Анализ популяции живых организмов в экосистеме

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Моделирование гипотез развития экосистем

2. Прогноз развития социо-эколого-экономической системы

3. Глобальные прогностические модели

4. Доклады "Римского клуба"

Список литературы

1. Моделирование гипотез развития экосистем

Отношения между живыми организмами в экосистеме характеризуются отношениями типа "хищник -- жертва". Для популяции живых организмов характерны определенные устойчивые пропорции или колебания в численности, если на них не оказывают влияние неожиданные факторы: стихийные бедствия, вмешательство человека. Описание процессов, которые происходят в природе, подчас весьма сложны, и ученые рассматривают, предлагают и отвергают различные гипотезы, объясняющие анализируемые явления. Например, колебания в численности в популяции рыси в Канаде соответствуют колебаниям численности их основной жертвы -- зайца-беляка.

Данные конторы Гудзон-Бей Компани позволяют анализировать численность популяции обоих животных за длительный период времени (рис.1). Базируясь на том, что колебания численности хищников и жертвы нередко тесно связаны между собой, некоторые ученые-экологи выдвинули гипотезу, в соответствии с которой увеличение популяции зайцев сопровождается увеличением популяции рыси, которая в конце концов достигает такой плотности, что популяция зайца не может выдержать давление рыси и начинает сокращаться. Вслед за этим численность рыси также сокращается. Когда рыси становится мало, популяция зайца вновь восстанавливается и цикл возобновляется.

Рис. 1. Циклические колебания численности зайца-беляка и рыси в районе Гудзонова залива

Такая гипотеза может быть отображена в виде знакового графа (рис. 2). Здесь в виде кружков отображается численность рыси и зайца-беляка, а в виде стрелок - воздействия одного показателя на другой.

Рис. 2. Отображение гипотезы взаимного регулирования популяции рыси и зайцев

Знак "--" на дуге от вершины "Рысь" к вершине "Заяц" показывает, что рост популяции рыси уменьшает популяцию зайцев. Обратная дуга имеет знак "+", что означает фиксацию факта влияния увеличения числа зайцев на увеличение популяции рыси. Таким образом, на рис. 2 изображен знаковый ориентированный граф (орграф). С помощью построенного знакового орграфа можно выяснить важные свойства изучаемой экосистемы. Конечно, это исследование будет носить предварительный характер, но наша задача -- оценить справедливость высказанной гипотезы и определить тенденции развития такой экосистемы.

Для моделирования на основе знакового орграфа следует воспользоваться импульсным процессом. Если увеличение показателя принять за 1 балл и начальное увеличение дать популяции зайцев, то в следующий момент популяция рыси увеличится также на единицу за счет передачи начального импульса в размере единицы от зайцев к рыси по дуге, имеющей знак "+". Далее увеличение рыси должно быть передано показателю зайцев. Поскольку дуга, соединяющая показатель "Рысь" и показатель "Заяц", имеет знак "--", то популяция зайцев уменьшится на единицу и будет равна нулю. Процесс будет продолжаться циклично. Динамика экосистемы "Рысь -- Зайцы" показана на рис. 3.

Рис. 3. Тенденция изменения взаимного регулирования численности популяции рыси и зайцев (на базе знакового орграфа -- рис. 2).

Модель демонстрирует гипотезу, выдвинутую рядом ученых. Величины изменения популяции даны в баллах, поскольку слишком грубая модель влияния не дает возможности численно оценить изменения популяции. С помощью приведенной модели и рассчитанных графиков можно лишь получить подтверждение гипотезы о наличии колебаний в обеих популяциях. Однако данной гипотезе многое противоречит:

* популяция рысей не может увеличиваться с такой скоростью, чтобы вызвать сокращение популяции зайца;

* на некоторых островках, где рыси нет, наблюдаются такие же колебания численности зайца-беляка, как и на материке.

