3. Системний підхід і системний аналіз

Об'єкти пізнання, які досліджуються сучасною наукою, переважно являють собою складні цілісні системи різного походження і різного ступеня складності. Тому і досліджують такі об'єкти за допомогою специфічних засобів - системного підходу і системного аналізу. Розкрити їх сутність неможливо без уявлення про те, що являє собою система.

Поняття про систему є категорією філософською. Сучасна філософія вкладає у це поняття дуже широкий зміст. З точки зору філософії система (від грецького systema - складене з частин, поєднання) - множина елементів, які знаходяться у відношеннях і зв'язках між собою, завдяки чому утворюється певна цілісність, єдність. Термін "система" використовується людством з давніх часів і охоплює значний перелік об'єктів різного походження: сонячна система, система числення, виробнича система тощо.

Розвиток поняття про систему має тривалу історію. Перші уявлення про систему виникли в античній філософії, яка висунула тлумачення системи як упорядкованості і цілісності буття. В давньогрецькій філософії і науці (Евклід, Платон, Арістотель) розглядалася ідея системності знання. В XVII-XVIII століттях ідеї системності світу знаходили відображення в працях Б.Спінози та Г.Лейбніца. Принципи системної природи знання розроблювались у німецькій класичній філософії І.Кантом й Г.Гегелем. Пізніше поняття про систему почали застосовувати в математиці, механіці тощо. Поступово воно увійшло в найрізноманітніші галузі науки (в першу чергу суспільні й гуманітарні), в техніку, кібернетику і т.ін. Знайшло застосування поняття про систему і в педагогічній науці: дидактична система, система навчання, система виховання, система трудового навчання, система методів навчання, система завдань тощо.

Зазнавши тривалої історичної еволюції, поняття про систему з середини XX століття стає одним з провідних філософсько-методологічних і спеціально-наукових понять.

У найбільш загальному випадку під системою розуміють упорядковану сукупність якісно визначених елементів, між якими існує закономірний зв'язок чи взаємодія, і яка спрямована на досягнення певної мети. Це означає, що поняття про систему грунтується на трьох положення:

• система утворюється сукупністю (множиною) елементів, що мають зв'язки між собою;

• ця сукупність утворює єдине ціле, тобто видалення одного з елементів сукупності порушить властивість цілісності;

• утворене сукупністю елементів єдине ціле має певну мету або призначення, властиве для всієї сукупності елементів, а не для якоїсь комбінації з них.

Рис. 2. Схематичне зображення системи

Елемент системи являє собою таку її частину, яка не підлягає подальшому поділу, щоб виконувати властиві для неї функції. Так, елементами системи "автомобіль", якщо розглядати його як множину агрегатів, будуть двигун, коробка передач, система зчеплення, задній міст тощо. Звісно, що кожний з цих елементів автомобіля можна розібрати на дрібніші складові частини, але вони вже не будуть забезпечувати відповідних функцій кожного із вказаних агрегатів. Отже, можна вважати, що на певних етапах дослідження елементи системи можуть розглядатись як безструктурні.

Між елементами системи існують відповідні зв'язки. Вони можуть бути двох видів: першого і другого порядку. Зв'язки першого порядку є необхідними для здійснення процесів, які відбуваються в системі. Зв'язки другого порядку називають додатковими - вони покращують функціонування системи. Так, система дорожнього руху складається з таких елементів: дорога, автомобіль, водій, дорожні знаки. Зв'язки дорога - автомобіль, автомобіль - водій, водій - дорога слід вважати зв'язками першого порядку, тому що при відсутності хоча б одного з них не виконується функція системи. У той же час зв'язок водій - дорожні знаки є додатковим, тому що він спрямований на упорядкування дорожнього руху, тобто на покращання функціонування всієї системи.

Будь-яка система існує (функціонує) у середовищі, що її оточує. В реальній дійсності немає абсолютно ізольованих або відокремлених систем. Середовище завжди впливає на внутрішній стан системи. Цей вплив відбувається за допомогою деяких факторів.

Вплив факторів зовнішнього середовища на систему характеризують вхідними (екзогенними) величинами, а елементи системи, на які відбувається вплив, називають входами системи. У свою чергу система не може бути нейтральною до зовнішнього середовища. Її вплив на зовнішнє середовище характеризується значенням вихідних (ендогенних) величин. Наприклад, будь-який виробничий процес можна розглядати як економічну систему, елементами якої є люди, техніка, технології, інформація тощо. Вхідними величинами такої системи є енергія, сировина і матеріали, попит на продукцію і т.ін., вихідними величинами - готова продукція, різні послуги.

Всі існуючі системи підпорядковуються певним принципам, до яких відносяться:

1. Принцип цілісності, полягає у тому, що не можна звести властивості системи до суми властивостей її складових елементів, а з властивостей останніх не випливають властивості системи. Властивості і відношення кожного елемента системи залежать від його місця і функцій в системі.

