Гипотезы развития экосистем

Отношения между живыми организмами в экосистеме характеризуются отношениями типа «хищник — жертва». Для популяции живых организмов характерны определенные устойчивые пропорции или колебания в численности, если па них не оказывают влияние неожиданные факторы: стихийные бедствия, вмешательство человека. Описание процессов, которые происходят в природе, подчас весьма сложны, и ученые рассматривают, предлагают и отвергают различные гипотезы, объясняющие анализируемые явления. Например, колебания численности в популяции рыси в Канаде соответствуют колебаниям численности их основной жертвы — зайца-беляка. Многолетние данные позволяют анализировать численность популяции обоих животных за длительный период времени (рис. 8.6).

Рис. 8.6. Циклические колебания численности зайца-беляка и рыси.

На базе того, что колебания численности хищников и жертвы нередко тесно связаны между собой, была выдвинута гипотеза, в соответствии с которой увеличение популяции зайцев сопровождается увеличением популяции рыси, которая в конце концов достигает такой плотности, что популяция зайцев не может выдержать давление рыси и начинает сокращаться. Вслед за этим численность рыси также сокращается. Когда рыси становится мало, популяция зайца вновь восстанавливается, и цикл возобновляется. Такая гипотеза может быть отображена в виде знакового графа (рис. 8.7). Здесь в виде кружков отображается численность рыси и зайца-беляка, а в виде стрелок — воздействия одного показателя на другой.

Рис. 8.7. Отображение гипотезы взаимного регулирования популяции рыси и зайцев.

Знак «-» на отрезке от вершины «Рысь» к вершине «Заяц» показывает, что рост популяции рыси уменьшает популяцию зайцев. Обратный отрезок имеет знак «+», что означает факт влияния роста числа зайцев на увеличение популяции рыси. Построенный знаковый орграф позволяет выяснить важные свойства изучаемой экосистемы. Конечно, это исследование будет носить предварительный характер, но оно способно оценить справедливость высказанной гипотезы и определить тенденции развития такой экосистемы.

Для моделирования на основе знакового орграфа следует воспользоваться импульсным процессом. Если увеличение показателя принять за 1 балл и начальное увеличение дать популяции зайцев, то в следующий момент популяция рыси увеличится также на единицу за счет передачи начального импульса, равного единице, от зайцев к рыси по отрезку, имеющему знак «+». Далее увеличение рыси должно быть передано показателю зайцев. Поскольку отрезок, соединяющий показатель «Рысь» и показатель «Заяц», имеет знак «-», то популяция зайцев уменьшится на единицу и будет равна нулю. Процесс будет продолжаться циклично. Динамика экосистемы «Рысь — Зайцы» показана на рис. 8.8.

Рис. 8.8. Тенденция изменения взаимного регулирования численности популяции рыси и зайцев.

Изменения популяции приведены в баллах, поскольку слишком грубая модель влияния не дает возможности численно оценить изменения популяции. С помощью приведенной модели и рассчитанных графиков можно лишь получить подтверждение гипотезы о наличии колебаний в обеих популяциях.

Однако этой гипотезе многое противоречит:

• — популяция рысей не может увеличиваться с такой скоростью, чтобы вызвать сокращение популяции зайца;
• — на некоторых островках, где рыси нет, наблюдаются такие же колебания численности зайца-беляка, как и на материке.

Другая гипотеза заключается в том, что циклы изменения численности популяции зайцев вызваны периодическим снижением качества и количества растений, которыми питается заяц, что, в свою очередь, вызывает сокращение популяции этих животных, создавая возможность для восстановления растительности после ее чрезмерного выедания. Колебания численности рыси пассивно следуют за циклическими изменениями популяции их жертвы. В этом случае можно построить иную модель на базе знакового орграфа (рис. 8.9).

Рис. 8.9. Знаковый орграф, отображающий гипотезу колебаний численности зайцев вследствие периодического изменения количества и качества растений.

Для того чтобы выяснить тенденцию изменения популяции животных с помощью построения орграфа, следует задать начальные изменения (импульс) для активизирующего эту экосистему показателя. Исходя их логики гипотезы таким живым организмом являются растения. Пусть их начальным значением будет 1 балл. В такой ситуации можно исследовать динамику функционирования экосистемы и получить график, приведенный на рис. 8.10.