Другая гипотеза заключается в том, что циклы численности популяции зайцев вызваны периодическим снижением качества и количества растений, которыми питается заяц, что в свою очередь вызывает сокращение популяции этих животных, создавая возможность для восстановления растительности после ее чрезмерного выедания. Колебания численности рыси пассивно следуют за циклическими изменениями популяции их жертвы. В этом случае можно построить иную модель на базе знакового орграфа (рис.4)

Рис. 4. Знаковый орграф, отображающий гипотезу колебаний численности зайцев вследствие периодического изменения количества и качества растений

Для того чтобы выяснить тенденцию изменения популяции животных с помощью построения орграфа, следует задать начальные изменения (импульс) для активизирующего эту экосистему показателя. Исходя их логики гипотезы, таким живым организмом являются растения. Пусть их начальным значением будет 1 балл. В такой ситуации можно исследовать динамику функционирования экосистемы и получить график, приведенный на рис.5.

Рис. 5. Динамика экосистемы, изображенной на рис. 4.

В приведенной на рис. 5 модели количество растений регулируется зайцами. Однако в высказанной учеными гипотезе есть предположение об изменении количества и качества растений под воздействием различного набора факторов -- климатических, биологических и прочих. Разделим все факторы на благоприятные (Ф+) и неблагоприятные (Ф--). В таком случае модель экосистемы существенно усложнится и может быть представлена орграфом следующего вида (рис. 6).

Рис. 6. Орграф, учитывающий влияние разнообразных факторов на количество и качество растений

Результаты моделирования представлены на рис. 6. Полученные результаты наглядно демонстрируют справедливость выдвинутой учеными гипотезы и основные тенденции в колебаниях популяции живых организмов. Знаковый граф не в силах дать численную оценку изменения популяции. С его помощью можно концептуально оценить взаимодействие живых организмов в системе и определить возможные сдвиги в их популяции.

Рис. 7. Результаты моделирования на базе орграфа, представленного на рис. 6.

2. Прогноз развития социо-эколого-экономической системы

Сфера применения орграфов еще больше расширяется, если использовать не знаковые, а взвешенные орграфы. Во взвешенном орграфе каждой дуге присваивается не знак, а коэффициент, больший или меньший единицы (со своим знаком). Импульсная или абсолютная устойчивость взвешенного орграфа предупреждает о том, что в системе что-то не в порядке, необходимо изменить структуру системы (добавить новые вершины, удалить или добавить дуги, изменить коэффициенты) или провести искусственное регулирование.

Особенностью многокомпонентных задач является то, что с помощью орграфов удается объединить в модели системы различные социальные, экономические и экологические показатели. Часть этих показателей может иметь статистическую базу, другая часть -- не иметь, а третья -- оцениваться качественно. С помощью решения многокомпонентных задач можно оценить тенденцию развития системы, что, безусловно, ценно. Но при уточнении модели можно сформировать количественный прогноз изменения показателей системы, а также найти различные варианты воздействия на изучаемую систему с целью получения лучшего варианта.

До сих пор рассматривались ориентированные графы, в которых единственной количественной характеристикой является весовой коэффициент (или знак) на дуге. Для прогнозирования экосистем этого недостаточно, поскольку специалистов может интересовать вопрос не только о том, какой будет система, но и в какие сроки система достигнет того или иного состояния. В этом случае необходимо каждой дуге поставить в соответствие не только коэффициент, определяющий влияние одного показателя на другой, но и задержку реализации изменения одного показателя в ответ на изменение другого. Если эта задержка равна нулю, то изменение показателя будет произведено мгновенно; если же указан определенный интервал времени, то изменение показателя будет произведено только по прошествии указанного интервала времени. Эти возможности еще более усиливают применяемый математический аппарат и делают его привлекательнее.

Рассмотрим простейший пример, в котором используются временные задержки. На рис.8 представлен орграф модели развития промышленного центра и состояния окружающей среды. В нем даны весовые коэффициенты и время задержки реализации воздействия одного показателя на другой, выраженное в годах

Рис.8. Взвешенный орграф с временными задержками для изучения развития промышленного центра и состояния окружающей среды

В результате моделирования на основе данного взвешенного орграфа с временными задержками можно получить тенденцию изменения показателей в привязке к оси времени. Полученный график представлен на рис.9.

