Динамические модели в биологии

Реестр моделей

Модели в экологии

Модели водных экосистем

Основные типы математических моделей водных экосистем

При всем своем разнообразии и уровне сложности, большинство существующих моделей условно можно разделить на следующие группы (такое деление, в какой-то мере, отражает и цели построения моделей) (Ащепкова, 1978):

·теоретические, или обобщенные, модели;

·анализирующие модели;

·портретные, или имитационные, модели.

 

Основная цель создания теоретических моделей - поиск общих закономерностей, характерных для экосистемы, определение причинно-следственных связей, механизмов отдельных процессов, изучение вопросов управления биологическими системами. В таких моделях широко используется метод научных гипотез. Их можно характеризовать и как объяснительные. В анализирующих моделях основное внимание исследователя концентрируется на подробном описании какого-то одного явления или механизма, в то время как другие процессы параметризуются наиболее простыми зависимостями. В портретных, или имитационных, моделях по возможности исследуются все основные взаимосвязи компонентов конкретной экосистемы в пространстве и во времени в сочетании с разнообразными по своей природе внешними воздействиями на водоем. Простая модель первого типа есть формальное выражение базовой энергетической теории, она достаточно абстрактна, чтобы служить реальным инструментом для планирования исследований. Детальная же  модель мало подходит для теоретических исследований и выводов, поскольку она так подробна, что ее предсказания труднообозримы, но зато она способна указывать пропуски в знаниях и представлениях об организации конкретного сообщества и соответственно направить экспериментальные исследования. Подробная модель не может предсказать эффекты от каких-нибудь значительных внешних воздействий, поскольку они вызовут изменения в видовом составе. Хотя подробная модель может помочь ответить на вопрос о том, какую роль играют в сообществе конкретные виды, более простая модель полезнее при изучении сообщества как единого целого. Однако при прогнозировании поведения системы могут пригодиться обе модели: простая модель потоков даст наиболее оптимистическую оценку, а модель более подробная - наиболее пессимистическую. Таким образом, необходимо развивать модели разной степени подробности.

Разработка, использование и всесторонняя проверка многих известных сегодня теоретических и анализирующих моделей разного уровня сложности и назначения позволили сформулировать базовые принципы, которые должны лежать в основе построения достаточно правдоподобной модели экосистемы (Горстко, 1974):

·должна быть предусмотрена возможность учета и использования результатов различных естественнонаучных исследований;

·должен быть предусмотрен вероятностный характер многих параметров;

·модель должна быть обеспечена математическим аппаратом, дающим возможность исследовать задачи, представляющие практический интерес;

·добавление новой информации об экосистеме должно легко учитываться в рамках уже построенной модели;

·модель должна быть построена по модульному принципу, причем каждый модуль верифицируется до его включения в общую модель.

 

Анализ литературы с имеющимися удачными моделями водных экологических систем различного типа показывает, что для моделирования трансформации компонент экосистемы (образования и превращения веществ, потребления, роста и элиминации организмов), как правило, используются наиболее простые уравнения формальной химической, ферментативной, микробиологической кинетики и трофодинамики (Хайлов, 1971; Леонов, Айзатуллин, 1977; Моделирование процессов переноса и трансформации вещества в море, 1979; Айзатуллин, Шамардина, 1980; Савчук, 1981; Савчук и др., 1982; Горстко и др., 1984; Леонов, 1986; Леонов, 1989; Экосистема озера Плещеево, 1989; Леонов, 1991; Ризниченко, Рубин, 1993; Добрынский, Рогаль, 1993; Добрынский, Рогаль, 1997; Савчук, 1997; Ross et al., 1994; Astrakhantsev et al., 1996; Menshutkin et al., 1998; The coupled 3D hydrodynamic and ecosystem model FINEST, 1998). Следует особо отметить, что применяемые для моделирования экосистем уравнения являются не теоретическими, а полуэмпирическими. Уравнения ферментативной и микробиологической кинетики Михаэлиса-Ментен и Моно являются аналогами уравнения кинетики гетерогенной химической реакции Лэнгмюра-Хиншельвуда, а уравнения отношений хищник-жертва Лотка-Вольтера строятся из уравнений скорости реакции второго порядка и автокатализа (Варфоломеев, Гуревич, 1999). Большинство разработок моделей экосистем при описании фотосинтеза, оговаривается это или нет, опирается на две классические концепции - принцип лимитирующего скорость фотосинтеза фактора (закон минимума Либиха) и закон совокупного действия факторов Митчерлиха (Айзатуллин, Шамардина, 1980; Страшкраба, Гнаук, 1989). Модели, основанные на концепции одного лимитирующего фактора, относятся к типу Л-моделей (Кудрина, Полетаев, 1974). Имеющийся сегодня опыт моделирования показывает, что правильнее говорить о многофакторной зависимости скорости фотосинтеза от условий среды и функциональной комбинацией скоростей потребления всех питательных элементов. Модели такого рода принято называть М-моделями. Следует отметить, что исходные формулировки принципов лимитирования как Либих, так и Митчерлих относят к популяциям одного вида. В то же время на практике эти принципы часто используются и в применении к многовидовым сообществам.

 

Раздел включает следующие подразделы::

 

Дополнительная информация:

 

В начало

© 2001-2017 Кафедра биофизики МГУ