алгоритмы управления и прогнозирования. Иными словами, математические расчеты в экологии используются при решении практических вопросов, но не могут и не должны предсказывать конкретные частности.

Однако привлечение количественных методов в экологические исследования является потребностью времени. Среди них наиболее перспективными являются методы моделирования процессов и ситуаций, совершающихся в популяциях и биоценозах.

Надорганизменные системы, которые изучает экология, — популяции, биоценозы, биогеоценозы, экосистемы — чрезвычайно сложны В них наблюдается огромное количество взаимосвязей, прочность и постоянство которых непрерывно меняются. Одни и те же внешние воздействия могут привести к различным, иногда прямо противоположным результатам, в зависимости от того, в каком состоянии находилась система в момент воздействия.

Предвидеть ответные реакции системы на действие конкретных факторов можно лишь через сложный анализ существующих в количественных измерениях взаимоотношений и закономерностей. Поэтому в экологической практике широкое распространение получил метод математического моделирования как средство изучения и прогнозирования природных процессов.

Одной из первых моделей была модель Вольтерра—Лотки. В любом биоценозе происходит взаимодействие между всеми его элементами: особи одного вида взаимодействуют с особями своего и других видов. Эти взаимодействия могут быть мирными, а могут иметь связь типа "хищник — жертва". Замечено, что численность хищных рыб колеблется в обратной пропорции относительно численности мелких рыбешек, служащих им пищей. Анализ этих колебаний позволил математику Вито Вольтерра (1860—1940) вывести уравнения, формализующие эти колебания. Однако если бы в биоценозе было только два этих вида (что является очень большим упрощением), то динамика численности каждого из этих видов сильно отличалась бы от картины их независимого существования.

Кроме ситуаций "хищник — жертва", "конкуренция — сосуществование" может моделироваться ситуация "симбиоз". Модель симбиоза отражает кооперацию отдельных видов в борьбе за существование, когда один вид помогает или покровительствует другому (кооперация пчел, кооперация деревьев). Математические модели, построенные для исследования устойчивости такой системы, показывают, что при достаточно больших начальных значениях численности всегда будет происходить экспоненциальный рост популяций, что в определенных случаях соответствует действительности.

Биосфера сформировалась в ходе эволюционных преобразований, без участия человека. Качественно новый этап в развитии биосферы начался с появлением человека в конце третичного периода Кайнозойской эры. Деятельность человека довольно долго не отличалась от деятельности других живых существ. Добывание огня выделило человека из ряда других животных. Человек сумел расселиться не только в районы холодного климата, пережить оледенения и защититься от хищников, но и научился уничтожать органические остатки, вмешиваясь в круговорот веществ в биосфере. Сейчас происходит интенсивная перестройка природы в результате человеческой деятельности. Перед человечеством реально маячит угроза голода, самоотравления, разрушения биологической основы наследственности. Для предотвращения угрозы нужно знать ее причины. В этих целях и строились глобальные экологические модели.

Первой моделью прогнозирования расхода ресурсов была модель Т. Мальтуса (1798), который исходил из геометрического роста численности населения и арифметического роста средств существования. Такой подход был упрощенным и глубоко ошибочным.

Дж. Форрестер (1970) предложил динамическую модель, учитывающую изменения населения, капитальных вложений, природных ресурсов, загрязнение среды, производство продуктов питания. Принятые в модели взаимосвязи достаточно сложны. Например, рост численности населения поставлен в зависимость от его плотности, обеспеченности питанием, уровня загрязнения окружающей среды, наличия ресурсов, материального благосостояния. Смертность увязана с уровнем жизни, питанием; загрязнение среды связано с объемом фондов и т.д. Многофакторная модель Форрестера позволяет рассматривать системы в зависимости от колебания многих факторов. Одним из результатов исследования Форрестера были графики расхода природных ресурсов при стабилизации численности населения, производственных фондов и качества жизни.

Группа Л- Медоуза (1972) построила динамическую модель на базе пяти основных показателей: ускоряющаяся индустриализация, рост численности населения, увеличение числа недоедающих, истощение ресурсов, ухудшение окружающей среды. В модель заложен большой набор частных связей, в три раза больший, чем в модели Форрестера. Прогноз по модели Медоуза по различным вариантам показал, что вследствие исчерпания природных ресурсов и растущего загрязнения окружающей среды в середине XXI в. произойдет мировая катастрофа. Единственным вариантом для ее исключения может быть стабилизация численности населения и объема промышленного производства, стимулирование капиталом развития сельского хозяйства.