Рис.9. Изменение показателей в соответствии с результатами моделирования на основе орграфа, представленного на рис.8.

При разработке модели на базе орграфа можно использовать статистические методы. Однако статистические данные по показателям, всесторонне характеризующим социо-эколого-экономическую систему, отсутствуют. Поэтому для формирования ориентированного графа и определения весов на его дугах следует воспользоваться методами экспертных оценок.

* Оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС) представляет собой всесторонний анализ некоторого проекта (вида деятельности) с точки зрения связанных с ним экологических последствий до принятия решения о его осуществлении. Цель ОВОС -- предвидение возможных нарушений в окружающей природной среде, связанных с хозяйственной деятельностью. Для ОВОС следует использовать многокомпонентный анализ, не ограничиваться узкими экономическими критериями эффективности: приведенными затратами, себестоимостью продукции и т.д. Необходимо учитывать устойчивость природных систем, поскольку хозяйственный объект, пригодный для одной природной системы, будет совершенно не пригоден для другой.

* Главные свойства сложных систем -- иерархичность (наличие соподчиненных систем различных уровней), эмерджентность (наличие свойств системы, отличных от свойств ее отдельных подсистем и элементов), наличие катастроф развития (скачкообразных изменений некоторых переменных в ответ на плавное изменение внешних условий).

* Сложность процедуры ОВОС состоит еще и в том, что при обосновании проекта приходится оценивать, как указывалось выше, не реальную, а гипотетическую природную систему, возникающую после строительства объекта или осуществления запланированного вида деятельности. Для решения задач ОВОС широко привлекаются эксперты. Резкое снижение затрат на решение задач ОВОС и получение результатов достаточной точности возможны на основе реализации экспресс-метода. Системное представление и анализ изучаемого объекта обеспечиваются за счет использования специального математического аппарата теории графов.

* Ориентированные графы составляют основу решения многокомпонентных задач в зависимости от значений на дугах, которые расставляются экспертами или определяются на базе статистической информации, ориентированные графы, (орграфы) могут быть знаковыми, взвешенными.

* Моделирование развития системы на орграфе осуществляется с помощью импульсных процессов. В орграфе могут быть контуры положительной или отрицательной обратной связи. Вид обратной связи определяет устойчивость системы: абсолютную или импульсную. С целью привязки к шкале времени на дугах орграфа должны быть указаны задерждки времени.

* Многокомпонентные задачи позволяют моделировать экосистемы "хищник--жертва". Биологические принципы устойчивости экосистем реализуются в моделях на орграфах. Концептуальное представление точек равновесия можно продемонстрировать с помощью кривых выедания и накопления, а также большие возмущения в экосистеме и переход системы из одного равновесного состояния в другое.

* С помощью моделирования многокомпонентных задач на орграфах можно проверить варианты выдвинутых научных гипотез исходя из логических построений, которые достаточны для создания формализованной математической модели.

3. Глобальные прогностические модели

Человек всегда стремился узнать свое будущее и будущее всего человечества. В настоящее время многие футурологи предсказывают мрачную картину развития глобальных экологических проблем в будущем, но есть и те, кто выражает оптимистические взгляды.

Попытки прогнозировать будущее всего мира на основе математических моделей и вычислительной техники привели к возникновению нового междисциплинарного направления -- глобального моделирования. Основные результаты глобального моделирования следующие:

-- технологический прогресс желателен и жизненно необходим, но необходимы также социальные, экономические и политические изменения;

-- народонаселение и ресурсы не могут расти бесконечно на конечной планете;

-- нам неизвестна емкость среды, т.е. неизвестно, до какой степени физическая среда Земли и системы жизнеобеспечения смогут удовлетворять нужды и потребности будущего роста населения; снижение роста уменьшит вероятность превышения допустимого уровня;

-- природа будущего глобального устройства мира не предопределена; многое зависит от того, как скоро изменятся существующие нежелательные тенденции;

-- цивилизация представляет собой систему, поэтому при приближении к пределу в отношении ресурсов сотрудничество имеет большую ценность, чем конкуренция.

