Методические указания для студентов специальности «Биоэкология» Печатается в авторской редакции в соответствии с представленным оригинал-макетом (стр. 1 из 10)

УДК 574(076)

Составитель Д. И. Башмаков

Рецензенты:

доктор сельскохозяйственных наук профессор А. В. Каверин;

кандидат биологических наук профессор В, И. Астраданов

Системная экология (Применение системного анализа в экологии): Методические указания для студентов специальности «Биоэкология» / Сост. Д. И. Башмаков. — Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2004. - 32 с.

Методические указания содержат вопросы становления и развития системных идей в экологии, основы теории систем и системного анализа, приведены элементы системного анализа в экологии и охране окружающей природной среды, рассмотрены основные вещественные, энергетические и информационные процессы в экосистемах, очерчены проблемы моделирования, объяснения и прогнозирования в экологии, описаны основные математические модели популяций, экосистем и биосферы, раскрыта кибернетическая природа, стабильность экосистем, а также надежность природных систем в связи с преобразованием биосферы в техносферу.

Предназначены для студентов IV — V курсов, обучающихся по специальности «Биоэкология», а также всех интересующихся проблемами теоретической экологии.

Печатается по решению научно-методического совета Мордовского государственного университета имени Н. П. Огарева

Учебное издание

Составитель БАШМАКОВ Дмитрий Идрисович

СИСТЕМНАЯ ЭКОЛОГИЯ (ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА В ЭКОЛОГИИ)

Методические указания для студентов специальности «Биоэкология»

Печатается в авторской редакции в соответствии с представленным оригинал-макетом

Подписано в печать 12.10.04. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная.

Печать офсетная. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,86. Уч.-изд. л. 2,42.

Тираж 250 экз. Заказ № 1835.

Издательство Мордовского университета

Типография Издательства Мордовского университета

430000, г. Саранск, ул. Советская, 24

Введение. Становление и развитие системных идей в экологии

Впечатляющие успехи в развитии науки и техники на какое-то время создали иллюзию полной независимости человека от природы, подвластности всего окружающего человеку. В последнее время на смену таким представлениям приходит общественное осознание кровной заинтересованности человечества во всем, что происходит в окружающем его мире живого, познание необходимости не «покорения природы», а разумной ее эксплуатации. Характерной чертой новой системы взглядов на взаимоотношения человека с природой является понимание возможности необратимых последствий нашей деятельности и вытекающая отсюда острая потребность в прогнозировании, предсказании непосредственных и более отдаленных результатов нашего вмешательства в «естественный порядок вещей».

Существует несколько подходов к предсказанию поведения сложных систем: использование интуиции и богатого опыта исследователя, сравнение с данными экспериментов, проделанных на тождественных или похожих системах, и, наконец, математическое моделирование. В экологических исследованиях должны использоваться — и используются — все возможные подходы. Однако в наше время масштабы и характер вмешательства человека в природные экосистемы столь беспрецедентны, что интуиция исследователя сплошь и рядом отказывает. Возможности же экспериментирования с природными экосистемами по понятным причинам более чем ограниченны. Отсюда ясными становятся важность и актуальность математического моделирования в экологии.

Курс «Системной экологии» имеет целью обобщить полученные студентами за годы обучения в вузе знания по экологии на основе системного подхода к теоретическим вопросам общей экологии и применения системного анализа к решению экологических проблем, дать с единых позиций характеристику всех основных компонентов экосистем, описать их взаимосвязи друг с другом и с внешней средой.

Задача системной экологии состоит в описании принципов, упрощений и абстракций, к которым необходимо научиться сводить многообразие реального мира природы, прежде чем приступить к построению его математических моделей. В этом случае моделирование следует считать специфическим методом системной экологии, с помощью которого исследуются законы функционирования и развития экосистем во времени и пространстве.

Вообще говоря, системный подход не является строго методологической концепцией: он выполняет эвристические функции, ориентируя конкретные экологические исследования в двух основных направлениях. Во-первых, его содержательные принципы позволяют фиксировать недостаточность старых, традиционных методов изучения экосистем для постановки и решения новых задач их целостного исследования. Во-вторых, понятия и принципы конструктивного системного подхода помогают создавать новые программы изучения, ориентированные на раскрытие сущности процессов трансформации энергии, передачи вещества и информации в экосистемах.

Эффективное осуществление методологии системного подхода стало возможным только в середине 60-х гг., когда в распоряжение экологов поступили мощные ЭВМ и были разработаны методы моделирования сложных динамических систем, главным образом в аэрокосмических и технических исследованиях, которые в совокупности получили название системного анализа.

