Холістичний і мерологічний підходи в екології

Мерологічний підхід (від грецького meros - частина, міра) істотно до­мінує в науці ще з часів Ісаака Ньютона (він відомий також як “редукціо- нізм”). Ще й зараз багато хто з учених вважає, що для того, щоб пізнати складний об’єкт, його необхідно “розібрати” на складові і дослідити їхні особливості.

Холістичний підхід (від грецького holos - цілий, цілісний) відомий та­кож як принцип “чорної скриньки”. Остання назва пояснює суть підходу: вивчається реакція-відповідь об’єкта (системи) на певний вплив (тобто фу­нкція відгуку) без з’ясування внутрішньосистемних механізмів формуван­ня цієї реакції. Особливе місце холістичного підходу обумовлене тради­ційним домінуванням редукціонізму. Водночас необхідність цілісного до­слідження екосистем неодноразово порушувалося багатьма вченими, зок­рема, один з фундаторів екології, професор Московського університету К.Ф. Рульє в роботі "Жизнь животных по отношению ко внешним услови­ям" (1852) писав: "Приляг к лужице, изучи подробно существа - растения и животных, ее населяющих, в постепенном развитии и взаимно непрес­танно перекрещивающихся отношениях организации и образа жизни, и ты для науки сделаешь несравненно более, нежели многие путешественники... Полагаем, задачей, достойной первого из первых ученых обществ, назна­чить следующую тему для ученого труда первейших ученых: «Исследовать три вершка ближайшего к исследователю болота относительно растений и животных в их постепенном взаимном развитии организации и образа жи­зни посреди определенных условий».

В екології вельми вдалими прикладами застосування холістичного підходу може слугувати дослідження енергетичного балансу екосистем. Зокрема метод світлих і темних склянок, за допомогою якого встановлю­ють чисту і валову продукцію та загальну деструкцію екосистеми за пев­ний проміжок часу. Вивчення енергетичного балансу екосистеми за добо­вою динамікою кисню чи вуглекислоти також дає інформацію про всі 28

складові енергобалансу, навіть не розглядаючи “дійових осіб» та «вико­навців” цього процесу.

Ясна річ, що найбільш цінну інформацію, яка не лише дає величини окремих параметрів, але і дозволяє з’ясувати механізми, що лежать в осно­ві формування тих чи інших параметрів, можна отримати лише шляхом вдалого органічного поєднання холістичного та мерологічного підходів.

При цьому на основі холістичного підходу одержують загальні пара­метри екосистемних процесів (що практично неможливо на засадах меро- логічного підходу), а вже з’ясування механізмів окремих процесів досяга­ється на основі мерологічного підходу. Так, вивчивши складові енергетич­ного балансу будь-якої екосистеми, необхідно з’ясувати, внесок яких по­пуляцій найбільш істотний у продукційно-деструкційні процеси.

Вивчення впливу певного забруднення на екосистему в цілому мож­ливе виключно на холістичному рівні - визначення змін продукційно- деструкційних процесів, їх співвідношення, видового та іншого різнома­ніття екосистеми, загальної біомаси, величини зв’язаної енергії на одини­цю її доступного потоку, спряженості речовинно-енергетичних та інфор­маційних процесів тощо. А вже на мерологічному - можна з’ясовувати по­рівняльну чутливість окремих біосистем (популяцій, геміпопуляцій, трофі­чних груп тощо) до певного забруднення, зміни фізіолого-біохімічних та інших параметрів у окремих організмів, популяцій тощо.

Системний підхід до вивчення будь-якого об’єкта полягає у визна­ченні його елементів, структури, зовнішнього середовища і закону функ- ціювання. Для цього існує три основні групи методів: спостереження, експеримент і моделювання.