2. Принцип структурності, означає, що будь-яку систему можна охарактеризувати на основі існуючих зв'язків і відношень між її елементами, тобто на основі її структури. Поведінка системи обумовлюється поведінкою її окремих елементів і властивостями її структури.

3. Принцип взаємозалежності системи і середовища, полягає у тому, що система формує і проявляє свої властивості в процесі її взаємодії із середовищем, в якому функціонує дана система і у взаємовідносинах з котрим система відображає свою цілісність.

4. Принцип ієрархічності, полягає у тому, що будь-яка система може бути елементом системи більш високого порядку, у той час як її елементи можуть бути системами більш низького порядку.

5. Принцип множинності опису системи, означає, що через принципову складність кожної системи її адекватне пізнання вимагає побудови значної кількості різних моделей, кожна з яких описує чи відображає лише певний аспект системи.

Існують найрізноманітніші системи. Тому їх певним чином класифікують.

Узагальнено розрізняють системи цілісні та сумативні. Цілісним системам властиві нові інтегративні якості, які відсутні у тих частин чи компонентів, що їх утворюють. В сумативних системах при введенні чи виключенні з них компонентів ні з самою системою, ні з її компонентами не відбувається яких-небудь помітних якісних змін. Головна властивість сумативної системи - адитивність (властивості системи дорівнюють сумі властивостей її компонентів). Слід мати на увазі, що абсолютного розходження між цілісними і сумативними системами не існує.

Залежно від походження та характеру системи бувають матеріальні та абстрактні. Матеріальні системи в свою чергу діляться на системи неорганічної природи (фізичні, геологічні, хімічні та інші) і живі системи (клітини, біологічні види, екологічні системи тощо). Абстрактні системи є продуктом людського мислення. До них відносяться поняття, гіпотези, теорії, логічні та лінгвістичні побудови тощо.

Особливим класом матеріальних живих систем є соціальні системи: соціально-економічна формація, держава, виробничий колектив, сім'я.

За ознакою походження системи діляться на природні і створені людиною (штучні). Клімат, грунти, ліси, моря є природними системами. У той же час міста, підприємства, транспорт і таке інше є системами, створеними людиною. Серед систем, створених людиною, особливо виділяють людино-машинні системи, у рамках яких найбільш доцільно поєднуються можливості людини і машини.

За ознакою стану системи бувають статичні і динамічні. Для статичної системи її стан із зміною часу залишається постійним. Динамічна система змінює свій стан за часом.

За характером взаємовідношення системи і середовища системи діляться на закриті і відкриті. Закриті (замкнуті) системи характеризуються тим, що до них не надходить і з них не виділяється речовина або інформація, а відбувається лише обмін енергією між системою і середовищем. Відкриті (незамкнуті) системи характеризуються тим, що у них постійно відбувається введення і виведення не тільки енергії чи інформації, але і речовини.

Вивчення будь-якої системи пов'язується із з'ясуванням найважливіших її характеристик - функції, мети (призначення) і структури.

Визначення функції системи потрібне для того, щоб усвідомити важливість цієї системи, визначити її місце, тобто оцінити відношення до інших систем. Під функцією системи звичайно розуміють ті дії системи, котрі знаходять прояв у зміні її можливих станів. Система може просто існувати, бути середовище, у якому перебувають інші системи, забезпечувати систему більш високого порядку.

Виконання системою своїх функцій прийнято називати функціонуванням системи. Функціонування системи можна розглядати як еволюційний перехід її з одного стану до інших можливих станів. Множина всіх можливих станів системи визначається кількістю її елементів, їх властивостями і різноманітністю зв'язків між ними. Тому функція системи характеризує її як єдине ціле, як результат взаємодії її елементів між собою і з вхідними параметрами.

Метою (призначенням) системи називається певне, "бажане" (заданий ззовні або встановлений самою системою) стан її виходів, тобто деяке значення або підмножина значень функцій системи.

Кожна система має свою структуру. Вона визначається розміщенням і взаємозв'язками елементів системи при виконанні нею своїх функцій. Отже, структура системи - це сукупність елементів і зв'язків між ними. Зазвичай вона залежить від величини і складності системи. Величина системи характеризується кількістю її елементів і зв'язків між ними, а складність - різноманітністю, неоднорідністю властивостей елементів і різною якістю зв'язків (прямі, зворотні, нейтральні). Таким чином, структура великих і складних систем відрізняється від звичайних систем не тільки кількістю елементів, але й більш високим рівнем їх організації, більш глибокими взаємозв'язками цих елементів.