Модель М. Месаровича и Э. Пестеля (1974) отличается размерностью и детальностью связей. В ней содержится более 100 тысяч уравнений, описывающих мировую систему как совокупность региональных систем. Авторы выделили наиболее крупные страны (Япония, Россия, Китай, Вьетнам и др.) и регионы (Северная Америка, Западная Европа, Северная Африка и др.), 10 групп населения, 5 категорий машин, 2 разновидности сельскохозяйственного производства, 19 разновидностей промышленного капитала, 5 видов капитала в энергетике. На базе этой модели авторы рассмотрели различные сценарии развития мировой системы.

В Пенсильванском университете была создана система совместного функционирования национальных моделей. Ее математическая часть состоит из 20 с лишним тысяч уравнений.

Группой экспертов ООН под руководством В. Леонтьева в конце 1970-х гг. была разработана межрегиональная модель межотраслевого баланса мировой экономики.

В нашей стране в конце 1970-х гг. под руководством Н. II. Моисеева была разработана математическая модель биосферы "Гея". Она состояла из двух взаимосвязанных систем. Первая описывала процессы, происходящие в атмосфере и океане. Вторая — круговорот веществ в природе. В основу математической модели были положены такие локальные модели, как испарения с поверхности океана и конденсация воды в атмосфере, поглощение углекислоты морской водой, перенос энергии атмосферой, реакции фотосинтеза, отмирание растений, распределение биомассы на поверхности Земли и др. На базе модели "Гея" был выполнен расчет различных сценариев изменения климата на планете под воздействием ядерного взрыва, извержения вулкана, создания крупного локального топливно-энергетического комплекса, изменения горного ландшафта.

В первой половине 1980-х гг. ученые разных стран создавали глобальные математические модели с целью прогнозирования последствий ядерной войны. Наиболее обширными были модель американского астронома К. Сагана и модель "Гея". В значительной степени именно эти исследования стимулировали политические решения государств по сокращению ядерного вооружения.

В построении математических моделей сложных процессов можно выделить следующие этапы:

— тщательное изучение тех реальных явлений, которые нужно смоделировать, выявление главных компонентов

и установление законов, определяющих характер взаимодействия между ними;

- формулирование основных вопросов, ответы на которые должна дать модель;

- разработка математической теории, описывающей изучаемые процессы с необходимой детальностью. На ее основе строится модель в виде системы абстрактных взаимодействий. Установленные законы должны быть облечены в точную математическую форму. Конкретные модели могут быть представлены системой аналитических уравнений или в виде логической системы машинной программы;

- проверка модели путем расчета на ее основе и сличения результатов с действительностью. При этом проверяется правильность сформулированной гипотезы. При значительном расхождении модель отвергают или совершенствуют. При согласованности результатов модель используют для прогноза, вводя в нее различные исходные параметры.

Расчетные методы помогают увидеть то, что трудно или невозможно проверить в эксперименте, позволяют прогнозировать процессы и ситуации, развивающиеся в природе в течение больших промежутков времени.

В настоящее время математическое моделирование широко используется в экологических исследованиях и прогнозах. Математическими моделями описывают и проверяют разные варианты динамики численности популяций, продукционные процессы в экосистемах, условия стабилизации сообществ, ход восстановления систем при разных типах нарушений. Строятся математические модели по регулированию промысловых усилий, модели промышленных популяций, модели трофических связей по решению проблемы борьбы с вредителями. Модели эксплуатации лесного хозяйства, стратегические модели использования сырья, математические модели выбора способа производства, модель оптимизации платы за воду и многие другие.

Назрела необходимость создания глобальных математических моделей, в которые входили бы подсистемы взаимодействия между атмосферой и водой, атмосферой и поверхностью почвы, процессы в каждом из элементов окружающей среды, взаимодействие верхнего слоя атмосферы с космосом, механизмы саморегулирования в природе, влияние деятельности человека на окружающую среду.

При значительном объеме возможностей подобная модель должна быть достаточно детальна для различных регионов нашей планеты. С помощью такой модели можно оценить крупные инженерные решения, деятельность городов, варианты создания гидросистем, размещения заводов и т.д.