1.6. Метод моделювання в екології

У зв'язку зі складністю екологічних систем щодо їх вивчення часто використовують

моделювання. Як модель може виступати матеріальна копія об'єкта екології, звичайно,

до певної міри спрощена. Наприклад, акваріум можна розглядати, як модель ставка. На

таких моделях отримують немало корисної інформації, але в цілому їх значення в екології

порівняно обмежене. Реальні екосистеми — це багатовидові, комплексні об'єкти, в той

час, як їхні моделі мають досить багато спрощень, і часто виявляються досить дорогими.

Отримання за допомогою матеріальних моделей інформації про стійкість, особливості

розвитку екосистем і т.п. вимагає багато часу, оскільки тривалість будь-якого процесу в

матеріальній моделі та реальному об'єкті має відношення 1:1.

Інший клас матеріальних моделей складають реальні об'єкти природи, спеціально

виділені для вивчення в природному середовищі. У цьому випадку говориться про «мо-

дель особини», «модель популяції» і т.п.

Більш широко в екології використовують абстрактні моделі. У даному випадку мо-

деллю називають деякі абстрактні описи того чи іншого об'єкту або явища реального

світу, що дозволяє аналізувати його властивості. Переваги абстрактних моделей поляга-

ють у тому, що вони дозволяють порівняно простими та недорогими засобами аналізувати

поведінку екологічних систем та передбачати характер їхніх змін при внесенні в систему

тих чи інших змін.

Головна вимога до абстрактних екологічних моделей — це точність та достатня

узагальненість. Точність абстрактних моделей у багатьох випадках залежить від кількості

вибраних для її конструювання елементів та параметрів системи. Включення до моделі

досить великої кількості компонентів ускладнює її аналіз, створює «шум». Навпаки, редукція І

кількості елементів до занадто малого їх числа робить модель далекою від реальності. І

Моделювання екологічних об'єктів на основі абстрактних моделей базується на ряді І

спільних рис. Спершу визначається об'єкт моделювання — популяція, екосистема і т.п.

Потім визначаються межі об'єкту, визначається мета моделювання, і на цій підставі

складається перелік компонентів та зв'язків, що включаються до моделі. Наступний важ-

ливий етап моделювання — це з'ясування співвідношення між компонентами моделі.

Результати цього етапу моделювання показані на прикладі спрощеної моделі екосистеми

лісу (рис.4).

Рис.4. Спрощена графічна модель екосистеми лісу, що показує міграцію елементів

мінерального живлення. 1 — надходження мінеральних речовин з опадами; 2 — надходження

мінеральних речовин із грунту; 3 — мінералізація органічних речовин та повернення мінеральних

речовин до грунту; 4 — вивітрювання гірської породи із збагаченням грунту мінеральними елемен-

тами; 5 — вимивання мінеральних речовин із грунту та гірських порід; 6 — находження мінеральних

\ речовин у водойми з опадами.

І

і Вони можуть мати вигляд стрілок, як це зроблено в схематичній моделі. Досить

' важливим етапом моделювання є кількісна оцінка усіх параметрів, що беруть участь у

функціонуванні об'єкту. Для прикладу, що приведений на рис.4, це можуть бути оцінки

ємності грунту щодо кількості мінеральних речовин, швидкість мінералізації речовин,

величина біомаси рослин, тварин та мікроорганізмів і т.п.

На кінцевому етапі співвідношення між компонентами та процесами можуть бути

представлені у вигляді математичного виразу. Всі розрахунки, пов'язані зі змінами

кількісних параметрів моделі, сьогодні виконуються за допомогою ЕОМ.