Одна і та ж система може розглядатись у різних аспектах і відображатись у різних структурних схемах. Так, якщо планується вивчити взаємодію різних підрозділів, наприклад, підприємства, то його структуру можна уявити як сукупність виробничих і невиробничих підрозділів (цехів, відділів, служб тощо) та зв'язків між ними. У той же час структуру цього підприємства можна подати як сукупність різного виробничого обладнання, пов'язаного між собою спільним технологічним процесом.

Великим і складним системам притаманні властивості цілісності та емерджементності.

Цілісність системи означає, що всі її частини сприяють досягненню спільної мети і формуванню найкращих результатів відповідно до певного критерію (сукупності критеріїв) ефективності. Отже система повинна розглядатись тільки як щось єдине ціле.

Емерджементність (від англійського emergense - поява нового) знаходить прояв у тому, що великі і складні системи мають властивості, не притаманні ні одному з формуючих цю систему елементів. З розвитком великої і складної системи взаємозв'язок елементів підсилюється, і на певному етапі емерджементність досягає такого рівня, при якому цілісні характеристики системи можна спостерігати за властивостями окремих елементів.

Системний підхід - спосіб теоретичного і практичного дослідження, при якому кожний об'єкт розглядається як система. Він являє собою сукупність методологічних принципів і положень, які дають можливість розглядати систему як єдине ціле з узгодженням функціонування всіх її елементів. На основі системного підходу передбачається вивчення кожного елемента системи у його зв'язку і взаємодії з іншими елементами, що дає можливість спостерігати зміни в системі внаслідок змін окремих її ланок. Тобто при системному підході дослідник може вивчати у структурі системи не окремі її елементи, що утворюють цілісність цієї системи, а взаємовідносини і зв'язки різних елементів системи в цілому. Системний підхід є конкретизацією вимоги діалектики про розгляд кожного предмета у його взаємовідношеннях і взаємозв'язках з іншими предметами.

Системний підхід можна розглядати як певний етап у розвитку методів пізнання. Найбільш широке застосування системний підхід знаходить при дослідженні складних об'єктів, які постійно розвиваються - багаторівневих, ієрархічних, систем що самоорганізуються: біологічних, психологічних, соціальних, систем типу "людина-машина" тощо.

В системному дослідженні об'єкт, що піддається аналізу, розглядається як певна множина елементів, взаємозв'язок між якими зумовлює цілісні властивості цієї множини. Властивості об'єкта як цілісної системи визначаються не тільки і не стільки сумуванням властивостей його окремих елементів, скільки властивостями його структури, особливими системотвірними, інтегративними зв'язками об'єкта, що розглядається.

Важливою особливістю системного підходу є те, що не тільки об'єкт, але й сам процес дослідження виступає як складна система, завдання якої, зокрема, полягає в поєднанні в єдине ціле різних моделей об'єкта. Системні об'єкти, нарешті, як правило, не байдужі до процесу їх дослідження і в багатьох випадках можуть суттєво впливати на нього.

Застосування системного підходу передбачає дотримання певної послідовності в організації дослідження. Вона передбачає такі кроки:

• визначення об'єкта дослідження;

• визначення мети і завдань дослідження;

• визначення критеріїв вивчення досліджуваного об'єкта;

• виділення суттєвих елементів досліджуваного об'єкта;

• визначення структури системи;

• визначення та класифікація зовнішніх зв'язків між елементами досліджуваного об'єкта;

• вивчення кожного із знайдених складових елементів об'єкта;

• визначення принципів взаємодії системи з середовищем її функціонування на основі аналізу сукупності зовнішніх зв'язків;

• виявлення закономірностей зміни і розвитку елементів досліджуваного об’єкта;

• виділення основних причинно-наслідкових зв'язків між елементами (так званих системотвірних зв'язків), які забезпечують впорядкованість системи;

• виявлення кінцевої структури і організації системи, на основі чого складається її модель;

• аналіз основних принципів поведінки системи;

• вивчення процесу управління системою.

Системний підхід дає можливість значно розширити рівень наукового пізнання, тому що на його основі стає можливим досягнути найширшого синтезу наукових знань, створення цілісного уявлення про досліджувані об'єкти.

Системний аналіз - це сукупність методів і засобів, що використовуються при дослідженні складних і понадскладних об'єктів (ними можуть бути соціальні, економічні, технічні і людино-машинні системи). Застосовують системний аналіз головним чином для дослідження штучних (тобто створених за участю людини) систем, причому в таких системах важлива роль належить діяльності людини. Теоретичну і методологічну основу системного аналізу утворюють системний підхід і загальна теорія систем. Тому системний аналіз слід розглядати як реалізацію системного підходу у дослідженнях різноманітних наукових проблем.

Слід зазначити, що єдине однозначне визначення системного аналізу поки що відсутнє. І тому різні дослідники трактують це поняття стосовно до тих проблем, котрі вони досліджують з позицій системного підходу. Остаточно не визначено також і методику проведення системного аналізу, яка б встановлювала його основні етапи, специфіку застосування спеціальних методів і процедур для реалізації цих етапів.

