Математические модели в экологии (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА г. СЕМЕЙ
Документ СМК 3 уровня	УМКД	УМКД 042-39. 1.ХХ/03- 2013
УМКД Учебно-методические материалы по дисциплине «Математические модели в экологии»	Редакция №____от_____

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИИ КОМПЛЕКС

ДИСЦИПЛИНЫ

«Математические модели в экологии»

для специальности 5В060801 – «Экология»

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Семей

2014

СОДЕРЖАНИЕ

Глоссарий Лекции Практические и лабораторные занятия Самостоятельная работа студента ГЛОССАРИИ

Экология - наука о составе, структуре, свойствах, функциональных особенностях и эволюции систем надорганизменного уровня, популяционных экосистем и биосферы. Экология изучает основные фундаментальные закономерности: поток энергии, циркуляцию химических элементов. Обычно экология считается частью биологии.

Экологическая система - единый природный или природно-антропогенный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, в котором живые и косные экологические компоненты соединены между собой причинно-следственными связями, обменом веществ и распределением потока энергии. Различают:

- микроэкосистемы, обычно составляющие индивидуальные консорции;

-мезоэкосистемы;

- макроэкосистемы.

Геосферы - концентрические, сплошные или прерывистые оболочки Земли, различающиеся между собой по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам, возникшие в результате дифференциации вещества Земли под действием ее гравитационного поля в условиях разогрева земных недр: ядро Земли, мантия Земли, земная кора, гидросфера, атмосфера, магнитосфера, биосфера. Некоторые геосферы подразделяются на сферы второго порядка.

С целью разграничения объектов исследования различные естественные науки выделяют литосферу, биосферу, техносферу и ноосферу.

Экологические компоненты - основные материально-энергетические составляющие экосистем: энергия, атмосфера, вода, почва, а также автотрофы-продуценты, гетеротрофы-консументы и редуценты. Экологические компоненты обеспечивают круговорот веществ.

Биологический круговорот веществ - единство двух процессов:

- аккумуляции элементов в живых организмах; и

- минерализации в результате разложения мертвых организмов.

Образование живого вещества преобладает на поверхности суши и в верхних слоях морей. Минерализация живого вещества преобладает в почве и глубинах морей.

Биогеоценоз - эволюционно сложившаяся, пространственно ограниченная, длительно самоподдерживающаяся, однородная экологическая система, в которой функционально взаимосвязаны живые организмы и окружающая их абиотическая среда. Биогеоценоз характеризуется относительно самостоятельным обменом веществ и особым типом использования потока солнечной энергии. Биогеоценозами являются: луга, леса, поля, водоемы.

Популяция - в экологии - совокупность особей одного вида, занимающих определенный ареал, свободно скрещивающихся друг с другом, имеющих общее происхождение, генетическую основу и в той или иной степени изолированных от других популяций данного вида.

Сообщество организмов - совокупность взаимосвязанных и взаимозависимых видов в пределах некоторого естественно ограниченного объема жизнепригодного пространства. Принято отдельно рассматривать сообщества растений (фитоценоз), животных (зооценоз) и микроорганизмов (микробоценоз). Границы сообщества определяются абиотическими и биотическими факторами, а также его способностью к созданию собственной биосреды.

Биоценоз - взаимосвязанная совокупность микроорганизмов, растений, грибов и животных, населяющих более или менее однородный участок суши или водоема. По систематическим признакам биоценоз делится на фитоценоз, зооценоз и микробоценоз. Функционально биоценоз делится по ступеням экологической пирамиды на группы организмов: продуцентов, консументов и редуцентов, объединенных трофическими связями. Структурно биоценоз делятся на горизонты, слои, ярусы, пологи, меротопы. Биоценоз характеризуется биомассой и биологической продуктивностью. В месте с биотопом биоценоз составляет биогеоценоз.

Природопользование - в широком смысле - удовлетворение различных потребностей общества путем использования различных видов природных ресурсов. Природопользование - в узком смысле - хозяйственно-экономическая деятельность общества, направленная на использование природных ресурсов с целью извлечения из них материальных благ.

Природная среда - природа, рассматриваемая по отношению к существующим в ней организмам, в том числе людям. Природная среда - совокупность абиотических и биотических факторов, естественных и измененных в результате деятельности человеческого общества, оказывающих влияние на человека и другие организмы. Природная среда - часть окружающей среды; природная составляющая среды обитания и производственной деятельности человечества. Природная среда отличается от других составляющих окружающей среды свойством самоподдержания и саморегуляции без корректирующего вмешательства человека.