1.2.1. Спостереження

Спостереження передбачає невтручання в природний плин подій, тобто воно проводиться в інтактному режимі. Зазвичай на практиці певне втручання є необхідним, але вимушеним (кільцювання, мічення тощо). У природних умовах найчастіше використовують польові спостереження екосистем, котрі покликані вирішити такі завдання:

1) виділення головних типів екосистем і їхніх взаємозв’язків;

2) визначення видового складу організмів кожної екосистеми та вста­новлення параметрів умов абіотичних чинників;

3) вивчення взаємозв’язків між елементами екосистеми;

4) встановлення кількісних характеристик як елементів системи (щільність популяцій тощо), так й інтенсивності взаємозв’язків між ними (трофічних тощо);

5) вивчення динаміки процесів (добових, сезонних, річних циклів то­що).

Одним із прикладів найбільш високоорганізованих польових дослі­джень є програми комплексного екологічного моніторингу, розгорнуті на

базі біосферних заповідників згідно програми Глобальної системи моніто­рингу довкілля.

В екологічних дослідженнях широко використовують найсучасніші технічні засоби. Для отримання інформації щодо стану значних територій чи акваторій вдаються до космічних спостережень, зокрема, за допомогою методу дистанційної спектрофотометрії можна отримати інформацію про стан різноманітних екосистем на нашій планеті, рівень продукційних чи деструкційних процесів, забруднення, пожежі тощо.

Для з’ясування міграцій окремих видів, популяцій застосовують різ­номанітні методи мічення - кільцювання (птахи), радіопередавачі, вмонто­вані в ошийники (здебільшого для ссавців) чи фіксовані на інших частинах тіла тварин (акули, кити тощо), радіоактивні мітки, зокрема радіоізотопи фосфору широко використовують при дослідженні міграцій риб та інших гідробіонтів.

Термін «моніторинг» з’явився напередодні Стокгольмської конфере­нції ООН з навколишнього середовища 1972 р. Під моніторингом було ви­рішено розуміти систему безперервного спостереження, вимірів і оцінки стану навколишнього середовища. На думку російського дослідника- географа І.П. Герасимова (1975) об’єктом загального моніторингу «є бага­токомпонентна сукупність природних явищ, що підлягає різноманітним природним динамічним змінам і різноманітним впливам і перетворенням її людиною».

Моніторинг навколишнього середовища - комплексна система спо­стережень, оцінки і прогнозу змін природних середовищ, природних ре­сурсів, рослинного та тваринного світу, яка дозволяє виділити зміни їхньо­го стану і процеси, що відбуваються в них під впливом антропогенного на­вантаження.

У процесі моніторингу передбачається послідовна реалізація двох за­дач:

• забезпечується постійна оцінка "комфортності" умов середовища мешкання людини і біологічних об’єктів (рослин, тварин, мікроорганіз­мів), а також оцінка стану і функціональної цілісності екосистем;

• вжиття коректуючи дій у тих випадках, коли цільові показники критеріїв оцінки якості середовища не досягаються.

Слід мати на увазі, що сама система моніторингу не включає діяль­ність з управління станом середовища, проте, в ідеалі, є джерелом інфор­мації, необхідної для прийняття екологічно вагомих рішень. Зокрема, Дер­жавна доповідь "Про стан природного навколишнього середовища в Росій­ській Федерації в 1995 р." акцентує саме цю цільову складову і визначає моніторинг в РФ як «комплекс спостережень, що виконуються за науково обґрунтованими програмами спостережень, оцінок, прогнозів і розробле­них на їхній основі рекомендацій і варіантів управлінських рішень, необ- 30

хідних і достатніх для забезпечення управлінням станом навколишнього природного середовища і екологічною безпекою».

Система моніторингу реалізується на кількох рівнях:

• імпактному (вивчення потужних впливів на локальному масштабі, спрямоване, наприклад, на оцінку скидів чи викидів конкретного підприєм­ства);

• регіональному (прояв проблем міграції та трансформації забруд­нюючих речовин, спільного впливу різних факторів, характерних для еко­систем у масштабі регіону);

• фоновому, що здійснюється в рамках міжнародної програми "Лю­дина і біосфера" на базі біосферних заповідників, де виключена будь-яка господарська діяльність (має на меті зафіксувати фоновий стан навколиш­нього середовища, що необхідно для подальших оцінок рівнів антропоген­ного впливу).