Згідно з принципами системного аналізу досліджуваний об'єкт повинен розглядатись як дещо ціле, як система у взаємодії всіх її компонентів. Відповідальним етапом системного аналізу є побудова узагальненої моделі, яка відображає взаємозв'язки реальної ситуації, що виникли у об'єкті, що підлягає дослідженню.

У зв'язку із значною чисельністю компонентів (елементів, підсистем, блоків, зв'язків і відношень) складних систем, системний аналіз ґрунтується на застосовуванні сучасної потужної комп'ютерної техніки, здатної створювати узагальнені моделі досліджуваних систем, оперативно та всебічно аналізувати стан і зв'язки між їх компонентами, інтерпретувати одержані результати. Важливою особливістю системного аналізу є єдність формалізованих і неформалізованих засобів і методів досліджень, які застосовуються у ньому.

Системний аналіз виник у 60-х роках XX століття як результат розвитку дослідження операцій і системотехніки. Термін "системний аналіз" іноді застосовують як синонім системного підходу. Але робити це неправомірно. Поняття системного аналізу значно ширше поняття системного підходу, тому що системний підхід виступає як засіб системного аналізу.

Завжди слід пам'ятати, що будь-яке системне уявлення про досліджуваний об'єкт завжди є відносним: зміна мети і способу дослідження можуть зумовити й інший поділ цього об'єкта на конкретні одиниці аналізу, що будуть виступати як структурні елементи системи.

Моделі у науковому дослідженні

Будь-який досліджуваний процес або явище залежить від багатьох діючих на нього факторів. Первинними у пізнанні сутності переважної більшості досліджуваних процесів і явищ виступають спостереження, вимірювання тощо. Кожне спостереження чи вимірювання може зафіксувати тільки якісь окремі фактори. Щоб найбільш повно пізнати процес чи явище, потрібно одержати величезну кількість дослідних результатів. Виділити головне у таких результатах на основі їх систематизації та узагальнення часто буває зовсім непросто. Тому чисельну і різноманітну інформацію намагаються "згустити", "стиснути" у деяке абстрактне поняття - модель. Вивчення досліджуваних об'єктів за допомогою моделей називають моделюванням.

Моделювання - це теоретичне чи практичне дослідження об'єкта, в якому безпосередньо вивчається не сам об'єкт пізнання, а допоміжна штучна або природна система, яка знаходиться в деякому об'єктивному відношенні із об'єктом пізнання, здатна його заміняти в певному відношенні і яка дає при його дослідженні в кінцевому рахунку інформацію про сам модельований об'єкт. Моделювання грунтується на методах теорії подібності. Подібними називаються явища, у яких всі процеси (повна подібність) або найбільш суттєві при даному дослідженні (неповна або локальна подібність) у будь-який момент часу і у будь-якій точці простору відрізняються від відповідних параметрів іншого явища у певне (постійне) число раз, що називають масштабом.

Ознаками подібності й умовами встановлення її при реалізації моделювання обирають чисельно однакові критерії подібності.

Подібність явищ може бути фізичною і математичною. У фізично подібних явищах всі процеси (основні для даного дослідження) мають однакове фізичне походження, У математично подібних явищах процеси мають різне фізичне походження, але описуються однаковими рівняннями. Можливості встановлення подібності при математичному моделюванні виявляють за допомогою теорії подібності, яка ґрунтується на аналізі відповідних рівнянь.

Під моделями у буквальному значенні розуміють штучні системи у вигляді установок, приладів, комбінації окремих елементів чи сум логічних уявлень, що відтворюють явища або їх групу, і які подібні до тих, що вивчаються. Модель знаходиться у певній відповідності до досліджуваного об'єкта, може замінити його при дослідженні і дає можливість отримати інформацію про цей об'єкт. Найістотніша функція моделі - заміщення об'єкта вивчення і виконання нею ролі засобу, інструменту пізнання, який можна застосовувати як до вивчення самого оригіналу, так і до подібних йому. Моделі ділять на такі основні групи:

• математичні - призначені для дослідження явищ на установках, які дозволяють реалізувати математичну подібність;

• геометричні (іноді їх називають макетами) - дають тільки геометричну подібність без відображення суті явищ, які відбуваються;

• фізичні - для дослідження явищ на установках, які зберігають подібність основних фізичних процесів досліджуваного явища.

Найбільш поширені у наукових дослідженнях фізичні та математичні моделі.

Фізичне моделювання дає можливість замінити у процесі дослідження складні об'єкти і процеси більш простими і досліджувати на основі цього замість реальних об'єктів і процесів їх прості замінники. При цьому вони дають можливість наочно спостерігати за багатьма реальними процесами чи явищами. За допомогою фізичних моделей стає можливим вивчати вплив окремих параметрів на досліджувані об'єкти.