В приведенной на рис. 8.9 модели количество растений регулируется зайцами. Однако в высказанной учеными гипотезе есть предположение об изменении количества и качества растений под воздействием различного набора факторов — климатических, биологических и пр. Если разделить все факторы на благоприятные (Ф+) и неблагоприятные (Ф-), то модель экосистемы существенно усложнится и может быть представлена орграфом, приведенным на рис. 8.11.

Рис. 8.10. Динамика изменения экосистемы.

Рис. 8.11. Орграф, учитывающий влияние разнообразных факторов на количество и качество растений.

Результаты моделирования на базе этого орграфа представлены на рис. 8.12. Они наглядно демонстрируют справедливость выдвинутой учеными гипотезы и основные тенденции в колебаниях популяции живых организмов. Знаковый граф не в силах дать численную оценку изменения популяции. С его помощью можно концептуально оценить взаимодействие живых организмов в системе и определить возможные сдвиги в их популяции.

С помощью ориентированных графов можно проводить моделирование и исследование очень сложных экологоэкономических систем. В качестве практического примера рассмотрим реальную ситуацию, которая имела место у берегов Южной Калифорнии (США) с популяцией зарослей водорослей Macrocystis.

Эти водоросли со сроком жизни от 1 года до 10 лет образуют густые заросли, являются пищей для морских ежей, создают убежища для популяций рыб и могут служить сырьем для удобрений. Зависимость количества водорослей от численности морских ежей представляет собой устойчивую систему, которую можно выразить с помощью орграфа (рис. 8.13).

Рис. 8.12. Результаты моделирования на основе орграфа, учитывающего влияние различных факторов на количество и качество растений.

Рис. 8.13. Орграф стабильной системы «водоросли — морские ежи» .

Начиная с 1940 г. заросли водорослей на указанном участке побережья стали исчезать в результате сброса сточных вод. На свободных участках побережья оказалось огромное число морских ежей. Обычно вслед за исчезновением водорослей исчезали и морские ежи, благодаря этому заросли имели возможность восстанавливаться. Оказалось, что морские ежи могут питаться за счет сточных вод, которые несут взвешенные и растворенные органические вещества. Таким образом биологическое равновесие было нарушено, и водоросли были обречены на вымирание. Отображение данной ситуации в виде знакового орграфа приведено на рис. 8.14.

Результаты моделирования экосистемы, представленной этим орграфом, приведены на рис. 8.15.

Полученные графики подтверждают фактические данные о катастрофическом уменьшении популяции водорослей. Для борьбы с морскими ежами природоохранные органы решили сбрасывать негашеную известь (оксид кальция), а затем вновь заселять участки побережья молодыми водорослями. Такое решение можно продемонстрировать в виде орграфа, который изображен на рис. 8.16, и модели, показанной на рис. 8.17.

Рис. 8.14. Орграф, отображающий сброс сточных вод и их воздействие на биологическую систему «водоросли — морские ежи» .

Рис. 8.15. Результаты моделирования на основе орграфа, отображающего воздействие сточных вод на биологическую систему «водоросли — морские ежи» .

Рис. 8.16. Борьба с морскими ежами и восстановление популяции водорослей путем их дополнительного заселения.

Рис. 8.17. Результаты моделирования последствий разовых мероприятий — сбросов негашеной извести и подсадки молодых водорослей.

Поскольку обработка побережья негашеной известью имела лишь разовый эффект, а сброс сточных вод города был непрерывным, то восстановить популяцию водорослей не удавалось. Результаты моделирования (см. рис. 8.17) подтверждают неэффективность такого подхода. На графиках видно, что разовое мероприятие не дает возможность изменить популяцию морских ежей и увеличить популяцию водорослей. Так как экосистема не находится в равновесии, то водоросли продолжают вымирать, а ежи восстанавливают свою популяцию.

В 1963 г. был прекращен сброс сточных вод непосредственно в океан, что позволило быстро восстановить популяцию водорослей без дополнительного воздействия на численность морских ежей. По сути при прекращении сброса сточных вод экосистема вновь стала описываться орграфом, приведенным на рис. 8.13.

Таким образом, своевременное использование знаковых орграфов и моделирования на основе импульсных процессов позволило бы избежать многих ошибок и предотвратить катастрофические последствия тех изменений, которые произошли на побережье с популяцией зарослей водорослей Macrocystis.