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 посредствомсистемного анализа,являющегося основой системного подхода и представляющего собой совокупность методологических средств, используемых для решения сложных научных проблем.
Основныесистемные 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 средывыражается в формировании и проявлении ее свойств в результате взаимодействия 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, требующиемножественного описаниякаждой системы, что требует построения множества моделей.
При экосистемном подходе в центре внимания исследователя-эколога оказываются поток энергии и круговорот веществмежду биотическим и абиотическим компонентами экосферы. Наибольший интерес представляет установление функциональных связей, таких, как цепи питания, живых организмов между собой и с окружающей средой. Все связи оцениваются по их воздействию на установленный объект (рис. 12).
|
|
|
Рис. 12. Схема экологического (экосистемного) подхода
Экосистемныйподход выдвигает на первый план общность организации всех сообществ, независимо от местообитания и систематического положения входящих в них организмов. Это подтверждается простым сравнением водной и наземной экосистем. При резком различии в среде обитания и в образующих систему видах здесь четко просматривается сходство структуры и функциональных единиц этих двух экосистем.
В экосистемном подходе находит приложение концепция саморегуляции (гомеостаза), из которой становится ясно, что нарушение регуляторных механизмов, например, в результате загрязнения среды, может привести к биологическому дисбалансу.
Экосистемный подход важен при разработке стратегии развития сельского хозяйства.
Модель –это 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 к модели:1) она должна отражать лишь те особенности оригинала, которые выступают вкачестве предмета познания, 2) она должна быть адекватна оригиналу.
Этапы моделирования:1)качественный анализ, 2) математическая реализация, 3) верификация, 4) изучение моделей.
Iэтап— 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 моделипо своей физической природе сходны с оригиналом. Материальные модели используются обычно в технических целях и мало подходят для экологических проблем. Более подходящими для экологического моделирования являютсяабстрактные 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 моделиразрабатываются 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 модельотражает объект (систему), неизменяющий свое состояние во времени, а 2)динамическая модельотражает объект (систему), изменяющий свое состояние во времени.
IIэтапмоделирования— 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 моделиделят на имитационные и самоорганизующиеся.Имитационные моделиотражают представления исследователя о взаимосвязях в экосистеме и как они реализуются.Самоорганизующиеся моделиотносятся к классу регрессионных уравнений, в них широко используются вероятностно-статистические методы расчетов.
|
|
|
IIIэтапмоделированияпредусматриваетверификациюмодели: проверку соответствия модели оригиналу. На этом этапе необходимо удостовериться, что выбранная модель отвечает второму требованию. Для этого проводитсяэмпирическая проверка —сравнение полученных данных с результатами наблюдений за оригиналом. При отсутствии эмпирических данных проводитсятеоретическая верификация— по теоретическим представлениям определяется область применения и прогностические возможности модели.
IVэтап: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 экологииматематические модели экосистемВ.Д.Федоров и Т.Г.Гильманов предлагают разделить на модели популяционного, биоценотического и экосистемного уровней.Популяционные моделиописывают особенности отдельных популяций, отражают их свойства и внутренние закономерности.Модели биоценотического уровнязадаются 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 всесущественные факторы,влияющие на рассматриваемые явления; уделить специальное внимание наличию в нейпротиворечивых элементов,как одного из признаков полноты модели; учесть возможность появлениянеизвестных факторов,чтобы в случае необходимости дополнить модель новым элементом.
Со времени открытия второго закона термодинамики встал вопрос о том, как можно согласовать вывод о возрастании во времени энтропии (неопределенности, хаоса) в замкнутых системах с процессами самоорганизации в живой и неживой природе, происходящими в открытых системах. Долгое время казалось, что существует противоречие между выводами второго закона термодинамики и эволюционной теории Ч. Дарвина, согласно которой в живой природе благодаря принципу отбора непрерывно происходит процесс самоорганизации.