За своїм структурно-функційним складом моніторинг навколишнього середовища об’єднує в собі всі необхідні компоненти: приладно-апаратне забезпечення, систему організації вимірів і сукупність методик аналізу ре- | зультатів необхідних спостережень (табл. 3.1).

Таблиця 3.1. Функції моніторингу стану навколишнього середовища (Бурдин, 1985)

Моніторинг охоплює весь широкий спектр аналізу спостережень за абіотичною складовою біосфери, що постійно змінюється і є зворотною реакцією екосистем на ці зміни, включаючи як геофізичні, так і біологічні аспекти, що визначає широкий спектр методів і прийомів досліджень, які використовуються при його здійсненні.

Оскільки угруповання живих організмів значною мірою замикають на себе всі процеси, що протікають в екосистемі, ключовим компонентом мо­ніторингу навколишнього середовища є моніторинг стану біосфери, або біологічний моніторинг, під яким розуміють систему спостережень, оцінки і прогнозу будь-яких змін в біотичних компонентах, викликаних чинника­ми антропогенного походження (Федоров, 1974; Израэль, 1977) і знаходить свій прояв на організмовому, популяційному, біоценотичному чи екосис- темному рівнях.

За визначенням В.С. Ніколаєвського (1981) біологічний моніторинг — визначення стану живих систем на всіх рівнях організації та відгуку їх на забруднення середовища. Тобто, це - система спостережень, оцінки і про­гнозу змін стану біологічних систем під впливом антропогенного впливу.

Згідно з визначенням Н.Ф. Реймерса (1990) «моніторинг біологічний - стеження за біологічними об’єктами (наявністю видів, їх станом, появою випадкових інтродуцентів тощо) і оцінка якості навколишнього середови­ща за допомогою біоіндикаторів».

Отже, тлумачення поняття «біомоніторинг» досить широке - від спо­стереження за самими живими організмами - до контролю за станом пев­них чинників середовища за допомогою живих організмів. У останньому визначенні ми бачимо метод біоіндикації як засіб вирішення завдань біо­логічного моніторингу.

Таким чином, спостереження - основа збору інформації щодо стану екосистем з використанням найрізноманітніших технічних засобів. Крім суто наукового аспекту використання цієї інформації, на спостереженні, власне, базується вся система екологічного моніторингу, як на глобально­му, так і на регіональному та локальному рівнях. За допомогою спостере­жень можна здійснювати експрес-діагностику стану екосистем (викорис­товуючи метод біоіндикації). Але в усіх цих випадках втручання спостері­гача в природній плин подій або зведено до мінімуму, або ж не передбаче­не.

Тому отримати відповідь на питання: а що відбудеться в екосистемі, якщо на неї вплине той чи інший чинник певної інтенсивності? - дає змогу експеримент.

1.2.2. Експеримент

Експеримент передбачає свідоме втручання в природний хід процесу з метою з’ясування функції відгуку системи на той чи інший вплив. Розма­їття експериментів у екології настільки величезне, що навіть перерахувати їх досить складно. Корисним може бути виділення різних їх категорій у за­лежності від рівня контролю експериментатора над системою, що дослі­джується, та кількості факторів, які свідомо змінюються.

Перш за все варто розрізняти експерименти за рівнем досягнутого в них контролю над об’єктом. Тут можливі широкі варіації - від практично неконтрольованих експериментів, коли після певного впливу на систему експериментатор у подальшому лише стежить за її динамікою, до практи-

чно повного контролю над усіма параметрами системи, що цікавлять екс­периментатора.