Під час конструювання та дослідження моделі перевіряється її відповідність реаль-

ному об'єкту. Модель може ускладнюватися шляхом додавання суттєвих, але спершу

У=У0ег'

є звичайною математичною моделлю росту популяції У цьому виразі у — щільність

популяції, у0 — початкова щільність популяції, г — константа, що показує здатність до

збільшення чисельності популяції даного виду, І — час, е — основа натурального лога-

рифму У цій моделі ріст популяції повністю визначається параметрами у0, г та ї Тому

модель, що тут представлена, називається детерміністською Але бюлого-еколопчні

процеси рідко коли мають жорстку визначеність Частіше вони залежать від випадкових,

стохастичних коливань значення якогось одного або декількох параметрів даної системи

Так, стохастичний характер може мати освітленість протягом доби через непередбаче-

ний рух хмар, зовсім випадковим є відвідання комахою-запилювачем певної квітки І т п

Введення стохастичного компоненту до математичних моделей, як виявилося, посилює

їхню відповідність реальності та підвищує достовірність прогнозів Моделі такого роду

називаються стохастичними Для їхньої реалізації в математичні вирази включають змінні

величини, значення яких мають випадковий характер І лежать у межах певної амплітуди

Використання математичних моделей вимагає від еколога досить вільного володіння

математичним апаратом Розрахункова сторона в наш час вирішується за рахунок залу-

чення ОЕМ та професіональних програмістів

Математичні моделі є потужним Інструментом сучасної екології Але метод абстракт-

ного моделювання має І свої вади Екологічна Інтерпретація математичних виразів, що І

отримуються після перетворення вихідних рівнянь, часто досить непроста Складні І

математичні моделі вкрай важко вирішуються, а прості сильно спрощують реалії природи І

та дають тривіальні результати Досвід роботи за Міжнародною біологічною програмою

показує недоцільність моделювання цілих екосистем Метод моделювання цілих екосис-

тем вимагає великих затрат та багато часу Так, розробка моделі низькотравних прерій у

США зайняла 8 років, над нею працювали 200 вчених з США та ряду зарубіжних країн І

загальні витрати склали 10 млн доларів Більш доцільно моделювати окремі підсистеми

До того ж досить великі системи, такі, як біосфера, практично не модулюються за великої

кількості зв'язків, що є в них, та високої значущості випадкових факторів

1.7. Короткий нарис історії екології. Українська

екологічна школа

Історія розвитку екологи як синтетичної наукової дисципліни порівняно нетривала

Одним Із перших, хто на межі XVIII та XIX ст ст усвідомив необхідність цілісної оцінки

природних комплексів був німецький натураліст А.Гумбольдт Його наукова спадщина

величезна — понад 600 робіт І, в тому числі, чудові монографії з Історії Південної Амери-

ки Можливо, А Гумбольдт одним Із перших став на шлях вияву глибинних зв'язків між

людством та природним середовищем У своїй книзі «Картини природи», що вийшла в

1808 році, він писав «Я скрізь помічаю той вплив, який постійно здійснює фізична приро-

да на моральний стан та долю людства»

ЦІ праці послужили поштовхом до синтезу даних геологи, геоботаніки, гідрологи,

ґрунтознавства, кліматологи багатьма наступними вченими Протягом XIX та початку XX

століття розвиток спеціальних аналітичних наук сприяв накопиченню фактичних даних,

без яких було б неможливим формування екології як сучасної синтетичної науки Було

встановлено, що живі організми своїм Існуванням та розвитком найтіснішим чином залежні

від природного середовища Аутеколопя тварин та рослин в першій половині XX століття

стала повноправною науковою дисципліною

Засновником екології в її сучасному вигляді можна вважати німецького вченого

Е.Геккеля, який визначив екологію як науку про загальну «економіку природи» Він же

запропонував І сам термін «екологія» У становленні екології корисну роль зіграли праці

К.Мьобіуса (1877) І зокрема запропоноване ним поняття біоценозу, або бюму як сукупності

організмів, що Існують разом Ф.Даль (1890) в свою чергу запропонував темін біотоп,

що означав комплекс абіотичних факторів, що визначають життєдіяльність організмів У

наш час його частіше замінюють синонімом — екотоп К.ФрІдерікс доповнив цей підхід

Ідеєю про «голоцен» як про цілісну одиницю, що включає в себе біоценоз та його екотоп

Синтетичному погляду на природні комплекси сприяли праці Г.Ф.Морозова (1912),

засновника вчення про ліс як цілісну природну систему Видатний вчений В.В.Докучаєв

у першій половині нашого століття створив вчення про грунт як особливе бюкосне при-

