Введение к работе
Актуальность темы. К числу наиболее актуальных и сложных проблем нашего времени относится изучение состояния природной среды. Происходящие на наших глазах (и зачастую связанные с деятельностью Человека) изменения в ней идут, как правило, в неблагоприятном для нас направлении. Іроведению более разумной политики препятствует недостаток знаний о законах функционирования крупных природных комплексов, а гакже методов количественной оценки их состояния, происходящих в них изменений, расчёта допустимых нагрузок на них. Среди наи-5олее быстро деградирующих природных комплексов знделяются вод-ие (в том числе морские) экосистемы. Большая скорость событий требует принятия срочных мер, однако большой объём, число и сложность соответствующих мероприятий, их огромные социально-экономические последствия требуют хорошего понимания причин и гада событий, наличия простых и конкретных описаний объектов, юстаточно точной интерпретации входящих в расчёты и прогнозы параметров, наличия технических средств сбора необходимой ин -формации. Таким образом, актуальной и важной является задача юиска и отработки методов моделирования сообществ (биоты) вод-1ых экосистем.
Цель и основные задачи работы. В соответствии с результатами рассмотрения ситуации : области моделирования сообществ живых организмов (биоты) водных экосистем и рекомендациями системного подхода актуальной хроблемой является поиск альтернативных методов описания цело -зтных природных сообществ. Он должен вестись через рассмотрение объекта исследования (водоём, сообщество гидробионтоз) в целом л построение альтернативного предмета исследования - способа описания объекта, базирующегося на рассмотрении его модели.
Модель ориентируется на выявление (обоснование, постулирование) системообразующих свойств объекта - раскрытие его цело -зтности и обеспечивающих её механизмов. Избранная схема деком -тазиции объекта должна быть удобной для применения математиче -зких средств, для сбора данных, общения учёных разных специальностей. Важное значение имеет поиск малоизменчивых параметров описания - инвариантов структуры объекта.
- z -
Таким образом, сформулированная цель - поиск альтернативного метода описания водных сообществ - требует решения следующих задач: рассмотрение модели объекта исследования - сообщества гидробионтов; анализ особенностей используемой модели; выбор метода описания (декомпозиции) сообщества; опробование избранного метода на конкретных примерах.
Требования, которым должно удовлетворять описание: I) охват всего сообщества, то есть "живого вещества" в целом, включая и малоизученные или неизученные организмы; 2) сопостави -мость разных сообществ (в том числе разных стадий сукцессии или деградации одного сообщества) - следовательно, независимость описания от видового состава, популяционной структуры, смены стадий онтогенеза и жизненных форм; 3) удобство применения количественных оценок и математических методов; 4) чувствительность к интересующим нас воздействиям на систему (эвтрофи-рование, загрязнение среды, изъятие продукции); 5) изменение параметров описания должно быть достаточно медленным, чтобы их измерение и анализ имели смысл при реально возможных методах сбора и обработки информации, принятия и реализации решений; б) компактность и наглядность описания, удобство работы чело -века, не имеющего специального образования (в том числе "лица, принимакцого решение" - администратор); 7) оно должно базироваться на формальных количественных параметрах - достаточно просто измеряемых и однозначно интерпретируемых, чтобы обеспечить использование приборных методов сбора информации, желательно -автоматизированных, с применением ЭШ; только это позволит реализовать требование 5 - сбор реальными, то есть малыми, силами объёма информации, достаточного для надёжного обоснования решения, в разумные сроки.
Научная новизна. Используя рекомендации системного подхода И Теории СЛОЖНЫХ СИСТем ( top- daJn
/i-o't'.yi ) проведено сопоставление концепций трофической пира -миды и биогеохимических циклов, выбор Минимальной модели (ШЭС] и способа описания (Размерные Спектры - PC) Живого вещества водоёмов.
Доведена до практических результатов (опробована на конкретных задачах и объектах) методика описания живого вещества водоёмов с помощью аллометрических уравнений, отдельных PC и из комплектов. Проведено использование PC для сопоставления конк-
ретных сообществ и отдельных их характеристик. PG впервые применены для описания и анализа живого вещества водоёмов в целом.