Однако из-за недостаточности информации даже вся сумма глобальных прогностических моделей не дает ответа на главные вопросы, стоящие перед человечеством.

Для предотвращения глобальной экологической катастрофы взаимоотношения человеческого общества и природы должны перестроиться в направлении их коэволюции. Коэволюция общества и природы подразумевает их совместную, взаимосвязанную эволюцию. Однако эволюция в природе идет более медленно, чем социальная и научно-техническая эволюция человека, поэтому природа не успевает приспосабливаться к антропогенным изменениям.

Общество должно сознательно ограничить свое воздействие на природу, чтобы сохранить возможность дальнейшей коэволюции. Такое совместное развитие общества и природы, обеспечивающее коэволюцию называется устойчивым.

Стратегия устойчивого развития

В 1991 г. была принята Всемирная стратегия охраны природы. Этот документ получил название: "Забота о Земле -- стратегия устойчивого существования".

Документ состоит из 3 частей.

В первой части провозглашаются принципы устойчивого развития:

-- уважение и забота обо всем сущем на Земле;

-- повышение качества жизни;

-- сохранение жизнеспособности и разнообразия экосистем;

-- предотвращение истощения невозобновимых ресурсов;

-- развитие в пределах потенциальной емкости экосистем;

-- изменение сознания человека и стереотипов его поведения;

-- поощрение социальной заинтересованности общества в сохранении среды обитания;

-- выработка национальных концепций интеграции социально-экономического развития и охраны окружающей среды;

-- достижение единства действий на мировом уровне.

Во второй и третьей частях документа даны рекомендации по претворению этих принципов в жизнь.

Цель стратегии: не заменяя национальных программ охраны окружающей среды, дать основные ориентиры.

Стратегия ставит две основные задачи: выживание человечества и философское определение смысла жизни человека.

Перспектива сохранения человека как вида уже сейчас достаточно проблематична. Сейчас человек находится в наиболее агрессивной стадии своего развития; он пытается осознать, что либо он впишется в биосферу, приспособится к ней, либо его постигнет судьба вымерших видов. Однако выживание не является сугубо человеческой задачей. В этом смысле человек мало отличается от других живых существ. Кроме этого, в Стратегии сформулировано понятие " духовности" как наличие целей, отличающихся от простого выживания.

4. Доклады "Римского клуба"

биологический экосистема организм популяция

Риммский клуб -- международная общественная организация, созданная итальянским промышленником Аурелио Печчеи (который стал его первым президентом) и генеральным директором по вопросам науки ОЭСР Александром Кингом 6-7 апреля 1968 года, объединяющая представителей мировой политической, финансовой, культурной и научной элиты. Организация внесла значительный вклад в изучение перспектив развития биосферы и пропаганду идеи гармонизации отношений человека и природы.

Одной из главных своих задач Римский клуб изначально считал привлечение внимания мировой общественности к глобальным проблемам посредством своих докладов.

Римский клуб организует крупномасштабные исследования по широкому кругу вопросов, но в основном в социально-экономической области.

Членство в Римском клубе ограничено (100 человек). "Как правило, члены правительств не могут одновременно быть членами Римского клуба". Ни один из участников Римского клуба не представляет любую государственную организацию и не отображает какой-нибудь один -- идеологический, политический или национальный -- взгляд.

Пытаясь воззвать к людям планеты, Римский клуб занялся организацией научных исследований глобальной проблематики и широкой публикацией полученных результатов в форме докладов. За более чем 25 лет был проведен анализ важнейших мировых проблем, разработаны научные методы, вошедшие в арсенал новой науки - глобалистики, высказаны практические рекомендации, предложены альтернативные сценарии мирового развития. Серия докладов Римскому клубу наглядно отражает историю становления глобального мышления. Всего по заказу Римского клуба было подготовлено около 20 докладов и один доклад (отчет) был сделан самим Клубом.