Досить поширеним є поділ експериментів на польові та лабораторні. Перші в переважній більшості випадків належать до практично неконтро- льованих. У лабораторних умовах є змога контролювати ті чи інші параме­три і фактори, проте більш-менш повний контроль провідних факторів можливий лише на складному сучасному устаткуванні в різноманітних фі­тотронах, акватронах та інших керованих лабораторних “мікрокосмах”.

За кількістю чинників, вплив яких на систему вивчається, експериме­нти поділяють на однофакторні - досліджується вплив одного чинника на систему та багатофакторні - вивчається одночасний вплив двох і бі­льше чинників на систему.

1.2.2.1. Однофакторний експеримент

Класичною схемою проведення експериментів ще з часів Френсі- са Бекона (1561-1626) вважається однофакторний експеримент, коли ви­вчається вплив одного чинника за фіксованих значень решти.

Слід відзначити, що в екології однофакторні експерименти виявля­ються значно менш продуктивними, ніж у фізиці чи інших природничих науках. Адже коли проводиться однофакторний експеримент, скажімо, до­сліджується вплив температури на інтенсивність фотосинтезу, слід мати на увазі, що отримані результати відповідають лише даному рівню освітлен­ня, спектрального складу світла, концентрації окремих біогенних елемен­тів, вологості тощо. Причому варто цей же експеримент провести при ін­шій вологості, як його результати можуть виявитися зовсім іншими, часто - діаметрально протилежними. Зокрема висока температура значно пожва­влює фотосинтез при достатній кількості вологи і, навпаки, пригнічує його за умови дефіциту води. Те ж саме спостерігаємо і в розташуванні біомів за градієнтами температури і кількості опадів: вологі тропічні ліси прита­манні районам з високою температурою і вологістю. Якщо температура висока, а опадів недостатньо - має місце пустеля. Для тундри характерна достатня вологість і низька температура.

Тому в переважній більшості випадків у екологічних дослідженнях адекватним вирішуваній проблемі є и—факторний експеримент, принаймні, розглядаючи різні варіанти поєднання значень провідних факторів на ті чи інші досліджувані параметри. Проте ще й сьогодні однофакторний експе­римент продовжує зберігати своє значення в екологічних дослідженнях з огляду на його простоту та доступність.

1.2.2.2. Багатофакторний експеримент

Ще в 30-х роках XX століття для вирішення задач одержання високих врожаїв англійським генетиком Рональдом Ейлмером Фішером були роз­роблені основи методу багатофакторного аналізу, які полягали в тому, що в кожному варіанті з серії дослідів експериментатор змінює не один, а від- 33

разу кілька факторів, значення яких комбінуються певним чином, унаслі­док чого при наступній математичній обробці отримують багатофакторний опис процесу чи явища.

При дослідженні екологічних процесів доводиться мати справу з од­ночасним впливом багатьох чинників. Тому завданням багатофакторного експерименту і є з’ясування впливу n факторів (за різних варіантів їхнього взаємопоєднання) на ту чи іншу систему і аналіз різних сценаріїв реагу­вання її на сукупну дію чинників.

Із двофакторним аналізом знайомі майже всі на прикладі кліматог- рам. Результати двофакторного аналізу легко графічно інтерпретувати. Для цього по осі x відкладають значення одного фактора, по осі у - друго­го. По осі z можна відстежувати функцію відгуку системи на двофакторний вплив (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Функція відгуку ф (хі, Х2) швидкості чистого фотосинтезу вереску Calluna vulgaris на інтенсивність сонячної радіації X₁ та температуру Х2

Трьохфакторний експеримент графічно зобразити дещо складніше - по кожній з трьох осей відкладають значення відповідних факторів, а ре­зультати відгуку системи на трьохфакторний вплив можна зобразити, ви­користовуючи засоби просторової графіки, в тому числі, використовуючи різні кольори.

Чотирьох- і більше факторний експеримент графічно вже значно важ­че інтерпретувати. Найпростіше результати таких експериментів можуть бути представлені у n-вимірному просторі, кожна точка якого має свої ко­ординати на кожну з n осей.