Путём сопоставления PG и применения регрессионного анализа показана большая адекватность показателя S'm (метаболическая поверхность организмов и сообществ) по сравнении с традиционно применяемыми (в конкретных гидробиологических исследованиях и при математическом моделировании) показателями // , В (численность и биомасса организмов). Получена оценка коэффициентов ал -лометрического уравнения, описывающего зависимость S"/n от массы тела растений W: tySm ~ а. * &-Ur, где а = 0,652 + 0,344, в = 0,778 + 0,008. Проведено сопоставление данного уравнения для растенийв максимально широком диапазоне масс тел,около 23 порядков) с уравнением для животных (Іїїиіі, 1969), показано сходство регрессий.
Путём анализа и сопоставления PC подтверждены предположения о необходимости более тщательного изучения и описания в моделях мелкотелых организмов, поставлен вопрос о форме "левого края" PG.
Проведен анализ литературных данных и показана сравните -льно низкая пространственно-временная изменчивость показателя /\с (суммарное количество аденозинтрифосфата микроорганизмов, приходящееся на единицу акватории, мг АТФ м ), получена оценка: ^9/4С = 1,16 + 0,55. Данное предположение проверено и под -тверждено при обобщении данных экспериментальных работ.
На основании анализа модели проведено обоснование тенденций изменения параметров сообщества (в том числе формы PC) в ходе его сукцессии/деградации. Сопоставление выдвинутых пред -положений с тенденциями (трендами), наблюдаемыми в действите -льности, позволяет считать заслуживающей специального изучения и использования в практических целях (диагностика степени развития/деградации сообщества в целом) тенденции изменения PC: развитие = расширение вправо (в сторону более крупнотелых, эволюционно продвинутых организмов).
Путём сопоставления водных сообществ в максимально широ -ком диапазоне размеров водных экосистем (от Мирового океана в целом до лабораторного микрокосма и пробирки объёмом 50 мл) проанализирована зависимость положения крайней правой точки PC ( Wot - средняя масса тела наиболее крупнотелых организмов в сообществе) от площади акватории водной экосистемы, Sex Пред-
_ 4 -
ложена (как заслуживающая дополнительного изучения) аллометрия:
Проведен поиск в литературе и предложен вариант комплекси-рования технических средств (микрокалориметр, проточный цитоф -люориметр, сортировщик клеток, ЭВМ) для создания автоматизиро -ванных комплексов для изучения левого края PC.
Пр~. -.г-лческая значимость работы. Полученные в диссертации
результаты могут быть использованы для: - моделирования полносистемных природных сообществ; - оценки полноты и качества собранной информации, выявления представляющих интерес для дальнейшего изучения ситуаций; - расчёта и содержательного использования величин метаболической поверхности живых организмов и их сообществ; - визуализации и лаконизации (сжатия) информации, организации взаимодей -ствия исследователей и административно-технических работников разных специальностей; - разработки автоматизированных мето -дов и приборных комплексов для сбора биологической информации и мониторинга природной (водной) среды. *
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научно-практической конференции, посвященной 200-летию города-героя Севастополя (Севастополь, 1983); 6-ом Всесоюзном лимнологическом совещании (Лиственичное,1985); семинаре отдела планктона Зоологического института АН GCCP (Ленинград, 1986); 5-ом Всесоюзном совещании по санитарной гидробиологии (Москва, 1986), X школе-семинаре "Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования" (Абрау-Дюрсо, 1986); 2-ом Всесоюзном совещании "Геосистемный монито -ринг (принципы, пути организации) - Геосистема-86" (Курск,1986): I Всесоюзной конференции "Актуальные проблемы современной альгологии" (Черкассы, 1987); семинаре Лаборатории контроля окружающей среды Гидрометцентра СССР (Москва, 1987); 3-ем Всесоюзном съезде океанологов (Ленинград, 1987), 22-ом Европейском симпозиуме по морской биологии (Барселона, 1987); Пленуме Научного совета ГКНТ по гидробиологии (Москва, 1988); 3-ем Международном симпозиуме по Системному анализу и имитационному моделированию (Берлин, 1988); 4-ой Международной конференции по Системному анализу, информатике и кибернетике (Баден-Баден,
ФРГ, 1988); 3-ей Всесоюзной конференции по морской биологии (Севастополь, 1988); 2 Североморавском симпозиуме социалистических стран "Имитация систем" (Острава, Чехословакия,1989
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 22 работы, б находятся в печати.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, заключения, списка литературы и изложена на 214 страницах машинописного текста, включая II таблиц и 23 рисунка. Список литературы содержит 298 наименований, из них 112 на иностранных языках.