Одной из главных своих задач Римский клуб изначально считал привлечение внимания мировой общественности к глобальным проблемам, вернее, к цельному и сложному клубку проблем, который стало принято называть "проблематикой".

Создатели клуба задумывали его как некий форум, представляющий самые разные взгляды и мнения, где нет или не обязательна единая точка зрения. Римский клуб организует и проводит ежегодные конференции и обращается к общественности с так называемыми "докладами Римскому клубу". Доклады эти готовят независимые рабочие группы, исследующие по заказу Клуба критические аспекты складывающейся в мире ситуации. Заказ Клуба определяет лишь тему и гарантирует финансирование научных исследований, но ни в коем случае не влияет ни на ход работы, ни на ее результаты и выводы; авторы докладов, в том числе и те из них, кто входит в число членов Клуба, пользуются полной свободой и независимостью. Заметим, что работы финансируются не из средств Клуба, который располагает весьма скромным бюджетом, а из внешних источников, обычно путем привлечения различных фондов. Получив готовый доклад. Клуб рассматривает и утверждает его, как правило, в ходе ежегодной конференции, нередко в присутствии широкой публики - представителей общественности, науки, политических деятелей, прессы,- а затем занимается распространением результатов исследования, публикуя доклады и проводя их обсуждение в разных аудиториях и странах мира.

Большую роль в оценке нынешних и будущих трудностей человечества играет группа ученых "Римского клуба". С 1968 г. ими издается серия "Доклады Римского клуба" под общим названием "Затруднения человечества".

Первый из докладов: "Пределы роста" -- был подготовлен в 1972 г. под руководством супругов Д. и Д. Медоуз (США). В докладе на результатах моделирования было показано, что при сохранении современных экономических и политических методов промышленный рост и потребление ресурсов и энергии будут продолжаться увеличиваться ускоряющимися темпами до тех пор, пока не будет достигнут некий предел. Затем произойдет катастрофа. Причиной является рост численности населения и общественная мания роста, когда на каждом уровне (индивидуальном, семейном, классовом, национальном) ставится одна цель -- стать богаче и могущественнее, без учета платы за экспоненциальный рост.

Второй доклад: "Человечество на перепутье" -- был подготовлен М. Ме-серовичем и Э. Пестелем (США и ФРГ). Авторы пришли к заключению, что пассивное следование стихийному развитию ведет к гибели, поэтому мир больше не должен развиваться стихийно. Стихийное развитие мира ведет к постоянно расширяющейся пропасти, лежащей в основе современного кризиса: между человеком и природой и между богатыми и бедными. Избежать катастрофы можно только ликвидировав эти пропасти.

Третий доклад: "Перестройка международного порядка" -- был подготовлен голландским экономистом Я. Тинбергеном с соавторами и показывал, что сочетание локальных и глобальных целей возможно.

Четвертый доклад: "Цели для глобального общества" -- был составлен философом Э.Ласло и освещал два фундаментальных вопроса: в чем заключаются цели человечества и согласны ли мы предпочесть материальному росту развитие духовных человеческих качеств?

Благодаря усилиям Римского клуба быстро возросла международная освещенность о мировой проблематике. Клуб первым перешел от анализа и диагностики состояния нашей цивилизаци и к поиску и предписанию средств и путей выхода из критической ситуации.

Список литературы

1. Википедия.

2. "Экология и экономика природопользования", С.Н. Бобылев, А.Л. Новоселов, Н.В. Чепурных.

3. http://val--s.narod.ru/rome1.htm

4. http://do.gendocs.ru/docs/index-4146.html

5. http://do.gendocs.ru/docs/index-4146.html?page=47

Размещено на Allbest.ru