Математичні моделі дозволяють кількісно досліджувати процеси і явища, які важко піддаються вивченню на фізичних моделях. Математичним моделюванням можна передбачити властивості або поведінку досліджуваного об'єкта чи процесу ще до їх створення. При математичному моделюванні виникають похибки трьох видів:

• первинна похибка - через розходження між дійсним значенням фізичної величини в натурі та її розрахунковим значенням, прийнятим для здійснення на моделі;

• вторинна похибка - через неточність відтворення на моделі модельованих величин (розрахункових значень) і похибки вимірювання;

• принципова похибка - через неповне врахування у моделі факторів, що впливають на досліджувані процеси (наприклад, зумовлених наближеним моделюванням замість точного.

У теоретичних дослідженнях застосовують моделі -аналоги (або ще моделі-подоби). Виходячи з подібності об'єктів, процесів чи явищ, вивчають експериментально теоретичним шляхом поведінку моделі, а потім за допомогою відповідного математичного апарату визначають справжні закономірності. Проілюструвати сутність таких моделей можна на досить простому прикладі. Навіщо теоретично визначати або безпосередньо вимірювати висоту Н телевізійної вежі. Для цього достатньо скористатись найпростішою моделлю - трикутником, і за допомогою теореми про подібність трикутників шляхом вимірювання відстані z до вежі визначити її висоту за формулою

H = h х KР,

де КР - критерій подібності, який дорівнює КР = z : l (l - у даному разі це сторона трикутника).

Звісно, що при дослідженні складних об'єктів і процесів критерії подібності набагато складніші.

Значно розширюються можливості моделювання за допомогою електронно-обчислювальної техніки, особливо у тих випадках, коли недоцільно або неможливо відтворити на реальних моделях (наприклад, моделювання аварійних режимів і ситуацій). Виготовляти натурні моделі (геометричні і фізичні) навіть для проведення досліджень навіть у звичайних умовах пов'язане із значними витратами коштів і часу. За допомогою сучасної комп'ютерної техніки можна моделювати і спостерігати різні процеси, аналізувати варіанти різноманітних конструкцій, вибирати серед них оптимальні.

Стандартних рекомендацій щодо вибору і побудови моделей не існує. Головне, щоб модель відображала сутність досліджуваного об'єкта. Незначні фактори, зайва деталізація, другорядні явища і т.ін. тільки ускладнюють модель, роблять її громіздкою. Тому модель повинна бути оптимальною за своєю структурою, бажано наочною, але головне - достатньо адекватною, тобто описувати закономірності досліджуваного об'єкта з потрібною точністю. Звичайно, що при побудові моделі слід враховувати всі особливості того об'єкта, який вона повинна замінити.

Методи досліджень в екології.

Екологія вивчає широке коло об'єктів, але дослідження живого — її центральна задача. Пізнання явищ життя, дозволяє сформулювати декілька важливих принципів, пов'язаних з існуванням та функціонуванням живої матерії. Отже:

• Принцип дискретності стверджує, що жива матерія не існує як континуальна маса, вона завжди розчленована на дискретні одиниці. Ними є особини рослин та тварин.

• Принцип найпростішої конструкції свідчить, що з усіх можливих конструкцій біосистем в природі реалізується найпростіший за організацією варіант. Можливо, це є результатом мінімізації витрат речовини та енергії на формування даної біосистеми.

• Принцип адекватності конструкції показує, що біологічні системи відповідають за своєю конструкцією та функціями тому абіотичному середовищу, в якому вони мешкають.

• Принцип структурно-функціональної єдності свідчить про наявність відповідності структури функціям та навпаки.

• Принцип біологічної ієрархії полягає в наявності в природі біосистем різних рангів та можливості їхнього впорядкування у форму структурних ієрархій, коли кожний вищий член ієрархії базується на нижчих членах цієї ж ієрархії.

• Принцип найменшої взаємодії з середовищем поки що залишається дискусійним, але здається досить правдоподібним, оскільки живі організми завжди володіють механізмами захисту від флуктуацій навколишнього середовища. Чим краще захищена жива матерія від непередбачених коливань абіотичних факторів, тим вона стійкіша.

• Принцип якісної неоднорідності засвідчує те, що будь-яка біосистема складається з компонентів, якісно не схожих між собою.

• Принцип зворотних зв'язків стверджує, що біосистеми самопідтримуються та саморегулюються за рахунок наявності в них різноманітних зворотних зв'язків.

• Принцип еволюції полягає в незворотних змінах живих організмів.

• Принцип адаптації проявляється в наявності сукупності морфологічних, фізіологічних та популяційних особливостей живих організмів, що забезпечує існування того чи іншого виду в певних умовах середовища. Інша форма елементарних об'єктів в екології — це абіотичні компоненти, що входять до складу екосистем та біосфери.