ЛЕКЦИИ

ЛЕКЦИЯ №1 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О МОДЕЛИРОВАНИИ В ЭКОЛОГИИ. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В ЭКОЛОГИИ

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О МОДЕЛИРОВАНИИ В ЭКОЛОГИИ

Охрана окружающей среды — одна из самых глобальных проблем современности. В результате деятельности человека на Земле значительно сократились площади лесов, перестали существовать или находятся на грани исчезновения многие виды животных, усилился процесс антропогенного загрязнения атмосферы и гидросферы, сократились многие виды природных ресурсов, меняется климат.

В связи с загрязнением окружающей среды и усилившимся воздействием человека на природу особое значение приобрела экология. Термин «экология» впервые был предложен в 1866 г. выдающимся немецким биологом, эволюционистом и зоологом Эрнстом Геккелем (1834 – 1919). Возникнув как чисто биологическая дисциплина, экология развилась в комплексную науку, обозначающую совокупность знаний и теоретических представлений о взаимоотношениях растений и животных как между собой, так и с абиотическим (неживым) окружением. Экологию интересует взаимодействие организмов и среды, определяющее развитие, размножение и выживание особей, структуру и динамику популяций, развитие сообществ животных, растений и микроорганизмов, а также воздействие на все эти организмы хозяйственной деятельности человека.

Совершенно очевидно, что роль экологии в нашей жизни и в теоретическом, и практическом плане возрастает. Если до недавнего времени считалось, что экология — одна из тех областей науки, в которых надежнее полагаться на мнение опытного практика, чем на предсказание теоретика, то в последние годы наблюдается заметное увеличение числа теоретических исследований и усиление их значения.

Современная экология интенсивно изучает проблемы взаимодействия человека и окружающей среды. Экологи рассматривают биосферу Земли как экологическую нишу человечества, связывают окружающую среду и деятельность человека в единую систему «природа – общество» и одну из главных задач видят в управлении и рациональных взаимоотношениях человека и природы. Научно - техническая революция не только обостряет противоречия между обществом и природой, но и создаёт большие возможности для их разрешения путём ликвидации отрицательных последствий деятельности человека. При этом большое значение имеет экологическое образование и воспитание всех слоев населения, так как решить задачу охраны окружающей среды только силами специалистов невозможно. Экологические задачи должны решаться на каждом этапе промышленного производства в комплексе с другими задачами, а это возможно лишь при условии, что экологические знания станут составной частью мировоззрения инженеров, технологов и других специалистов.

Основная задача экологии на современном этапе — детальное изучение количественными методами основ структуры и функционирования природных и созданных человеком систем, поиск общих закономерностей, относящихся к широкому кругу конкретных ситуаций. Большое влияние на экологию оказали достижения математики, физики, химии. В свою очередь экология выдвигает перед этими науками новые задачи.

Математическая дисциплина, изучающая модели экологических объектов и процессов и методы их исследования, называется математической экологией. Становление ее очень показательно в методическом отношении. С чего должно начинаться построение любой математической модели? В чем состоит ее основное содержание? Математическая модель учитывает прежде всего те ограничения и принципы отбора, которые выделяют реально возможные изменения из числа допустимых. Такими принципами являются законы сохранения. Современная физика начиналась с законов сохранения, первым ее принципом отбора был закон сохранения импульса. Законы сохранения (балансовые соотношения) — это основа любой физической модели.

Точно так же и в экологии. Балансовые соотношения при формализованном описании экологических и эволюционных принципов есть по сути не что иное, как законы сохранения масс. Балансовые соотношения несут много важной и интересной информации. Математическая модель, составленная из этих соотношений, описывает общие свойства множества возможных состояний и их изменение во времени.

Диапазон и масштаб моделируемых процессов крайне велик — от глобальной экологии до прогнозирования динамики отдельных компонентов биоценозов. Поэтому при классификации экологических моделей используют различные подходы. Наиболее часто применяют динамическое моделирование, в основе которого лежит описание экосистемы с помощью дифференциальных уравнений с определяемыми по эмпирическим данным параметрами.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭКОЛОГИИ

Одной из первых и выдающихся работ в области теоретической экологии была книга Альфреда Джеймса Лотки (1880 – 1949) «Элементы физической биологии», высокую оценку которой дал Чарльз Кристофер Адаме (1873 – 1955) — автор первого появившегося в мире руководства по экологии животных. Ещё раньше на работы Лотки обратил внимание один из основателей популяционного направления в экологии Раймонд Перл (1879 - 1940). Оценивая труд Лотки с современных позиций, его следует признать классическим. Развивая общие представления об организации, эволюции и динамике биологических систем, Лотка приводит уравнения, описывающие взаимодействие популяций (в частности, связанных отношениями типа «хищник - жертва»).