Загальна схема і етапи системного дослідження в екології

Системний підхід до вивчення екологічних систем вимагає дотриман­ня єдиної методології, якій підпорядковані зусилля всіх фахівців, залуче­них до вивчення певної екосистеми. Причому ефективність дослідження суттєво залежить від правильного планування і проведення цих дослі­джень.

Системне дослідження екосистеми складається з кількох етапів, що послідовно змінюють один одного у часі чи здійснюються паралельно [28]:

1. Визначення задачі.

2. Концептуалізація.

3. Специфікація.

4. Спостереження.

5. Ідентифікація.

6. Експерименти.

7. Реалізація моделі.

8. Перевірка моделі.

9. Аналіз моделі.

10. Оптимізація.

11. Заключний синтез.

1. Визначення задачі - основна мета етапу - обмежити і конкретизу­вати кількість можливих напрямків і аспектів вивчення екосистеми, зосе­редивши головну увагу на тих властивостях і процесах, які заслуговують найбільшої уваги. Адже будь-яка природна екосистема - вкрай складний утвір, детальне вивчення якого вимагає колосальних людських і матеріа­льних ресурсів, а також величезних витрат часу. Тому цей етап є доленос­ним для успішного вирішення проблеми.

2. Концептуалізація - полягає в узагальненні відомостей про систему, що вивчається, і представленні відомостей в логічно цілісній і достатньо повній концептуальній моделі. Перш за все на цьому етапі з’ясовуються зовнішні потоки (вхідні і вихідні) речовини, енергії та інформації, зв’язок з іншими екосистемами, а також з атмосферою, геологічними шарами та гід­рологічними процесами. Вивчається вплив діяльності людини на ці проце­си. Потім встановлюється склад, структура і певні закономірності функці- ювання даної екосистеми.

3. Специфікація. Полягає у визначені складу множин вхідних змінних (зовнішнього середовища) і змінних складу майбутньої математичної мо­делі.

4. Спостереження. За результатами специфікації плануються і про­водяться спостереження за динамікою властивостей системи і середовища, перш за все за параметрами зовнішнього середовища і елементами систе­ми.

5. Ідентифікація. Полягає у встановлені (ідентифікації) математичних відношень між змінними, що утворюють структуру системи, які б з певною точністю відображали кількісні відношення між властивостями екосистеми і її середовища.

6. Експерименти. Ідентифікація вимагає проведення польових та ла­бораторних експериментів з метою перевірки різноманітних гіпотез про характер взаємозв’язків між змінними моделі.

7. Реалізація моделі. Після ідентифікації моделі постає проблема по­будови її дозвільного оператора. Це дає можливість розраховувати за до­помогою моделі динаміку змінних стану на даному відрізку часу, що від­повідає даним входам і початковому стану.

8. Перевірка моделі. На даному етапі дослідження встановлюють, на­скільки модель здатна відтворювати властивості системи-оригінала, які ці­кавлять дослідника.

Для цього досить ефективним способом перевірки моделі є моделю­вання ситуації, що імітує різні експериментальні впливи (зміни концентра­цій біогенних елементів, температури, щільності окремих видів тощо) і по­рівняння результатів імітації з показниками реальних експериментів.

Після кількох циклів перевірки і корекції зазвичай вдається досягти задовільного рівня моделі, придатної для подальшого використання.

9. Дослідження моделі. Вивчається залежність між змінними моделі. Важливим також є аналіз чутливості моделі, який полягає у з’ясуванні то­го, які зв’язки між змінними та їхні параметри, а також які із зовнішніх фа­кторів спричинюють найзначніші (або найнезначніші) впливи на поведінку моделі. Після з’ясування відповіді на це питання вирішують, які параметри мусять визначатися з великою точністю при спостереженнях, і на етапі ідентифікації, а які можуть задаватися відносно наближено.

Результати теоретичного дослідження моделі додатково використову­ють при оцінках адекватності моделі і можуть бути основою для повер­нення до попередніх етапів з метою вдосконалення моделі.

10. Оптимізація. На цьому етапі методичною основою виступає тео­рія оптимального управління. В практичній роботі по збереженню (запові­дників, заказників тощо) чи раціональному використанню (сільськогоспо­дарських, водних, лісових тощо) екосистем часто виявляється, що серед екзогенних чинників, які впливають на них, є й такі, котрі людина може регулювати з метою оптимізації тих чи інших характеристик екосистем.

11. Заключний синтез. У результаті виконаної роботи остаточно оці­нюються її результати - перш за все - побудована модель та визначаються перспективи для подальших досліджень. Водночас, у випадку виявлення істотних недоліків моделі, повертаються на відповідний попередній етап дослідження для з’ясування питань, що істотно знижують цінність розроб­леної моделі та усунення її суттєвих недоліків.

Органічне поєднання холістичного і мерологічного підходів, викорис­тання різних адекватних методів дозволяє всебічно дослідити екосистему і отримати необхідну інформацію. При цьому вкрай важливо ретельно спла­нувати всі етапи того чи іншого дослідження і знайти його оптимальний варіант, який полягає в мінімізації витрат на його проведення при забезпе­ченні належного наукового рівня.

В 1974 році американським екологом Баррі Коммонером сформульовані_чотири_ основних принципи,_що _ пояснюють _ стійкий розви-^'^z ток природи й закликають людство керуватися ними у своєму впливі на_^ навколишнє середовище. _ 1. Все_ зв’язано, з _ усім.. Біосфера_ Землі рівноважною екосистемою, у якій всі окремі ланки взаємозалежні й допов­нюють одна одну. Порушення якої-небудь ланки спричиняє зміни в інших ланках. Будь-яка зміна, чинена людиною в природі, викликає ланцюг наслідків, як правило несприятливих. Наслідком втручання людини в при­роду є зникнення видів і зменшення видової розмаїтості в біоті. 2. Все му­сить кудись діватися. Ландшафти Землі, географічна оболонка в цілому - у певному розумінні - замкнуті системи. Будь-яке забруднення природи повертається до людини у вигляді "екологічного бумеранга".

Контрольні запитання до розділу

1. Чим принципово відрізняється спостереження від експерименту?

2. Яку екологічну інформацію дозволяє отримати спостереження?

3. У чому суть системного підходу в екології, які його можливості?

4. Яку інформацію дозволяє отримати застосування холістичного, а яку - застосування мерологічного підходу?

5. Що являє собою екологічний моніторинг, які його складові?

6. Проілюструйте на прикладі будь-якої екосистеми її склад, струк­туру та закон функціювання.

7. Які типи структур можна виділити в екосистемі?

8. Які типи моделей найчастіше використовуються в екології та яку інформацію вони дозволяють отримати?

9. З якими основними проблемами зіткнулися експериментатори «Біосфери-2»?

10. Охарактеризуйте основні етапи системного дослідження на при­кладі будь-якої екосистеми.