Математическая биофизика взаимодействующих популяций - Базыкин А.Д.
Скачать (прямая ссылка):
водоемов, как можно было бы ожидать, а коренным образом перестраивает
структуру экологической системы и ведет к ее экологической гибели.
Казалось бы, разработка методов прогнозирования по данным о современном
состоянии экосистемы и предшествовавшим событиям должна входить в
компетенцию теоретической экологии - науки о структуре и функционировании
природных сообществ видов, о взаимоотношениях видов между собой и их
связях с окружающей средой. Однако при ближайшем рассмотрении
оказывается, что теоретической экологии как научной дисциплины, в рамках
которой из нескольких основополагающих законов можно было бы вывести
любые частные зависимости или прогнозировать ход событий в конкретных
ситуацих, не существует. Имеется в лучшем случае некоторая система
понятий и набор не всегда тесно связанных между собой концепций и
полуэмпирических обобщений с не очень четко очерченной областью
применимости. В большинстве случаев неясной остается даже постановка
проблемы. Примером может служить очень важный в практических приложениях
давно и оживленно обсуждающийся в теоретической экологии вопрос о
соотношении сложности экосистемы и ее устойчивости. До сих пор не
существует единого мнения ни о критериях-измерения сложности и
устойчивости экосистем, ни о существовании универсальной зависимости
между ними. Таким образом, в настоящее время теоретическая экология, как
правило, не может быть рабочим инструментом для решения конкретных задач
по прогнозированию последствий человеческой деятельности для природных
экосистем.
Ограниченными возможностями обладает также метод прогнозирования
поведения экосистем, находящихся под внешним воздействием, на основе
экспертных оценок высококвалифицированных специалистов. Основная 4
причина этого состоит в том, что антропогенные воздействия часто носят
беспрецедентный характер и по своим масштабам, и по механизмам. При этом
предсказание последствий именно такого рода воздействий, как правило,
представляет наибольший интерес. Но в отношении таких воздействий ни у
науки, изучающей функционирование экосистем, ни у самих природных
экосистем не накоплено никакого опыта, поэтому экспертные оценки,
основанные на наблюдении и исследовании экосистем в прошлом, зачастую
оказываются ненадежными.
В этой ситуации наиболее многообещающим инструментом прогнозирования
реакции природных систем на внешние воздействия представляется
математическое моделирование. Но и на этом пути наука сталкивается с
серьезными трудностями. Эти трудности характерны для любых попыток
применения математики к биологии, но при математическом моделировании
экологических систем они выступают, пожалуй, в наиболее обостренной форме
и имеют свою специфику. Они проистекают в основном из двух тесно
связанных между собой обстоятельств.
Во-первых, экологические системы устроены очень сложно - они состоят из
многих десятков и сотен популяций отдельных видов, связанных между собой
тысячами различных и, что особенно важно, существенно нелинейных связей.
Современная математика, формировавшаяся в первую очередь под влиянием
запросов физики и техники, а также в силу логики собственного развития,
не располагает удовлетворительным аппаратом исследования такого рода
систем.
Во-вторых, все биологические системы уникальны, а в отношении природных
экологических систем эта уникальность проявляется в наиболее яркой форме.
Природные экосистемы различаются между собой значительно сильнее, чем,
например, организмы одного вида или нервные волокна представителей разных
видов и т.п. Поэтому при разработке проблем математической биофизики
экологических сообществ максимально обостряется противоречие между
реалистичностью и точностью модели, с одной стороны, и ее общностью - с
другой.
Это противоречие нашло объективное выражение в том, что математическая
биофизика экологических сообществ развивается в русле двух в значительной
степени самостоятельных течений. Работы, выполненные в русле одного из
направлений, получившего наименование имитационного, или портретного,
моделирования, ставят своей целью максимальную приближенность модели к
конкретному уникальному экологическому объекту, максимальную точность его
описания. Работы, ведущиеся в русле второго, собственно математического
моделирования, ставят перед собой задачу выявления, математического
описания и анализа свойств, присущих максимально широкому кругу
экологических систем [83].
Одной из наиболее актуальных и привлекающих наибольшее внимание проблем в
математической биофизике экологических сообществ является устойчивость
экосистем (см., например. [146, 80]). При этом обычно устойчивость
рассматривают как атрибут самой экосистемы, тогда как правильнее
рассматривать устойчивость как атрибут того или иного режима
функционирования экосистемы. Это придает актуальность систематическому
исследованию таких моделей экосистем, в которых реализуется более одного
притягивающего (т.е. локально устойчивого) режима пове-