Найпростішим графіком результатів n-факторного експерименту мо­же бути ранжований у порядку зростання значень функції відгуку системи на комплексний вплив n факторів графік, де на осі Y - відкладають зна­чення функції відгуку системи (у порядку зростання), а кожна точка осі X буде мати відповідні значення n факторів. Комп’ютерна графіка дозволяє, навівши курсор на будь-яку точку кривої функції відгуку, отримати зна­чення n факторів, за яких функція відгуку має відповідне значення. Таким

чином, можна отримати повну картину н-факторного впливу на ту чи іншу функцію системи чи на її стан в цілому (за інтегральними показниками).

Для ефективного планування багатофакторного експерименту запро­поновано низку підходів (Федоров, 1967; Максимов, Федоров, 1967, 1969; та ін.). З розвитком комп’ютерних технологій багатофакторний експери­мент має посісти провідне місце в експериментальній екології.

3.2.3. Моделювання

Моделювання передбачає створення моделі. Подальше вивчення сис­теми проводять не на реальному об’єкті, а на його моделі. Модель можна визначити як будь-яке спрощене відображення об'єкта (реального чи уяв­ного). Особливо цінним моделювання є у випадках, коли досліди над реа­льною системою проводити неможливо з огляду на її масштаби - скажімо, біосфери в цілому, океану, моря тощо або ж небезпечно - вплив радіації на екосистеми. Тому для вивчення цих проблем створюється модель і пода­льші дослідження проводяться на ній.

Суть моделювання полягає в тому, що поряд із системою-оригіналом, яку позначимо через S (V⁰, X⁰, Σ⁰, F⁰) розглядається її модель, роль якої ви­конує деяка інша система: S = (V, X, Σ, F), що являє собою образ (подіб­ність) оригіналу S⁰ при моделюючому відображенні (відповідності подіб­ності) f, що позначається так:

де дужки означають, що f - частково визначене відображення, тобто не всі властивості складу та структури оригіналу відображені моделлю.

Стратегія моделювання полягає у спробі шляхом спрощення отримати модель, властивості й поведінку якої можна було б ефективно досліджува­ти, проте яка б водночас залишалася б подібною оригіналу, щоб результати досліджень можна було б застосовувати до нього. Таким чином, мистецтво моделювати полягає у максимальному спрощенні об’єкту моделювання при збереженні якомога більшої кількості істотних властивостей оригіна­ла. Зворотній перехід від моделі до оригіналу зветься інтерпретацією мо­делі.

За формою реалізації (під реалізацією розуміють характеристику того, “з чого і як модель зроблена”, - Полетаев, 1966) моделі розрізняють реаль­ні та ідеальні (знакові).

Реальні моделі реалізуються у тій же формі, що і об'єкт відобра­ження - акваріум, як модель водойми, акватрони, фітотрони тощо. Реальні моделі дозволяють шляхом істотного спрощення системи досліджувати певні процеси, що в ній відбуваються та отримувати кількісні характерис­тики цих процесів.

Невеликі автономні «світи», або мікрокосми, в невеликих посудинах (пляшках тощо) часто використовують для імітування в мініатюрі природ­них екосистем. Ці моделі реальних екосистем можна розглядати як мікро- 35

екосистеми. У вдало змодельованих мікрокосмах можна спостерігати ос­новні функції природної екосистеми. Переваги мікроекосистем для дослі­джень полягають у тому, що вони мають чіткі межі, легко відтворювані та зручні для експериментів.

Одним із перших досліджень мезоекосистем, включаючи замкнені системи життєзабезпечення людини (СЖЗ), проводилися у м. Красноярсь­ку (Росія) в Інституті біофізики РАН (Сибірське відділення) у 1973-1985 рр. Вони показали можливість моніторингу, моделювання і прогнозування стану штучних і природних екосистем з метою їх раціонального викорис­тання. Дослідження проводились на СЖЗ людини «Біос-3». Всі розробки та матеріали дослідження були перекладені англійською мовою і тому іс­нує припущення, що вони були використані при створенні «Біосфери-2» в США.

