1.2 Моделювання в екології

Застосування методів моделювання в екології має ще більше значення, ніж у техніці, тому, що необхідно вирішувати завдання, дуже складні, недостатньо вивчені, до того ж занадто високовартісні та дуже складно прогнозовані за своїми віддаленими наслідками.

Із самого принципу екології випливає, що завдання наукових досліджень у галузі охорони довкілля, які виконуються за допомогою математичних методів, мають більш високий рівень складності і відповідальності за наслідки. Вони потребують більшого обсягу інформації, розвинутого методичного забезпечення, високої точності одержуваних результатів і високої імовірності їх досягнення.

Чим складніші проблеми наукового дослідження виникають в екології, тим більш досконалими повинні бути методи моделювання, тим вищі їх роль і значення. В принципі, будь-яку математичну модель можна назвати імітацією екологічного процесу. Проте цей термін є більш точним, якщо модель відтворює не тільки статистичний взаємозв¢язок між об¢єктами (елементами) системи, але й імітує розвиток самої системи у часі.

Однією з переваг такої моделі є можливість враховувати вплив випадкових факторів (методами теорії ймовірності, теорії випадкових процесів, методами стохастичної імітації, які звичайно прийнято називати методами статистичного моделювання).

Об¢єкти моделювання взагалі визначаються таким чином. Якщо ж говорити про моделювання в екології, то необхідно конкретизувати об¢єкт реальної дійсності, модель якого створюється і визначається. У цілому можна сказати, що в усіх випадках основним об¢єктом дослідження за допомогою моделей буде екологічна система.

Це поняття, в принципі, не нове. Проте, використовуючи його, необхідно точно розуміти його зміст. Поняття системи давно використовується у різних галузях і відіграє важливу роль у формуванні і методології різних наук.

Системами є об¢єкти живої природи, економічні і виробничі відносини між людьми, частини нашого Всесвіту (макросвіт) і того мікросвіту, який створює основу будь-якої речовини. Системами називають сукупності спеціальних символів, які становлять математичний опис різних процесів і явищ, реально існуючих у природі. Системами є всі створені людиною механізми, пристрої, технології.

Усі реально існуючі в природі системи, побудовані шляхом абстрактного мислення, мають визначену сукупність характерних особливостей, наявність яких дає можливість об¢єднувати ці поняття, різні за своїм конкретним вираженням, у загальне збірне поняття системи. Зокрема, в біології конкретизується поняття системи як організму в цілому або його частини (нервової системи, обміну речовин і т.п.).

У математиці – це системи рівнянь, системи операцій, системи позначень і т.д. В екології – екосистема, її компоненти і т.д.

Зауважимо, що термін "комплекс" означає сукупність предметів або явищ, які становлять одне ціле. У той самий час "система" визначається як "множина елементів із зв¢язками і відношеннями між ними, що створює визначену цілісність". При цьому береться до уваги той факт, що система як упорядкована цілісна множина взаємозв¢язаних елементів, які мають структуру і організацію, "у своїй взаємодії із середовищем демонструє відповідну поведінку", визначену як впливом середовища, так і "власними цілями, що мають на увазі перетворення середовища, підпорядкування його своїм потребам" та що ефект функціонування системи в цілому може відрізнятися від сумарного ефекту її складових частин.

1.3 Характеристичні властивості систем

Звертаючись до розгляду екологічних систем, слід зупинитися на їх характерних особливостях, які властиві усім цим системам. Перш за все – це наявність структури.

Структура системи – це сукупність її складових частин, блоків, вузлів, ланцюгів, елементів.

Відміна системи від простої упорядкованої сукупності непов¢язаних елементів полягає в наявності зв¢язків між її складовими. Причому кожен із цих зв¢язків має визначене функціональне значення і характеризується напрямком цієї функції.

Визначення структури для кожної системи є поняття відносне – одну й ту саму систему можна розглядати як таку, що складається з більш великих або більш малих блоків та ланцюгів. Це залежить від мети і необхідності розглядати більш великі чи малі частини системи.

Будь-яка система якоюсь мірою зазнає впливу зовнішнього середовища. У свою чергу, вона сама може здійснювати на це середовище деякий вплив. Тому іноді вивчення системи доцільно розповсюдити і на деяку частину її середовища. Іноді, навпаки, слід виключити із складу системи деякі об¢єкти і віднести їх до зовнішнього середовища. Усе це і залежить від постановки завдання.

В усіх випадках систему можна характеризувати кількісно в кожний момент часу. При цьому число її кількісних характеристик, у свою чергу, є кількісною характеристикою цієї системи.

Розвиток у часі, зміна кількісних характеристик – це невід¢ємна особливість будь-якої системи.

Характеристики екосистем розвиваються в загальному випадку у взаємній залежності від впливу зовнішнього середовища. Чисто умовно зовнішні характеристики можна поділити на два види: ті, що швидко змінюються в часі, і ті, що змінюються повільно. Тому швидкоплинні в моделюванні прийнято називати тимчасовими (миттєвими) характеристиками, а повільно змінювані – параметрами системи.

Оскільки у функціонуванні реальної екосистеми неминуче беруть участь випадкові фактори, які перетворюють процеси зміни миттєвих характеристик у випадкові процеси, то всі реально існуючі системи мають імовірний характер. У тих випадках, коли випадкові коливання характеристик дуже незначні, їх можна не враховувати. Тоді система вважається детермінованою, тобто такою, яка не зазнає впливу дій імовірного характеру. Інакше – система вважається ймовірною.

Таким чином, будь-яка система може характеризуватися такими особливостями: структурою, наявністю зв¢язків між її складовими, залежністю від зовнішнього середовища, впливом на зовнішнє середовище, наявністю кількісних характеристик, які визначають стан системи у кожен момент часу, зміною стану системи з часом, участю деяких імовірних факторів у функціонуванні системи.

Тому на практиці під системою ми будемо розуміти поняття, для якого характерні зазначені особливості.