Кинетика биологических процессов - Рубин А.Б.
Скачать (прямая ссылка):
TJIABA IV
КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ В ЭКОЛОГИИ
i 1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ
В настоящее время особенно остро встала проблема изучения •основных закономерностей распределения и воспроизводства органического вещества как в отдельных растительных и животных сообществах, так и в масштабе всей планеты. Конечная цель изучения искусственных и природных экосистем — это наиболее рациональное их использование для нужд человека, которое подразумевает оптимальное управление экосистемами. Решение задачи оптимального управления невозможно без построения математической модели объекта управления, так как метод «проб и ошибок» по отношению к природным экосистемам явно неприменим в силу их уникальности и недопустимости риска вызвать в низ? необратимые изменения. Если модель достаточно точно имитирует .действительность, она -представляет неограниченные возможности для экспериментирования, в нее можно вводить новые факторы и возмущения, с тем чтобы выяснить их влияние на систему.
С математическими понятиями, лежащими в основе методов -оптимального управления системами, читатель может познакомиться по книгам Р. Веллмана и Р. Колабы (1969), Заславского (1977), Моисеева (1975.'). Вопросам выработки стратегий оптимального управления экологическими объектами уделено большое место в работах К. Уатта (1971), Ю. М. Свирежева и Е. Я- Елизарова (1972), Ю. М. Свирежева (1975), В. В. Меншуткина
(1971), Холдинга (1981).
К необходимости построения математических моделей популяций, сообществ и экосистем можно подойти не только с позиций -оптимального управления, но и исходя из требований количественного описания связей н функционирования этих сложных систем, далеко не во всех деталях доступных непосредственному 'наблюдению.
Процессы энерго- и массообмена в биогеоценозах протекают .с участием различных растительных и животных организмов под влиянием факторов окружающей их среды, элементы которой непосредственно вовлекаются в превращения биомассы звеньев экологических систем. Каждая популяция, поскольку она существует на ограниченной территории и использует для своего существования ограниченное количество вещества, входит в некоторое сообщество окружающих ее популяций животных и растений, образующих определенную структуру пищевых (трофических) связей и метаболизма. Вместе с используемым неживым веществом такое
сообщество и составляет биогеоценоз. По определению Сукачева
(1972), биогеоценоз — участок земной поверхности, где на известном протяжении биоценоз (фитоценоз, зооценоз, микроценоз) и отвечающие ему части атмосферы, гидросферы, почвы остаются однородными, тесно связанными между собой также однородными взаимодействиями, и поэтому в совокупности образующие единый, внутренне взаимообусловленный комплекс.
При исследовании сложных биогеоценозов (экологических систем) плодотворными оказались методы общесистемного подхода. Один из них — выделение из экологической системы взаимодействующих составных структурных элементов, таких, как принадлежащие разным трофическим уровням виды или возрастные и половые внутривидовые группы. Другой важный элемент системного подхода — установление характера процессов, в которых участвует каждый элемент (процессы размножения и роста, взаимодействия между элементами типа конкуренции, хищничества ит. д.). К экологическим системам оказалсятакже.применим, принцип изоморфизма, позволяющий описывать сходными математическими уравнениями системы, разные по своей природе, но одинаковые по структуре и типу взаимодействия между элементами, их составляющими. В данном случае имеется большое сходство систем уравнений химической кинетики и межпопуляционной динамики.
Само возникновение математической экологии послужило толчком для развития общесистемных исследований. По словам одного нз основателей общей теории систем Л. Берталанфи (1969), работы Вольтерра, Лоткц, Гаузе и других по динамике популяций принадлежат к классическим трудам общей теории систем.
В последние десятилетия системный анализ в виде построения математических моделей и постановки требуемых моделью критических экспериментов существенно используется при планировании государственных значимых мероприятий (Горстко и др., 1984).
Построение математической модели требует знания некоторого набора параметров системы, которые могут быть определены только из наблюдения или эксперимента. При работе с моделью необходима систематизация, а зачастую и применение новых методик наблюдений и экспериментов с целью установления факторов и взаимосвязей, значение которых может выявить слабые места гипотез и допущений, положенных в основу модели. Весь процесс моделирования, от построения модели до проверки предсказанных с ее помощью явлений и внедрения полученных результатов в практику, должен быть связан с тщательно отработанной стратегией исследования и строгой проверкой используемых в анализе данных. Это положение, справедливое для математического моделирования вообще, особенно важно для такой сложной науки, как экология, имеющей дело с разнообразными взаимодействиями между огромным множеством организмов. Почти все эти взаимодействия динамические в том смысле, что они зависят от времени и постоянно изменяются, причем, как
