Математические методы и моделирование.

При экологическом исследовании, которое обычно поводится на определённом количестве особей, изучаются природные явления во всём их разнообразии: общие закономерности, присущие макросистеме, её реакции на изменение условий существования и др. Но каждая особь, индивидуум неодинаковы, отличны друг от друга. Кроме того, выбор особи из всей популяции носит случайный характер. И лишь применение методов математической статистики даёт возможность по случайному набору различных вариантов определить достоверность тех или иных результатов (степень отклонения их от нормы, случайные отклонения или закономерности) и получить объективное представление о всей популяции.

Однако как только было установлено, что все биологические системы, в том числе и над организменные макросистемы, обладают способностью к саморегуляции, ограничиваться методами математической статистики стало невозможно. Поэтому в современной экологии широко применяются методы теории информации и кибернетики, тесно связанные с такими областями математики, как теория вероятности, математическая логика, дифференциальные и интегральные исчисления, теория чисел, матричная алгебра.

В последнее время широкое распространение получило моделирование биологических явлений, т.е. воспроизведение в искусственных системах различных процессов, свойственных живой природе. Так, в «модельных условиях» были осуществлены многие реакции, протекающие в растении при фотосинтезе. Примером биологических моделей может служить и аппарат искусственного кровообращения, искусственная почка, искусственные лёгкие, протезы, управляемые биотоками мышц, и др.

В различных областях биологии широко применяются так называемые живые модели. Несмотря на то, что различные организмы отличаются друг от друга сложностью структуры и функции, многие биологические процессы у них протекают практически одинаково. Поэтому изучать их удобно на более простых существах. Они то и становятся живыми моделями. В качестве примера можно привести зоохлореллу, которая служит моделью для изучения обмена веществ; моделью для исследования внутриклеточных процессов являются гигантские растительные и животные клетки и т.д.

Основной задачей биологического моделирования является экспериментальная проверка гипотез относительно структуры и функции биологических систем. Сущность этого метода заключается в том, что вместе с оригиналом, т.е. с какой-то реальной системой, изучается его искусственно созданное подобие – модель. В сравнении с оригиналом модель обычно упрощена, но свойства их сходны. В противном случае полученные результаты могут оказаться недостоверными, не свойственными оригиналу.

Рисунок 3.1 – Модель выносливости вида

 

В зависимости от особенностей оригинала и задач исследования применяются самые разнообразные модели (рис. 3.2).

Реальные (натурные, аналоговые) модели, если таковые удаётся создать, отражают самые существенные черты оригинала. Например, аквариум может служить моделью естественного водоёма. Однако создание реальных моделей сопряжено с большими техническими трудностями, так как пока ещё не удаётся достичь точного воспроизведения оригинала.

Знаковая модель представляет собой условное отображение оригинала с помощью математических выражений или подобного описания.

Наибольшее распространение в современных экологических исследованиях получили концептуальные и математические модели и их многочисленные разновидности. Разновидности концептуальных моделей характеризуются подробным описанием системы (научный текст, схема системы, таблицы, графики и т.д.). Математические модели являются более эффективным методом изучения экологических систем, особенно при определении количественных показателей.

Математические символы, например, позволяют сжато описать сложные экологические системы, а уравнения дают возможность формально определить взаимодействия различных их компонентов.

Рис 3.2 - Классификация моделей (по В.Д. Фёдорову и Т.Г. Гильманову, 1980 г.)

Заключение

Современная промышленность закладывает материальную основу человеческой жизни. Большая часть основных потребностей человека может быть удовлетворена через посредство товаров и услуг, предоставляемых промышленностью.Воздействие промышленности на окружающую среду зависит от характера ее территориальной локализации, объемов потребления сырья, материалов и энергии, от возможности утилизации отходов и степени завершенности энергопроизводственных циклов.Все промышленные узлы, центры и сложные производства отличаются по "букету" загрязняющих веществ. Каждая отрасль и подотрасль по-своему "вламывается" в окружающую среду, имеет свои уровни токсичности и характер воздействия, включая здоровье человека.Проблема влияния промышленности и сельского хозяйства на окружающую среду носит глобальный характер, что и обусловило её важность.
В последние годы социальные задачи охранной среды приобрели в высокоразвитых странах приоритет перед получением прибыли. На промышленность и другие отрасли хозяйства оказывается давление со стороны общества и государства. Это стимулирует поиск высокоэффективных и дешевых средств решения проблемы защиты среды, разработку новых технологий, переориентацию сельскохозяйственных и промышленных предприятий на малоотходные циклы.Всё сказанное выше, красноречиво обобщается высказыванием академика С.С. Шварца: «Экология – наука о жизни природы – переживает свою вторую молодость. Возникшая более 100 лет тому назад как учение о взаимосвязи организма и среды, экология на наших глазах трансформировалась в науку о структуре природы, науку о том, как работает живой покров Земли в его целостности. А так как работа живого все в большей степени определяется деятельностью человека, то наиболее прогрессивно мыслящие экологи видят будущее экологии в теории создания изменённого мира. Экология на наших глазах становится теоретической основой поведения человека индустриального общества в природе.».

Список использованной литературы

1. Газета «Биология» №21/2009, статья Н.В. Самородов «Шанс на выживание, или Инженерная экология и управление техносферой»

2. И.А.Родионова «Глобальные проблемы человечества», АО Аспект Пресс, Москва, 1994

3. Величковский Б.Т. “Здоровье людей и окружающая среда” (учебное пособие).

4. Свинухов Г.В., Свинухов В.Г., Сенотрусова С.В. “Основы экологии и охраны окружающей среды”