родне тіло, яке є результатом взаємодії материнських гірських порід та живих організмів

Прогресивну роль в Історії екології зіграло поняття екосистеми, що було введене

англійським вченим А.Тенслі (1948)

Особливе місце в Історії екології посідають відкриття всесвітньо відомого вченого

В.І.Вернадського (1930 — 1945), автора вчення про біосферу Він довів наявність широ-

комасштабного впливу живих організмів на абіотичне середовище У той період, коли

наукова громадськість вже була підготовлена до цілісного бачення природи, він своєчасно

запропонував вчення про біосферу як про одну з оболонок Землі, що визначається

присутністю живої речовини В І Вернадський вперше ввів у вивчення біосфери кількісний

підхід, що дозволило об'єктивно оцінити масштаби біогеохімічного кругообігу речовин

Вчення В І Вернадського про ноосферу додатково узагальнило численні дані про

нерозривність зв'язку людини з природним середовищем Найбільшу роль у становленні

сучасної екології відіграла публікація монографій Із цієї наукової дисципліни американсь-

кого вченого Ю.О дума в 1970—90 роках

Середина та друга половина XX століття ознаменувалися виникненням широкого

фронту екологічних досліджень, у яких помітну роль відіграють й екологи України Пер-

ший науковий центр екологічних досліджень в Україні був створений у 1930 році Це був

сектор екології при Інституті зоологи та ботаніки Харківського державного університету

Дослідження в галузі екологи, виконані в цьому центрі В.В.Станчинським (1930— 1940),

були з багатьох поглядів піонерними й оригінальними Він за 10 років раніше від

В Н Сукачова підійшов до Ідеї біогеоценозу як функціональної єдності біоценозу та

абіотичних факторів Праця В.В.Станчинського «До розуміння біоценозу» (1933) є

класичною в області вивчення зв'язків між організмами в ценотичних системах

Світове визнання отримали дослідження українських вчених І.Г.Підоплічка, Ф.А. Гриня,

С.М.Стойка, П.С.Погребняка, Д.В.Воробйова І багатьох Інших у 1940 — 1980 роках

(принципи раціонального природокористування, типологія лісів на основі едафічних ме-

реж, роботи в екології ландшафтів та Інші)

Широку відомість отримали дослідження штучних лісів України, виконані О.Л.Бель-

гардтом (1971), А.П.Травлєєв (1980 — 1985) є засновником вчення про лісові підстилки

та їх екологічну значущість

Великою оригінальністю характеризувалися праці академіка М.Г.Холодного — в

екології залізобактерій, які зробили значний внесок до концепції про біогеохімічні цикли

Ним же були вперше знайдені фітогенні речовини в атмосфері та закладений фундамент

майбутньої нової науки — алелопатії

У сучасний період в Україні широке визнання отримали екологічні роботи академіків

М.А.Голубця, К.М.Ситника, Ю.Р.Шеляг-Сосонка У головних наукових центрах України

в Києві, Львові, Дніпропетровську ведуться активні розробки складних екологічних проб-

лем У працях М А Голубця та Ю Р Шеляг-Сосонка розвинуті методологічні та концептуальні

основи сучасної екології Особливо важливими для розвитку екологи стали монографія

М А Голубця «Актуальні питання екологи» та монографія «Методологія геоботаніки» (ав-

тори Ю Р Шеляг-Сосонко, В С Крисаченкота Я І Мовчан) Є.М./Сондрагкж(1970— 1980)

розробив оригінальні методи рекультивації териконів Донбасу Вони склали новий кон-

цептуальний етап у промисловій екологи Перспективні роботи розпочаті у нещодавно

відкритому Інституті екологи Карпат

Екологи України зробили вагомий внесок у розробку методів оцінки рівня радіоактивного

забруднення великих територій та обгрунтування заходів зниження екологічних збитків від

наслідків аварії на Чорнобильській АЕС Українським екологам завжди був притаманний

Інтерес до філософських проблем, що виникають при аналізі системи «людина — природ-

не середовище» У цьому напрямку позитивну роль зіграла серія публікацій В.С.Крисаченка.