Залежно від підходу до вивчення природи може бути сформовано декілька різних видів ієрархії. Для зоолога, який вивчає різноманіття форм життя, основною виявиться ієрархія типу «організм — сусідство — популяція — вид». Дослідження законів сумісного життя рослин вимагає усвідомлення ієрархії типу «особини — консорції — ценотичні популяції — біоценози». Але основними ланками екологічної структурної ієрархії є організми, популяції та екосистеми. Аналіз різних видів біологічної ієрархії засвідчує, що рівень організованості біологічних та екологічних систем знижується в міру підвищення їхнього місця в ієрархії. На нижчих ланках ієрархії системи жорстко організовані, на вищих — все більш і більш крихкі.

Головний предмет дослідження - вивчення особливостей та розвитку взаємозв'язків між організмами, їхніми угрупованнями різних рангів, екосистемами й неживою компонентою екосистем, а також дослідження впливу природних і антропогенних факторів на функціонування екосистем і біосфери в цілому. Виходячи з цього, основними завданнями екології є:

1. Вивчення з позицій системного підходу загального стану сучасної біосфери планети, причин його формування та особливостей розвитку під впливом природних та антропогенних факторів (тобто вивчення закономірностей формування, існування та функціонування біологічних систем усіх рівнів у взаємозв'язку з атмосферою, літосферою, гідросферою, техносферою);

2. Прогноз динаміки стану біосфери в часі і просторі.

3. Розробка шляхів гармонізації взаємовідносин людського суспільства й природи, збереження здатності біосфери до самовідновлення та саморегулювання з урахуванням основних екологічних законів і загальних законів оптимізації взаємозв'язків суспільства і природи.

Екологія — це комплексна наука. Вона використовує широкий арсенал різноманітних методів, які можна поділити на три основні групи:

1. Методи, за допомогою яких збирається інформація про стан екологічних об'єктів: рослин, тварин, мікроорганізмів, екосистем, біосфери.

2. Методи обробки отриманої інформації, згортання, стиснення та узагальнення.

3. Методи інтерпретації отриманих фактичних матеріалів. Будь-яке екологічне дослідження починається зі спостережень, відмітною рисою яких є невтручання спостерігача в процеси, що відбуваються. Такі спостереження можуть здійснюватися, так би мовити, неозброєним оком, що було характерним для екології першої половини XX століття. В останні десятиріччя екологічні спостереження ведуться із застосуванням різноманітних приладів та технічних засобів. Це вже начебто і не спостереження в звичайному значенні цього слова, а отримання інформації про стан об'єктів. У сучасній екології спостереження за допомогою приладів — один з основних методів дослідження.

Шлях до нього був досить довгим. Він йшов від мальовничих описів картин природи, чудові взірці яких зустрічаються в працях А.Гумбольдта, А.Уоллеса, Ч.Дарвіна в першій половині XIX століття, до сучасних комп'ютерних баз даних видового складу, параметрів середовища тих чи інших екосистем. Для вивчення властивостей природного середовища — повітря, води та ґрунту застосовуються досить різноманітні прилади та устаткування, до обслуговування яких доводиться залучати спеціально підготовлені інженерні кадри. Специфічні також і методи вивчення живих організмів. Для їх реалізації необхідні спеціалісти — біологи. Особливістю сучасних екологічних спостережень за допомогою приладів є їхня комплексність та довгостроковість, коли на одній і тій же ділянці екосистеми ведуться протягом досить великого відрізку часу спостереження за живими організмами та факторами середовища. Для реалізації комплексних спостережень засновуються спеціальні стаціонари, що розміщуються в типових і особливо характерних біотопах так, щоб вони давали найбільш характерну інформацію про екосистему. Окрім комплексних спостережень на стаціонарах може проводитись глобальний моніторинг екосистем і біосфери в цілому.

Як міждисциплінарна наука екологія широко застосовує методи експерименту. Його суть полягає в тому, що до екосистеми свідомо вноситься звичайно якась одна зміна, і через деякий час зіставляються результати спостережень на контрольній (вона обов'язкова) та експериментальній ділянках екосистеми. Але такі класичні однофакторні експерименти в екології мало реальні. Тут більш придатні багатофакторні експерименти, коли змінюються значення одразу багатьох факторів, а стан екосистеми в кінці експерименту оцінюється за багатьма її параметрами. Екологія широко використовує результати стихійних експериментів, що «ставить» сама природа або ж вони є наслідком виробничої діяльності людини. Так, відоме виверження вулкану Кракатау, що відбулося наприкінці XIX століття, знищило все живе на ряді островів Південно-Східної Азії. Ці острови були використані для вивчення природного ходу заростання та заселення вулканічних покладів.

