Функциональное математическое моделирование экологических систем

Содержание

• Цели и задачи исследования. Цели работы

1) Использование метода технико-биологических аналогий как системного информационного инструмента исследования биологических объектов дедуктивным способом (при котором представление об общей структуре объекта черпается из технических аналогий и ищутся неизвестные конкретные его стороны).

2) Развитие основанного на этом методе функционального и биофизического математического моделирования биологических систем.

Задачи работы:

1) Опираясь на опыт взаимодействия техники и биологии (бионика, пневматоракс, протезирование и пр.) сформулировать метод технико-биологических аналогий в качестве системного информационного дедуктивного метода исследования биологических систем.

2) Определить основные общие свойства класса систем (живых организмов и машин), объединяемых методом технико-биологических аналогий.

3) Использовать метод технико-биологических аналогий для разработки рункциональных и биофизических математических моделей древесных, травяных и «'отных экосистем.

4) С помощью разработанных функциональных и биофизических математических слей травяных, древесных и болотных экосистем провести исследование рокого спектра природных экосистем и выявить их характерные биофизические -:ологические динамические свойства и закономерности. ¿адищаемые положения.

Л-Биофизические аспекты транспорта воды отдельно растущих деревьев,: 'лающие количественно их структуру и формообразование, биофизические ,.ч1огстарения и гибели отдельно растущих деревьев после достижения возраста естественной зрелости генетически запрограммированным образованием годовых колец за счет сокращения кроны-

2. Результаты исследований биофизическая и экологических особенностей и свойств степных, лесных и болотных экосистем методом математического моделирования, включающие

— для почвы как компонента экосистемы 1) метод определения численных параметров результата биофизических процессов транспорта органических веществ из вышележащих горизонтов почвенного профиля в нижележащие- 2) понятие характерного времени почвы, в течение которого происходит полное обновление органического вещества в почвенном профиле-

— для степных экосистем — 1} выделение и численное определение части продуктивности травостоя, зависящей только от гидротермических параметров, 2) явление разделения воздействия внешних факторов: климатические воздействуют на скорость преобразования и транспорта органического вещества, катастрофические и антропогенные (пожары, пастбищная нагрузка) — на массу экосистемы-

для лесных экосистем — понятие возраста естественной зрелости древостоев- который характеризует породу дерева и не зависит от условий места произрастания т. е. имеет генетическую природу, а также определение этого возраста для разных пород деревьев,

— для болотных экосистем — понятие зрелости, которое определяется гидрологическим режимом, зависящим от биофизических особенностей фильтрации воды через моховой массив, и формой болотной депрессии.

3. Функциональные и биофизические динамические модели травяных, древесных и болотных экосистем способные надежно опираться на экспериментальны данные, настраиваться на любую экосистему и дающие возможность проводить численные эксперименты по функционированию, динамике, устойчивости степных, лесных и болотных экосистем, а также определять их реакцию и отклик на различные сценарии воздействий на них естественных и антропогенных факторов.

4. Функциональная интегрированная концепция экосистем как органического единства автотрофов и гетеротрофов объединенных внутриэкосистемным круговоротом органического вещества и содержащим его запасы достаточные для сохранения структуры и функций экосистем при действии на них возмущающих воздействий, основанное на этой концепции понятие экосистемной стратегии жизни, закон географической зональности, а также понятие характерного времени экосистемы в течение которого происходит обновление запасов органического вещества в ней, позволяющее проводить их двумерную классификацию-, по массовым и временным характеристикам. Научная новизна

1. Автором впервые сформулирован Метод технико-биологических аналогий, проведено его обоснование выделением среди природных объектов класса информационных или целесообразных систем включающих машины и живые организмы, и определены общие фундаментальные свойства этого класса систем. 2. Автором впервые разработана функциональная интегрированная концепция экосистем как органического единства автотрофов и гетеротрофов объединенных внутриэкосистемным круговоротом органического вещества и содержащим его запасы достаточные для парирования возмущающих воздействий-

— Автором впервые сформулировано основанное на этой концепции понятие экосистемной стратегии жизни, с биологических позиций объясняющее закон географической зональности.

— Автором впервые введено понятие характерного времени экосистемы в течение которого происходит обновление ее запасов органического вещества, позволяющее проводить их двумерную классификацию: по массовым и временным характеристикам.

