Системний підхід і моделювання в екології

Системний підхід в екології зумовив формування цілого напряму, що став її самостійною галуззю - системної екологією. Системний підхід - це напрям в методології пізнання об'єктів як систем. Система - це безліч взаємопов'язаних елементів, що утворюють певну цілісність, єдність. Її склад, структуру і властивості вивчають за допомогою системного аналізу, що є основою системного підходу і що представляє собою сукупність методологічних засобів, що використовуються для вирішення складних наукових проблем. У цю сукупність засобів входять комплекс методів: від простих описових, логічних до вельми складних математичних. Технічною основою системного аналізу є сучасні ЕОМ та інформаційні системи з широким використанням методів математичного програмування, теорії ігор тощо

Основними системними принципами є: цілісність, структурність, взаємозалежність системи і середовища, ієрархічність, множинність опису кожної системи. Цілісність — узагальнена характеристика системи, властивості якої несвідомих до суми властивостей її елементів і невиведені з цих властивостей (цілісність організмів більш повної буде в популяції — в біоценозі і т. д., і властивості кожної системи несвідомих до властивостей нижчестоящих) Структурність — встановлення структури та взаємозалежності структурних елементів, зумовленості поведінки системи її структурою (структура біоценозу, трофічна структура екосистеми і встановлення вимірних зв’язків між трофічними рівнями, та ін.) Взаємозалежність системи і середовища виражається у формуванні і прояві її властивостей в результаті їх взаємодії (взаємодія біоценозу і біотопу, популяцій в біоценозі і т. п.). Ієрархічність щ це коли кожен компонент системи може розглядатися як самостійна система, а сама досліджувана система є складовою частиною більш широкої системи (рівні біологічної організації, аж до глобальної систем біосфери).

Екосистеми — це вельми складні самоорганізуються і цілеспрямовані, зі складною ієрархічною структурою системи, що вимагають множинного опису кожної системи, що вимагає побудови безлічі моделей, тобто широкого використання методів моделювання при дослідженні.

Побудова узагальнених моделей, що відображають всі фактори і взаємозв’язки в системі, є центральною процедурою системного аналізу. Поняття «модель» широко використовується, наприклад, на побутовому рівні: модель літаків, кораблів, автомобілів і т. п. Якщо ці моделі не діють, то вони відображають тільки морфологічні особливості об’єкта, але вже знання цих особливостей дозволяє людині, якщо він раніше не бачив оригінал, дізнатися цей оригінал по моделі. Іншими словами, лише частина властивостей об’єкта дозволяє судити про об’єкт в цілому, в даному випадку — про форму об’єкта. Щось схоже відбувається і при наукових дослідженнях.

Традиційна схема наукового дослідження: дослідник — об’єкт. Тут дослідник отримує інформацію шляхом безпосереднього вивчення об’єкта. Наприклад, біолог вивчає видовий склад фітопланктону під мікроскопом. Але таке можливо лише на досить простих об’єктах, але не при дослідженні цілісної структури екосистеми, взаємодії її компонентів і т. п. У цьому випадку необхідно моделювання, при якому працює схема: дослідник модель — об’єкт вивчення.

Наприклад, щоб отримати уявлення про енергетичні потоках в екосистемі, необхідно уявити собі модель у вигляді піраміди енергій або хоча б піраміди Елтона і т. п. Тут з’являється проміжний (допоміжний) об’єкт вивчення моделі.

Модель — це допоміжний об’єкт, що знаходиться в певному об’єктивному відповідно до пізнаваним оригіналом і здатний заміщати його на окремих етапах пізнання. Моделювання — це розробка, дослідження моделі і розповсюдження модельної інформації на оригінал (Лієпа, 1982). Переваги моделювання проявляються там, де можливості традиційного підходу виявляються обмеженими. Саме такою областю пізнання є екологія.

Модель повинна відповідати двом вимогам: 1) вона повинна відображати лише ті особливості оригіналу, які виступають в якості предмета пізнання, і 2) вона повинна бути адекватна оригіналу (інакше уявлення про нього будуть спотворені). «Сам процес моделювання, за І. Я. Лієпа (1982), можна розділити на чотири етапи: якісний аналіз, математична реалізація, верифікація і вивчення моделей.

Перший етап моделювання — якісний аналіз — є основою будь-якого об’єктного моделювання. На його основі формуються завдання ц вибирається вигляд моделі. Цей етап зобов’язаний забезпечити відповідність моделі двом вищевказаним вимогам. Вид моделі вибирається виходячи зі способу побудови, з характеру самого об’єкта та ін.