Самоорганизующимися называют такие системы, которые способны при изменении внешних или внутренних условий их функционирования и развития сохранять или совершенствовать свою организацию с учетом прошлого опыта, сигналы о которой поступают по каналам обратной связи.
Примеры самоорганизующихся систем: отдельная живая клетка, организм, биологическая популяция, человеческий коллектив, машина-автомат, машина-робот.
Различают три вида системы управления:
- живые организмы;
- сложные (с обратной связью) машины;
- человеческие коллективы.
Синергетика — это теория, исследующая процессы самоорганизации, устойчивости, распада и возрождения самых разнообразных структур живой и неживой природы.
Н. Винер связывал суть науки об управлении с организацией и самоорганизацией, которая рассматривалась им как антипод энтропии, фактор, противостоящий тенденции роста мирового хаоса. Под самоорганизацией понимается способность к стабилизации некоторых параметров посредством направленной упорядоченности ее структуры с целью противостоять энтропийным факторам среды. Самоорганизация — это структура в действии.
Для процесса самоорганизации характерны некоторые структурные компоненты и свойства.
Структурными компонентами, посредством которых осваивается информация, являются:
1. Механизм управления, представленный в том или ином виде и отвечающий за получение, оценку, переработку информации и формулирование информационной программы ответного действия.
2. Канал обратной связи.
К свойствам процесса самоорганизации относятся следующие:
1. Самоорганизующаяся система сохраняет состояние термодинамического равновесия.
2. Негаэнтропийный характер самоорганизующейся системы обеспечивается использованием информации.
3. Самоорганизующаяся система обладает функциональной активностью, выражающейся в противодействии внешним силам.
4. Самоорганизующаяся система обладает выбором линии поведения.
5. Целенаправленность действий.
6. Гомеостаз и связанная с ним адаптивность системы.
Можно выделить 3 основные характеристики процесса самоорганизации:
- гомеостаз;
- обратная связь;
- информация.
Разрушение организации живой системы означает ее гибель.
Проблемы самоорганизации имеют существенное значение для понимания эволюции материи, развития живых систем и преобразования социальных. Синергетика представляет собой процесс усложнения, в результате которого образуются высокоупорядоченные структуры, качественно отличающиеся от исходных.
Учение об эволюции, созданное Ч. Дарвином, показывает, как постепенно под влиянием естественного отбора происходило совершенствование видов и возникновение новых.
Разумеется, что новые организации представляют собой весьма совершенные самоорганизующиеся системы, которые значительно отличаются от самоорганизующейся системы неорганической природы.
Земля возникла 4,6 млрд лет назад, а жизнь на ней — около 3—3,5 млрд лет назад. Можно предположить, что на Земле самоорганизация материи происходила в специфических условиях: восстановительная атмосфера, перепады температур, солнечная радиация, атмосферное электричество, вулканическая деятельность, которые послужили основанием для дальнейшего органического синтеза. Эти условия явились базой для такого сочетания молекул, при котором возникли первичные сахара, аминокислоты, азотистые образования. В процессе дальнейшего развития вероятностный процесс приобрел не только черты селекции, учитывающей преимущества направленных физико-химических процессов, но и выгодность информационных механизмов.
Самоорганизация сложных систем в ходе их адаптации к внешней и внутренней среде осуществлялась методом случайных проб и детерминированного отбора:
- в биологической эволюции — путем мутаций и естественного отбора по критериям приспособленности;
- в технике — методом проб и искусственного отбора по критериям эффективности;
- в науке — методом выдвижения гипотез и отбора по критериям истинности.
Самоорганизация материи, ведущая к становлению жизни и ее дальнейшему развитию, является сложным экологическим процессом. Вначале он связан с комплексом неотделимых от внешней среды химических реакций и физических взаимодействий. Затем синергетика включает в себя и взаимосвязанные и взаимозависимые этапы детерминации, т.е. возникновения качественного своеобразия частей развивающегося организма, а также этапы регуляции и управления, которые приводят к самодетерминации развивающихся систем.
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 1306; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!