Загальна характеристика «Біос-3»:

Рік створення - 1973. Вартість - 6 млн доларів. Герметизований об’єм - 300 м³. Екіпаж - 3 людини.

Результативність - життя екіпажу протягом 6 місяців за рахунок біологічного колообігу.

На початку дев’яностих років XX ст. унікальну систему побудували в американському штаті Арізона, поряд з містом Оракл і назвали її «Біосфе- ра-2». При цьому автори проекту виходили з того, що «Біосфера-1» - це наша Земля. «Біосфера-2» - це грандіозна конструкція зі скла та армованої сталі, яка займала площу 1,27 га і мала об’єм повітря 203760 м³. «Біосфера- 2» містила понад 3000 видів рослин і тварин, сім біомів - дощовий тропіч­ний ліс, савану, пустелю, болото, маленький океан з кораловим рифом, ін­тенсивне сільське господарство і апартаменти для людей.

Автором проекту був Дж. Аллен, екотехнік, фахівець в галузі систем­ного управління. Метою проету, як пише Дж. Аллен, було прагнення до­помогти нашій біосфері розпочати освоєння придатних для життя місць спочатку в межах Сонячної системи, потім - нашої Галактики і, нарешті, в усьому Всесвіті. Будівництво тривало близько 7 років і обійшлося Едварду Баасу (мільярдеру, який фінансував цей проект) у понад 150 мільйонів до­ларів. Спроектував споруду американець П. Солері.

Цікаво, що «Біосфера-2» була розроблена спеціально для того, щоб у ній могли жити люди, причому абсолютно ізольовано від решти світу: ні їжа, ні повітря, ні вода, ні будь-яка інша речовина не проникала всередину і ніщо не виходило назовні, крім сонячного світла, електрики та інформації по дротах. Навіть «дно» конструкції було ізольоване від землі, на якій вона стояла, спеціальними герметично звареними залізними листами. Для під­тримання постійного тиску повітря, коливання якого відбувалися через зміну температури усередині «Біосфери-2» були передбачені гігантські мембрани. Витік повітря з усієї конструкції складав не більше 10% за рік (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Загальний вигляд «Біосфери-2»

«Біосфера-2» була оснащена великою кількістю датчиків, які постій­но визначали температуру, вміст тих чи інших елементів у ґрунті, воді й повітрі, фіксуючи ці параметри для подальших досліджень. 26 вересня 1991 року вісім добровольців (чотири жінки і чотири чоловіки) увійшли до «Біосфери-2» з метою перебування в ізоляції протягом двох років.

Вода циркулювала й очищувалася завдяки роботі жалюзей, що регу­лювали сонячне освітлення, яке приводило в дію конвекційні потоки теп­лого повітря, що викликали випаровування з поверхні «океану». Конден­суючись, волога випадала у вигляді сильних дощів над «тропічним лісом». Звідси вода просочувалася в «болота» і знову потрапляла в «океан» через ґрунтові фільтри. В процесі фотосинтезу поглинався вуглекислий газ, що виділявся при диханні, і підтримувався необхідний вміст кисню в повітрі.

Люди контролювали роботу цих систем. У них була можливість передава­ти і одержувати будь-яку інформацію, проте це був єдиний зв’язок із зов­нішнім світом.

На спеціальній ділянці інтенсивного сільського господарства за допо­могою особливих методів оброблялись агрокультури, які слугували їжею для людей - адже іншої їжі їм не було звідки взяти. Крім землеробства, жителі «Біосфери-2» займалися скотарством. У них були кози, кури і поро­сята.

Всю енергію для приготування їжі, освітлення і роботи устаткування давали сонячні батареї.

Для очищення води вирощували водні гіацинти.