3. Автором впервые разработаны функциональные и биофизические динамические модели травяных, древесных и болотных экосистем, реализующие вышеназванную концепцию, способные надежно опираться на экспериментальны данные, настраиваться на любую экосистему и проводить численные эксперименты по функционированию, динамике, устойчивости степных, лесных и болотных экосистем, а также определять их реакцию и отклик на любые сценарии воздействий на них. Со стороны естественных и антропогенных факторов.

4. Автором впервые получены результаты исследований степных, лесных и болотных экосистем методом функционального и биофизического математического моделирования, включающие:

— для степных экосистем — явление разделения воздействия внешних факторов: климатические воздействуют на скорость круговорота, пастбищная нагрузка — на массу экосистемы- выделена часть продуктивности травостоя зависящая только от гидротермических факторов-

— для лесных экосистем — понятие возраста естественной зрелости древостоев- показано, что он характеризует породу дерева и не зависит от условий места произрастания те имеет генетическую природу, а также определен этот возраст для разных пород деревьев,

— для болотных экосистем — введено понятие зрелости и показано что оно определяется гидрологическим режимом и формой болотной депрессии.

5. Автором впервые показано, что формообразование и структура отдельно растущих деревьев определяется биофизическими аспектами транспорта воды, а их. старение и гибель — генетически запрограммированным образованием годовых колец за счет сокращения кроны после достижения возраста естественной зрелости.

Практическая значимость, положений диссертации определяется тем что

1) ее концептуальные положения, методики, а также основные результаты исследований легли в основу Международных научных программ АН СССР и РАН: «Эксперимент Убсу-Нур», «Азиатский экологический трансект». Первый вошел в качестве «пилотного проекта» в Международную программу биосферно-геосфериых исследований МГБП. Они используются также рядом НИИ РАН и Университетов (Московский, Новосибирский, Петербургский).

2)Положения работы и ее

выводы способствовали созданию Убсунурского Международного Центра биосферных исследований СО РАН и Республики Тува, а также Государственного природного заповедника «Убсунурская котловина» в России и аналогичного заповедника «Увс-Нуур» в Монголии- а также представлению

Убсунурской котловины как уникального природного объекта в

Список Памятников Всемирного Наследия.

Научная значимость, работ В. В. Бугровского подтверждается созданием научной школы разрабатывающей новое научное направление, получившее название функциональной экологии, основателем которого явился В. В. Бугровский. В этой школе защищено 4 докторских и 19 кандидатских диссертаций.

Аппробация. Работы В. В. Бугровского докладывались на следующих научных форумах.

— На пяти Международных Убсунурских симпозиумах (Кызыл 1989, Уланбатор 1991, Кызыл 1993, Улаангом 1995, Кызыл 1997).

— На Совещании IGBP — Международной программы «Глобальные изменения». (Тулуза, Франция 1990).

— Международном совещании по Программе «Енисейский меридиан» Ланьчжоу, Китай 1991.

— На Международной конференции по изучению экосистем Центральной Азии (Гале, Германия 1993).

— На Объединенном Совете СО РАН по биологическим наукам (Новосибирск 1994).

— На Международном совещании «Temperate Grassland at the XXI Sentury» (Пекин Китай 1996).

— На Международном совещании по Программе «Азиатский экологический трансект» (Чань Ша, Китай 1996),

— На Всероссийских школах почвоведов (Пущино 1994, 1995,1996,1997).

1. МЕТОД ТЕХНИКО — БИОЛОГИЧЕСКИХ АНАЛОГИЙ Всем хорошо известны успехи бионики, использующей в технике аналогию с живыми организмами. В последнее десятилетие появилось, однако, достаточно много работ, использующих обратную аналогию: аналогию живых организмов с машинами [5,6,7, и др.]. Надо отметить, что начало этому направлению положил еще Декарт, назвавших животных «живыми машинами"[9]. Большие успехи достигнутые в обоих этих направлениях позволяют их объединить в едином методе технико-биологических аналогий.

Основанием ему служит то, что машины и живые организмы относятся к единому классу систем, который резко выделяется своими свойствами среди множества объектов природы. Системы этого класса получили название информационных или целесообразных систем.

Чем выделяется класс информационных систем? Наличием у объектов этого класса двух форм существования: вещественной (машины, животные -фенотип) и информацноиной (чертежи, генотип). В этом отличие их от других объектов природы для которых мы знаем лишь один вещественный тип существования [6]

Каковы же главные свойства систем этого класса? Их два: целесообразность и иерархическая структура.

1, Целесообразность — это подчинение всех внутренних связей и внешних действий системы заложенной в нее необходимости достижения определенной цели (или целей, если они разделены приоритетами).