Чимало корисної інформації додає вивчення масових вирубок лісу, створення великих водосховищ і т. ін. У результаті спостережень та експериментів у розпорядженні еколога накопичується сукупність наукових фактів. Але за науковий факт не можна приймати результати будь-якого спостереження. Важливим критерієм достовірності результатів спостережень та експериментів є їхня відтворюваність. Вона досягається, як правило, багаторазовими повтореннями спостережень та експериментів. Результати таких повторюваних спостережень або обліків у сукупності складають так звану вибірку. Відповідна статистична обробка даних дослідження дозволяє оцінити рівень статистичної достовірності результатів та вважати їх науковим фактом.

Певним джерелом фактів для еколога є літературні дані та службова інформація. Використання літературних даних цілком допустиме з урахуванням репутації автора та з посиланням на нього. Складніше буває з використанням службової інформації. Вона нерідко «захищена», тому на ознайомлення з нею слід отримати дозвіл. З іншого боку, всім відомі випадки, коли службова інформація (особливо щодо якості природного середовища) упереджено викривлялася. Населення м. Києва після Чорнобильської аварії не отримувало в потрібний час достовірних відомостей про забруднення радіоактивними речовинами атмосфери та водойм у місті та передмісті. Повністю була викривлена та прихована від населення південного Уралу інформація про викиди радіоактивних речовин на початку 50-х років.

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. ін. 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 «модель особини», "модель популяції" і т. ін. Більш широко в екології використовують абстрактні моделі. У даному випадку моделлю називають деякі абстрактні описи того чи іншого об'єкта або явища реального світу, що дозволяє аналізувати його властивості. Перевага абстрактних моделей полягають 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 коректив. 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 де моделі досить великої кількості компонентів ускладнює її аналіз, створює «шум».

Навпаки, редукція кількості елементів до занадто малого їх числа робить модель далекою від реальності. Моделювання екологічних об'єктів на основі абстрактних моделей базується на ряді спільних рис. Спершу визначається об'єкт моделювання - популяція, екосистема і т. ін. Потім визначаються межі об'єкта, визначається мета моделювання, і на цій підставі складається перелік компонентів та зв'язків, що включаються до моделі. Наступний важливий етап моделювання - це з'ясування співвідношення між компонентами моделі.

Досить важливим етапом моделювання є кількісна оцінка усіх параметрів, що беруть участь у функціонуванні об'єкта. Наприклад, це може бути оцінка ємності ґрунту щодо кількості мінеральних речовин, швидкість мінералізації речовин, величина біомаси рослин, тварин та мікроорганізмів і т. ін. На кінцевому етапі співвідношення між компонентами та процесами можуть бути подані 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 реальному об'єкту. Модель може ускладнюватися шляхом додавання суттєвих, але спершу пропущених компонентів та зв'язків або спрощуватися за рахунок виключення мало суттєвих для її функціонування компонентів та процесів. Залежно від апарату дослідження абстрактні моделі підрозділяють на ряд видів. Основними видами абстрактних моделей є:

1. Вербальні моделі — це суто словесні описи елементів та процесів екосистем. Вони непридатні для дослідження та прогнозування систем, але в самому процесі моделювання вербальні моделі відіграють досить важливу роль. Чим ближче вербальна модель до реальності та чим точніше вона відображає суть екологічної системи, тим більш правильними виявляються створені на її основі матеріальні та інші моделі. Успіх конструювання вербальних моделей безпосередньо залежить від екологічної освіти дослідника та точного використання ним термінів і понять екології.

2. Графічні моделі являють собою схематичні зображення компонентів системи та зв'язків між ними.

3. Математичні моделі описують екологічну систему вигляді одного чи декількох математичних виразів.

Метод моделювання екосистем вимагає великих затрат багато часу, а такі великі системи, як біосфера, практично не моделюються за великої кількості зв'язків, що є в них, та високо значущості випадкових факторів.

На сучасному етапі розроблено багато методів збору інформації про стан біосфери, що є одним з найголовніших завдань екології. Контроль сучасного стану біосфери в цілому в межах її окремих складових, збір екологічних даних у межах окремих континентів, їх частин або акваторій, порівняльний аналіз екологічної інформації з різних регіонів земної кулі метою визначення динаміки екологічних ситуацій і можливих біосферних змін здійснюється за допомогою екологічного моніторингу навколишнього середовища - системи режимних довгострокових безперервних спостережень за станом довкілля. Найважливішими засобами його є дистанційні екологічні дослідження. Вони дають змогу здійснювати зондування земної поверхні у видимому, інфрачервоному, мікрохвильовому діапазонах або з використанням лазерної техніки.