Проте в ході цього експерименту з’ясувалися і певні проблеми:

1. «Біосфера-2» виявилася перенаселеною. Через деякий час людям стало не вистачати їжі, і тут виявилося, що проблеми усередині «Біосфери- 2» дуже нагадують земні.

2. Не всі природні явища були враховані: над «пустелею» на скляному даху «Біосфери-2» вранці конденсувалася вода і випадав дощ. У результаті пустеля стала не такою пустою, як планувалося спочатку - на ній почали з’являтися рослини.

3. Чомусь розвелося багато мурашок, хоч ніхто не планував привно­сити їх у систему.

4. Запланувавши течії в «океані-2», творці «Біосфери-2» не передба­чили вітер. А він, як виявилося, дуже важливий для рослин. Під його дією дерева гойдаються, що призводить до зміцнення коренів та стовбурів. У результаті це призвело до обламування крон багатьох дерев під власною вагою.

5. За два роки вміст кисню зменшився в «атмосфері» з 21% до 14%, що спричинювало постійний головний біль і втрату працездатності учас­ників експерименту.

Проте в цілому перший експеримент на «Біосфері-2» завершився ус­пішно. Вся команда вчених і переважна більшість рослин і тварин пережи­ли два роки ізоляції. Точно в призначений термін, 26 вересня 1993 року, біосферяни залишили свій ковчег. І відразу ж після завершення цієї епопеї дві пари її учасників одружилися.

Американці не були б американцями, якби вони не намагалися не ли­ше дати цінні відомості науці, але і витягти зі своїх незвичайних пригод ще і комерційну вигоду. Практично всі учасники випустили мемуари, а один з них опублікував книгу рецептів біосферянської їжі. Адже вона допомагала знижувати вміст холестерину в крові, сприяла схудненню. До речі, самі колишні еконавти довго не могли звикнути до звичайної земної їжі. Адже вона здавалася їм якоюсь штучною, несмачною!

Двоє з біосферян, Джейн Пойнтер і Табер Маккаллум, вже в 1993 році заснували компанію ParagonspaceDevelopmentCorporation, яка налагодила масове виробництво кишенькових «біосфер». Були розроблені мініатюрні 38

- розміром від 10 до 30 сантиметрів у діаметрі - біологічні аквасистеми. У них абсолютно без всяких відходів могли жити різноманітні морські і прі­сноводні тварини. На ці «іграшки» в Америці був великий попит.

У березні 1994 року в «Біосфері-2» почала працювати друга зміна біо- сферян, уже із шести чоловік. Змінилася і сама парадигма досліджень. Пе­рша вахта була зайнята в основному власним виживанням, прагненням за­безпечити себе всім необхідним для більш-менш повноцінного життя. Те­пер же в «Біосферу-2» стали ухожі фахівці-дослідники. Вони проводили експерименти, і термін їх перебування міг варіюватися від кількох діб до кількох місяців. Це вже були фактично не еконавти, а представники різних наук. І проводити повну ізоляцію їх від зовнішнього середовища вже не збиралися.

Тим часом екологічна ситуація в «Біосфері-2» все більше погіршува­лася, і восени 1994 року і друга зміна фахівців була спішно евакуйована, а споруда - наглухо зачинена. У березні 1995 року було прийнято нове рі­шення - відкоркувати «Біосферу-2», ґрунтовно провітрити її та провести «генеральне прибирання».

У 1997 році проект «Біосфера-2» був закритий. Тоді з'ясувалося, що температура і хімічний склад повітря усередині приміщень у цьому руко­творному ковчегу починають виходити за межі безпеки. Американці ви­тратили 150 мільйонів доларів і спробували відповісти на запитання, чи можна створити абсолютно автономну модель земної біосфери. На жаль, у цей раз дослід закінчився невдачею, «мала Земля», відтворена стараннями вчених і конструкторів, стала непридатною для життя.