Именно к этому периоду относится появление первых публикаций по математическому моделированию динамики экосистем (биогеоценозов) в нашей стране (Ляпунов, 1966, 1968; Полетаев, 1966; Винберг, Анисимов, 1966; Эман, 1966) и за рубежом (Olson, 1963 - Watt (ed.), 1966; Van Dyne, 1966, 1969; Davidson, Clymer, 1966; Holling, 1966; Levins, 1966; King, Paulik, 1967; Odum, 1967). Начиная с этого времени применение в экологии системного анализа все более расширялось, что сопровождалось усовершенствованием моделей и приемов моделирования, а также обратным влиянием моделирования на стратегию и тактику экологических исследований и даже методологические установки экологов.

Успехи в изучении и моделировании экосистем, способствовали окончательному утверждению системной парадигмы, опирающейся на концепцию экосистемы.

? Вопросы к семинару ?

1) Каковы цели и задачи системной экологии? Что можно принять за метод системной экологии?

2) Что такое системный подход и когда он появился?

3) История формирования системных идей в экологии.

Тема 1. Основы теории систем и системного анализа Системы и закономерности их формирования и развития

1. Система. Простые и сложные системы. Классификация систем

«Система» (от греч. systema - целое, составленное из частей) считается одним из ключевых философско-методологических и специальных научных понятий. Система -совокупность элементов со связями между ними. Элемент системы из-за иерархической структуры мира сам оказывается системой со своими элементами. Фиксация системы делит мир на две части - на систему и среду. При этом подчеркивается большая сила связей элементов внутри системы по сравнению с силой связей с элементами среды.

Для идентификации систем необходимо задать еще один критерий, который Ю.А. Урманцев назвал «законом композиции». Выбор закона композиции даст возможность объединить те же объекты в разные системы.

Каждая система определяется некоторой структурой (элементы и взаимосвязи между ними) и поведением (изменение системы во времени).

Сложность системы на «структурном уровне» задается числом ее элементов и связей между ними. Дать определение «сложности» в этом случае чрезвычайно трудно: исследователь сталкивается с так называемым «эффектом кучи» (один шар - не куча, два шара - не куча, три - не куча, а вот сто шаров - куча, девяносто девять - куча; так где же граница между «кучей» и «не кучей»?).

Определить, что такое «сложная система на «поведенческом уровне» представляется более реалистичным.

Б.С. Флейшман (1978, 1982) предложил пять принципов усложняюиегося поведения систем, представленных на рис. 1.

Рис. 1. Принципы усложнения систем на поведенческом уровне

Системы, включающие в себя в качестве хотя бы одной подсистемы решающую систему (поведению которой присущ акт решения), называют сложными (системы 3-5 уровней; такие системы изучает системология). Классификация систем представлена на рисунке 2.

2. Иерархия уровней организации

Иерархия — это «расположение ступенчатым рядом». На каждой ступени, или уровне, в результате взаимодействия с окружающей физической средой (энергией и веществом) возникают характерные функциональные системы.

Рис. 2, Иерархии природных систем

Под системой подразумевают также «упорядоченные взаимодействующие и взаимозависимые компоненты, образующие единое целое»; в соответствии с другой точкой зрения система - это «набор взаимосвязей, составляющий поддающуюся идентификации единицу, реальную или концептуальную». Системы, содержащие живые компоненты (биологические системы или биосистемы) показаны на рисунок 3.

Рис. 3. Иерархия биосистем

Экология изучает системы, расположенные в правой части этого спектра, т.е. системы выше уровня организма. В экологии значение термина популяция, первоначально обозначавшего группу людей, расширено и обозначает группы особей любого вида организмов. Сообщество включает все популяции, занимающие данный участок. Сообщество и неживая среда функционируют совместно, образуя экологическую систему, или экосистему. Сообществу и экосистеме приблизительно соответствуют часто употребляемые в европейской и русской литературе термины биоценоз и биогеоценоз (буквально

жизнь и земля, функционирующие вместе). Биом — крупная региональная или субконтинентальная биосистема, характеризующаяся каким-либо основным типом растительности или другой характерной особенностью ландшафта. Самая крупная и наиболее близкая к идеалу в смысле «самообеспечения» биологическая система, которую мы знаем, — это биосфера, или экосфера; она включает все живые организмы Земли, находящиеся во взаимодействии с физической средой Земли как единое целое, чтобы поддерживать эту систему в состоянии устойчивого равновесия, получая поток энергии от Солнца, ее источника, и переизлучая эту энергию в космическое пространство. Под устойчивым равновесием мы понимаем способность саморегулируемой системы возвращаться в исходное состояние по крайней мере после небольшого отклонения.