Для машин это очевидно: бесцельных машин не бывает. Целесообразность живых организмов сейчас понимается как соответствие экологической нише [ 3 ].

Конструктивно и машины и живые организмы существуют в виде

2 иерархических структур, позволяющих этим сложным объектам, состоящим из многих частей, действовать в качестве единого целого, целесообразно. Иерархические структуры раскрываются в своей структурно — функциональной организации, объединяющей функциональные ветви системы, расчлененные уровнями иерархии. Верхний иерархический уровень, отвечающий за выполнение цели системы, объединяет главные функциональные ветви системы, дающие средства для ее достижения.

Верхний уровень каждой функциональной ветви, отвечающий за выполнение цели этой ветви, сам объединяет несколько подчиненных ему функциональных ветвей, в свою очередь дающих средства для достижения цели этой ветви, и т. д. до тех пор, пока не будут исчерпаны все функции необходимые для достижения главной цели системы Вся система построена таким образом, что каждый элемент любого уровня, отвечающий за выполнение своей частной цели, объединяет средства для ее выполнения. Верхний уровень всей иерархии отвечает за достижение главной цели системы, а нижний уровень выполняет все элементарные функции, необходимые для достижения общей цели системы.

Вся иерархия сверху донизу «собирается» по единому принципу и обладает рядом свойств.

2.1 Функциональная соподчиненность. Каждый элемент системы, являясь средством для достижения определенной цели, этой целью «задается», определяется.

Таким образом вся структура системы и выбор ее элементов определяется функциональной соподчиненностыо нижестоящих уровней вышестоящим.

2.2. Внутренняя (функциональная) согласованность. Каждый элемент системы, как правило, является достаточно сложным объектом. Он имеет собственную цель и обладает множеством функций, обеспечивающих ее достижение. Система «собирается» из уже готовых элементов. Чтобы такой элемент удовлетворял своему назначению, он должен обладать большими возможностями, чем" те возможности, которые от него в системе потребуются. Поэтому в системе будет использоваться только часть его «способностей».

Система «урезает» его цель и функции. Говоря словами H.H. Моисеева, из всех возможных степеней свободы ему оставляются лишь те, которые необходимы системе и позволяют ей действовать в качестве целого [5].

Таким образом, выбором элементов системы и соответствующей регламентацией их функций достигается внутренняя функциональная согласованность системы, ее внутренняя непротиворечивость.

Последнее свойство можно показать по — другому. На каждом уровне иерархии между элементами существуют противоречия. Эти противоречия разрешаются уровнем вышестоящим, чтобы система могла действовать как целое. Чтобы система была непротиворечива сверху до низу ее верхний уровень должен состоять только из одного элемента.

2.3. Полнота функций. Иерархическая структура развивается вниз до тех пор, пока не будут исчерпаны все функции, необходимые для достижения общей цели системы. Если какая — либо часть функций (функциональная, область) останется необеспеченной, то машина в этой области окажется неработоспособной, а живой организм погибнет.

2 .4. Способность к регенерации (замкнутость). Утраченная часть системы может быть заменена такой же новой, так как она существует в информационной форме, и по ней может быть восстановлена в вещественной. В технике это порождает ремонтопригодность, надежность, живучесть и т. п. свойства машин. В технике ремонтом занимаются люди в биологии эта способность «встроена» в организмы. Важно, что при этом восстанавливается исходная структура, записанная в генотипе организма или в чертежах машины.

2.5 Замкнутость (способность сопротивляться чужеродным воздействиям) .Внедрение в систему чужеродного элемента либо нарушит ее работу, либо вообще выведет ее из строя. Поэтому живые организмы выработали средства борьбы с чужеродными вторжениями. В технике об этом печется обслуживающий персонал.

2.6. Пластичность (пригодность для эволюции). Иерархические системы без особых изменений включаются в системы более сложные, сохраняя свою структуру и лишь частично лишаясь своих целей и функций. Так же легко система может утратить какие-либо функциональные ветви, если для измененных целей системы они не нужны. Мы видим, что иерархические структуры обладают большой пластичностью как в области целей, так и в области функций. Это свойство делает их очень удобными для эволюции. Собственно и биологическая и техническая эволюция обязаны своим существованием этому свойству иерархических систем.

В разделе сформулирован метод технико-биологических аналогий, введено понятие класса информационнных систем, объединяющего машины и живые организмы, выявлены главные общие свойства систем этого класса.