За способом побудови всі моделі ділять на два класи: матеріальні та абстрактні. Матеріальні моделі по своїй фізичній природі подібні з оригіналом. Вони можуть зберегти геометрична подібність оригіналу (макети, тренажери, штучні замінники органів і т. д.), подобу протікання фізичних процесів — фізичне моделювання (гідрологічна модель — протягом води і т. п.) і можуть бути природними об’єктами — прообразами оригіналу, т. е. натурними моделями (метод пробних ділянок). Матеріальні моделі використовуються зазвичай в технічних цілях і мало підходять для екологічних проблем. Більш придатними для екологічного моделювання є абстрактні моделі, що представляють собою опис оригіналу в словесній формі або за допомогою символів і операцій над ними, що відображають досліджувані особливості оригіналу. Абстрактні моделі поділяються на три типи: вербальні, схематичні і математичні.

Вербальні моделі — це формалізований варіант традиційного природного опису у вигляді тексту, таблиць та ілюстрацій (Федоров, Гильманов, 1980). Схематичні моделі розробляються у вигляді різного роду схем, малюнків, графіків і фотографій, основні їхні переваги — наочність, інформативність і простота побудови (трофічні ланцюги, піраміда Елтона, схеми структури, динаміки та енергетики екосистем, впливу екологічних факторів, біохімічних кругообігів та ін).

Вербальні та схематичні моделі — невід’ємна частина якісного аналізу математичного моделювання, що є найбільш досконалим видом кількісного дослідження оригіналу, що дозволяє побудувати його математичну модель. «Математична модель» — це математичний опис оригіналу, що відбиває його цілісність, структуру, динаміку, функціонування та взаємозв’язку оригіналу, зовнішніх і внутрішніх факторів впливу. Це означає, що практично така модель є формула або система рівнянь і нерівностей.

За своїм характером виділяють моделі статичні і динамічні. Статична модель відображає об’єкт (систему), що не змінює свій стан у часі, а динамічна модель відображає об’єкт (систему), що змінює свій стан у часі. Переважна більшість живих об’єктів і систем — це динамічні системи і можуть бути відображені тільки лише динамічними моделями.

Другий етап моделювання — це математична реалізація логічної структури моделі. З точки зору технології застосування математичних методів можна виділити моделі аналітичні та чисельні. Аналітична модель — це побудова теоретичних концепцій із застосуванням строгого математичного апарату, зазвичай дозволяє вивести загальну формульну.

Третій етап моделювання передбачає верифікацію моделі: перевірку відповідності моделі оригіналу. На даному етапі необхідно упевнитися, що обрана модель відповідає другій вимозі: адекватно відображає особливості оригіналу. Для цього може бути проведена емпірична перевірка — порівняння отриманих даних з результатами спостережень за оригіналом. Модель може бути визнана високоякісної, якщо прогнози справджуються. За відсутності емпіричних даних проводиться теоретична верифікація — по теоретичним уявленням визначається область застосування та прогностичні можливості моделі.

Четвертий етап моделювання — це вивчення моделі, експериментування з моделлю і екологічна інтерпретація модельної інформації. Основна мета етапу — виявлення нових закономірностей і дослідження можливостей оптимізації структури і керування поведінкою модельованої системи, а також придатність моделі для прогнозування.

В екології математичні моделі екосистем В. Д. Федоров і Т. Г. Гильманов (1980) пропонують розділити на моделі популяційного, біоценотичного і екосистемного рівнів. Популяційні моделі описують особливості окремих популяцій, відображають їх властивості та внутрішні закономірності: моделі, що дозволяють оцінити динаміку чисельності та вікового складу популяцій залежно від народжуваності і смертності, заданих як функції лише від загальної щільності та вікового складу популяцій. Моделі біоценотичного рівня задаються як системи рівнянь, що відображають динаміку біоценозу як функцію цільностей складових його популяцій. Моделі екосистемного рівня являють собою системи рівнянь, в число аргументів яких включені як внутрішні змінні стану, так і зовнішні чинники впливу і цілісні властивості екосистем. Моделі даного рівня враховують і роль зворотних зв’язків у функціонуванні систем.

При побудові будь-якої моделі головне завдання — створити модель достатньої повноти. Для цього необхідно прагнути врахувати всі суттєві фактори, що впливають на розглянуті явища; приділити спеціальну увагу наявності в ній суперечливих елементів, як одного з ознак повноти моделі; врахувати можливість появи невідомих чинників, щоб у разі необхідності доповнити модель новим елементом.