Системный подход в экологии

Cистемный подход в экологии обусловил формирование Целого направления, ставшего ее самостоятельной отраслью — системной экологией. 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 посредством системного анализа, являю­щегося основой системного подхода и представляющего со­бой совокупность методологических средств, используемых для решения сложных научных проблем. В эту совокупность средств входит комплекс методов: от простых описательных логических до весьма сложных математических. Технической основой системного анализа являются современные ЭВМ и информационные системы с широким использованием методов математического программирования, теории игр и т. д.

Основными системными принципами являются: целост­ность, структурность, взаимозависимость системы и среды, иерархичность, множественность описания каждой системы. Целостность — обобщенная характеристика системы, свой­ства которой несводимы к сумме свойств ее элементов и не-выводимы из этих свойств (целостность организмов более пол­ной будет в популяции, популяции — в биоценозе и т. д., и свойства каждой системы несводимы к свойствам нижестоя­щих). Структурность — установление структуры и взаимо­зависимости структурных элементов, обусловленности пове­дения системы ее структурой (структура биоценоза, трофиче­ская структура экосистемы и установление измеримых свя­зей между трофическими уровнями, и др.). Взаимозависи­мость системы и среды выражается в формировании и про­явлении ее свойств в результате их взаимодействия (взаимо­действие биоценоза и биотопа, популяций в биоценозе и т. п.). Иерархичность — это когда каждый компонент системы может рассматриваться как самостоятельная система, а сама исследуемая система является составной частью более широ­кой системы (уровни биологической организации, вплоть до глобальной системы — биосферы).

Экосистемы — это весьма сложные самоорганизующиеся и целенаправленные, со сложной иерархической структурой системы, требующие множественного описания каждой сис­темы, что требует построения множества моделей, т. е. ши­рокого использования методов моделирования при исследо­вании.

Построение обобщенных моделей, отражающих все фак­торы и взаимосвязи в системе, является центральной проце­дурой системного анализа. Понятие «модель» широко исполь­зуется, например, на бытовом уровне: модель самолетов, кораблей, автомобилей и т. п. Если эти модели не действующие, то они отражают только морфологические особенности, объекта, но уже знание этих особенностей позволяет челове­ку, если он раньше не видел оригинал, узнать этот оригинал по модели. Иными словами, лишь часть свойств объекта по­зволяет судить об объекте в целом, в данном случае — о фор­ме объекта. Нечто похожее происходит и при научных иссле­дованиях.

Традиционная схема научного исследования: исследова­тель — объект. Здесь исследователь получает информацию пу­тем непосредственного изучения объекта. Например, биолог изучает видовой состав фитопланктона под микроскопом. Но такое возможно лишь на достаточно простых объектах, но не при исследовании целостной структуры экосистемы, взаимо­действия ее компонентов и т. п. В этом случае необходимо моделирование, при котором работает схема: исследователь — модель — объект изучения.

Например, чтобы получить представление об энергетиче­ских потоках в экосистеме, необходимо представить себе мо­дель в виде пирамиды энергий или хотя бы пирамиды Элтона ит. п. Здесь появляется промежуточный (вспомогательный) объект изучения — модель.

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 (Лиепа, 1982). Достоинства моделирования проявляются там, где возможности традиционного подхода оказываются огра­ниченными. Именно такой областью познания является эко­логия.

Модель должна соответствовать двум требованиям: 1) она Должна отражать лишь те особенности оригинала, которые выступают в качестве предмета познания, и 2) она должна быть адекватна оригиналу (иначе представления о нем будут искажены). Сам процесс моделирования, по И. Я. Лиепа (1982), можно разделить на четыре этапа: качественный анализ, математическая реализация, верификация и изучение мо­делей.

Первый этап моделирования — качественный анализ является основой любого объектного моделирования. Нашего основе формируются задачи и выбирается вид модели. Этот этап обязан обеспечить соответствие модели двум вышеука­занным требованиям. Вид модели выбирается исходя из спо­соба построения, из характера самого объекта и др.

По способу построения все модели делят на два класса: материальные и абстрактные. Материальные модели по сво­ей физической природе сходны с оригиналом. Они могут со­хранить геометрическое подобие оригиналу (макеты, трена­жеры, искусственные заменители органов и т. д.), подобие протекания физических процессов — физическое моделирова­ние (гидрологическая модель — течение воды и т. п.) и могут быть природными объектами — прообразами оригинала, т. е. натурными моделями (метод пробных участков). Материаль­ные модели используются обычно в технических целях и ма­ло подходят для экологических проблем. Более подходящи­ми для экологического моделирования являются абстракт­ные модели, представляющие собой описание оригинала в сло­весной форме или посредством символов и операций над ни­ми, отражающих исследуемые особенности оригинала. Абст­рактные модели подразделяются на три типа: вербальные, схе­матические и математические.