Однак вже в січні 2001 року в цього довгого експерименту відкрилося друге дихання. Міністр енергетики США підписав з Колумбійським уні­верситетом угоду про використання будівель «Біосфери-2» для потреб йо­го відомства. Було вирішено протягом двох років виділити 700 тисяч дола­рів на те, щоб пристосувати споруду для вивчення реакцій екологічної сис­теми на глобальні й регіональні кліматичні зміни.

Так почалося друге життя цього чудового проекту. Коли цей проект був лише у задумі, Національна комісія США з космосу вважала можли­вим створити в 2017 році поселення на Місяці, а до 2027 року - на Марсі. Тоді підрахували, що буде потрібно не менш трьох років життя в умовах, подібних тим, що були організовані в «Біосфері-2», щоб подолати шлях до червоної планети і повернутися назад.

Сьогодні «Біосфера-2» є підрозділом Колумбійського університету. У ній проводяться наукові дослідження і навчання студентів. Деякі частини наукового комплексу тепер відкриті для екскурсій.

Детальнішу інформацію щодо модельних екосистем можна знайти в посібнику «Штучні системи в екології» (Руденко С.С., Костишин С.С., Ситнікова І.О., 2006) [23].

«Біосфера-2» - один з найграндіозніших проектів, в основі якого ле­жало дослідження реальної моделі. Проте витрати на такі моделі значно

перевищують реальні можливості переважної більшості наукових програм. Тому значно доступнішим є створення ідеальних моделей, які до того ж практично нічим не обмежені (навіть масштабністю об’єктів моделювання - аж до біосфери в цілому).

Ідеальні моделі - формальне відображення дійсності за допомогою даного алфавіту символів і операцій над ними. Як відзначає І.А. Полєтаєв (1966), знакові моделі незрівнянно багатші за можливостями, ніж реальні, адже вони практично не обмежені можливостями фізичної реалізації.

Ідеальні моделі поділяють на дві групи - концептуальні та матема­тичні (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Класифікація моделей

Концептуальна модель являє собою дещо більш формалізований і си­стематизований варіант традиційного опису досліджуваної екосистеми, що складається з наукового тексту, який супроводжується блок-схемою сис­теми, графіками, таблицями тощо. Сам термін “концептуальна” підкрес­лює, що призначення цієї моделі - бути ясним, узагальненим і водночас досить повним виразом знань і уявлень про систему в рамках і засобами певної наукової концепції.

Перші концептуальні моделі в екології з’явилися лише у XX столітті (Shelford, 1913; Haviland, 1926; Summerhayes, Elton, 1923, 1928).

Поряд з такими перевагами, як універсальність, гнучкість, багатство засобів вираження тощо, завдяки яким цей метод застосовується до найрі- 40

зноманітніших систем, йому притаманні і певні недоліки, зокрема значна неоднозначність інтерпретації та статичність, що ускладнює опис динаміч­них систем і процесів.

Кількісне вивчення динамічних процесів ефективно досягається шля­хом математичного моделювання.

Математичною моделлю системи-оригінала називається її модель, у якої елементами множин V і X виступають математичні змінні (скалярні функції часу t) в інтервалі, що розглядається (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Перехід від системи-оригіналу до її моделі

При цьому мистецтво моделювання полягає, з одного боку - у макси­мальному спрощенні, з іншого - у якомога більш повному збереженню ос­новних властивостей системи-оригінала.

В екології одними з перших вдалих математичних моделей стали мо­делі Лотки-Вольтерри (1925, 1926, 1931) для конкуренції та хижацтва то­що.

У залежності від рівня визначеності передбачення моделі поділяються на детерміновані та стохастичні (ймовірнісні). Якщо в детермінованій мо­делі значення змінних стану визначаються однозначно (з точністю до по­хибок обчислення), то стохастична модель для кожної змінної дає розподіл можливих значень, що характеризуються такими імовірнісними показни­ками, як математичне очікування.

3.3.