Комплексний моніторинг довкілля повинен забезпечити своєчасне передбачення екологічної катастрофи, зменшити її силу або відвернути. Від його якості залежить ефективність рішень, що приймаються урядами усіх країн. Система контролю за навколишнім середовищем включає три основних види діяльності:

1) спостереження і контроль - систематичні спостереження за станом навколишнього середовища;

2) прогноз - визначення можливих змін у природі під впливом природних і антропогенних чинників;

3) керування - заходи щодо регулювання стану навколишнього середовища. Будь-який об'єкт випромінює і відбиває електромагнітну енергію відповідно до особливостей його природи. Розбіжності в довжинах хвиль та інтенсивності випромінювання можуть бути використані для визначення властивостей віддаленого об'єкта без безпосереднього контакту з ним.

Одним із найефективніших методів екологічних досліджень є космічний моніторинг. Картини Землі з космосу - це насамперед інтегральні зображення природних і господарських систем. Саме вони легше за все виділяються і характеризуються в процесі аерокосмічного моніторингу. Відзначаються наступні особливості і переваги космічного моніторингу: спостерігаються і реєструються дані про великі простори, аж до всієї видимої в момент зйомки частини Земної кулі; завдяки великій оглядовості можна простежувати глобальні і регіональні особливості природи Землі; космознімки дають однотипну інформацію про важкодоступні райони з такою ж точністю, як і для добре вивчених ділянок; можливість регулярного проведення повторних зйомок дозволяє вибрати кращі зображення; за матеріалами повторних зйомок вивчається динаміка природних процесів;

комплексний характер інформації, що міститься на знімках з космосу, обумовлює використання їх для вивчення складних процесів взаємодії компонентів природи: атмосфери, гідросфери, літосфери; завдяки природній генералізації зображення на космічних знімках відображаються найбільш великі й істотні елементи ландшафтної структури географічної оболонки і сліди антропогенного впливу.

Існуючі технічні засоби одержання багатоспектрального зображення і методи опрацювання інформації дозволяють визначати, класифікувати і картографувати окремі компоненти природно-господарських систем. Радіолокаційна зйомка також має надзвичайно важливе значення. її перевага полягає у тому, що вона дає цінну інформацію про властивості літогенної основи природних комплексів, речовинний склад порід, рельєф і т. ін. Важлива особливість РЛ-зйомки - її незалежність від метеорологічних умов.

В оцінці стану навколишнього середовища поряд із дистанційними важливу роль відіграють наземні методи дослідження: геофізичні, геохімічні та індикаційні. Геофізичний метод передбачає вивчення процесів надходження і перетворення речовини й енергії в геосистемах і екосистемах. Спостереження проводяться у стаціонарних і в напівстаціонарних умовах, на площадках або профілях із застосуванням різної вимірювальної апаратури згідно зі спеціальною програмою. Визначаються елементи радіаційного, теплового і водного балансів, досліджується тепло- і вологообмін між компонентами природного середовища і їх вплив на продуктивність екосистем. Порівняння структури балансів зміненої і непорушеної територій дозволяє виявити напрямок і ступінь змін. Геохімічний метод полягає у вивченні функціонування природних систем за допомогою аналізу міграції хімічних елементів. Вивчається надходження елементів природним шляхом і в результаті господарської діяльності людини, виявляється інтенсивність їх водної і повітряної міграції, розглядається біологічний кругообіг елементів і його зміни під впливом техногенезу. Аналіз охоплює усі середовища: повітря, атмосферні опади, поверхневі і ґрунтові води, геологічний субстрат, ґрунти і рослини. Геохімічний метод дає можливість визначити закономірності змін хімічного складу навколишнього середовища, спроможності природних систем до самоочищення, виявити напрямки потоків забруднюючих речовин.

Індикаційний метод ґрунтується на можливості визначення стану одного об'єкта за іншим. Головну роль тут відіграє біоіндикація, а головним біоіндикатором є рослинний покрив. Останній дозволяє виявляти зміни за чотирма ознаками: фізіологічно, морфологічно, фітоценотично і флористично. Зміни цих показників у бік зменшення кількості і погіршення якості вказують на деградацію рослинного покриву, а отже, наростання негативних тенденцій у зміні стану навколишнього середовища. Не менш важливими індикаторами є показники, що характеризують тваринний світ: структура популяцій, особливості розмноження, масові розмноження або, навпаки, масова загибель тварин через хвороби або нестачу корму. Оцінка навколишнього середовища передбачає порівняння його стану з визначеними нормами. В якості критеріїв можуть виступати показники непорушеного стану природних комплексів або фонові параметри середовища. Розробляються нормативні показники, які характеризують ступінь можливого впливу людини на природу.

Таким чином, комплексний екологічний моніторинг довкілля є джерелом необхідної інформації для прийняття управлінських рішень щодо природоохоронних заходів і вироблення стратегії гармонізації співіснування природи і суспільства.

Лекція 3.