Вербальные модели — это формализованный вариант тра­диционного естественнонаучного описания в виде текста, таб­лиц и иллюстраций (Федоров, Гильманов, 1980). Схематиче­ские модели разрабатываются в виде различного рода схем, рисунков, графиков и фотографий, основные их достоинст­ва — наглядность, информативность и простота построения (трофические цепи, пирамида Элтона, схемы структуры, Ди­намики и энергетики экосистем, воздействия экологических факторов, биохимических круговоротов и др.).

Вербальные и схематические модели — неотъемлемая часть качественного анализа математического моделирования, являющегося наиболее совершенным видом количественного

исследования оригинала, позволяющая построить его мате­матическую модель. «Математическая модель» — это мате­матическое описание оригинала, отражающее его целостность, структуру, динамику, функционирование и взаимосвязи ори­гинала, внешних и внутренних факторов воздействия» (Лие­па, 1982). Это означает, что практически такая модель есть формула или система уравнений и неравенств.

По своему характеру выделяют модели статические и ди­намические. Статическая модель отражает объект (систему), не изменяющий свое состояние во времени, а динамическая модель отражает объект (систему), изменяющий свое состоя­ние во времени. Подавляющее большинство живых объектов и систем — это динамические системы и могут быть отраже­ны только лишь динамическими моделями.

Второй этап моделирования — это математическая реа­лизация логической структуры модели. С точки зрения тех­нологии применения математических методов можно выде­лить модели аналитические и численные (компьютерские). Аналитическая модель —- это построение теоретических кон­цепций с применением строгого математического аппарата, обычно позволяющего вывести общую формульную зависи­мость. Компьютерские модели П. М. Брусиловский, Г. С. Розенберг (1981) делят на имитационные и самоорганизующие­ся.

Имитационные модели отражают представления исследо­вателя о взаимосвязях в экосистеме и как они реализуются. Наилучшие результаты эти модели дают при составлении про­гноза изменений в экосистеме. Самоорганизующиеся модели относятся к классу регрессионных уравнений, в них широко используются вероятностно-статистические методы расчетов.

Третий этап моделирования предусматривает верифика­цию модели: проверку соответствия модели оригиналу. На Данном этапе необходимо удостовериться, что выбранная мо­дель отвечает второму требованию: адекватно отражает осо­бенности оригинала. Для этого может быть проведена эмпи­рическая проверка — сравнение полученных данных с резуль­татами наблюдений за оригиналом. Модель может быть признана высококачественной, если прогнозы оправдываются При отсутствии эмпирических данных проводится теорети­ческая верификация — по теоретическим представлениям оп­ределяется область применения и прогностические возмож­ности модели.

Четвертый этап моделирования — это 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 экологии математические модели экосистем В. Д. Фе­доров и Т. Г. Гильманов (1980) предлагают разделить на моде­ли популяционного, биоценотического и экосистемного уров­ней. Популяционные модели описывают особенности отдель­ных популяций, отражают их свойства и внутренние законо­мерности: модели, позволяющие оценить динамику численно­сти и возрастного состава популяций в зависимости от рождае­мости и смертности, заданных как функции лишь от общей плотности и возрастного состава популяций. Модели биоцено­тического уровня задаются как системы уравнений, отражаю­щих динамику биоценоза как функцию плотностей составляю­щих его популяций. Модели экосистемного уровня представ­ляют собой системы уравнений, в число аргументов которых включены как внутренние переменные состояния, так и внеш­ние факторы воздействия и целостные свойства экосистем. Мо­дели данного уровня учитывают и роль обратных связей в функ­ционировании систем.

При построении любой модели главная задача — создать модель достаточной полноты. Для этого необходимо стремиться учесть все существенные факторы, влияющие на рассматри­ваемые явления; уделить специальное внимание наличию в ней противоречивых элементов, как одного из признаков полноты модели; учесть возможность появления неизвестных факто­ров, чтобы в случае необходимости дополнить модель новым элементом.

Биология — одна из первых наук, в которой приоритетное значение приобрел системный подход в изучении природы, впервые в научной форме использованный Ч. Дарвином. Осо­бенно широко используются системные идеи в экологии. На новую, более высокую ступень идеи системного подхода по­ставлены в учении В. И. Вернадского о биосфере и ноосфере, где научному познанию предложен новый тип объектов — гло­бальные системы. Такой глобальной экосистемой и является биосфера, объединяющая на основе иерархического принципа все экосистемы Земли более низких уровней.