ГОУ СПО ЛНР “Луганський будівельний коледж”, м. Луганськ
Вступ
Екологічна обстановка, що склалася в світі, ставить перед людиною важливе завдання - збереження екологічних умов життя в біосфері. В даний час питання оптимізації міського середовища як довкілля людини вкрай актуальне. Кожен із нас, не замислюючись, ствердно відповість на запитання: «Чи хочеш дихати чистим повітрям, бачити з вікна свого будинку зелені дерева, довіряти чистій воді прямо з крана?» Це означає, що більшість людей переконана: якість життя перебуває у безпосередньому, найтіснішому зв'язку з якістю навколишнього середовища. Причиною поганого екологічного клімату можуть бути географічне розташування міста та промислові підприємства у ньому.
Кожну людину хвилює стан навколишнього середовища, оскільки від неї залежать долі людства. Зрозуміло, самотужки ми не можемо відвернути загрозу людської цивілізації, але ми не можемо не бачити біди, що насувається, і не думати про це. Адже екологічна катастрофа - це не умоглядна картина якогось віддаленого майбутнього, а наслідки того, що є зараз і в чому ми живемо.
Екологізація освіти означає формування нового світорозуміння та новий підхід до діяльності, заснований на формуванні гуманітарних та екологічних цінностей. Математика є одним із предметів, який поки що недостатньо пов'язаний з екологією, а тим часом ці науки тісно переплітаються. Але не слід забувати, що екологізація математики дає можливість простежити процес розвитку людських знань у часі та просторі.
Насамперед екологія пов'язана з математикою та математичною статистикою, оскільки вона широко використовує методи цих наук. Опис численних зв'язків між природними компонентами якнайкраще описується через математичний апарат, тому екологія – це одна з найбільш «математизованих» галузей біології.
Моделі та методи математичної екології
Екологія - міждисциплінарна область знань, що розвивається, що включає уявлення практично всіх наук про взаємодії живих організмів, включаючи людину, з навколишнім середовищем.При цьому велике значення має екологічна освіта та виховання всіх верств населення, тому що вирішити завдання охорони навколишнього середовища лише силами фахівців неможливо. Екологічні завдання мають вирішуватися кожному етапі промислового виробництва, у комплексі коїться з іншими завданнями, але це можливо лише за умови, що екологічні знання стануть складовою світогляду інженерів, технологів та інших фахівців. Основне завдання екології на етапі - детальне вивчення кількісними методами основ структури та функціонування природних і створених людиною систем, пошук загальних закономірностей, які стосуються широкому колу конкретних ситуацій. Великий вплив на екологію зробили досягнення математики, фізики, хімії. У свою чергу, екологія висуває перед цими науками нові завдання.
Математична дисципліна, що вивчає моделі екологічних об'єктів та процесів та методи їх дослідження, називається математичною екологією. Становлення її дуже показове у методичному відношенні. З чого має починатися побудова будь-якої математичної моделі? У чому полягає її основний зміст? Математична модель враховує, насамперед, ті обмеження та принципи відбору, які виділяють реально можливі зміни з числа допустимих. Такими є закони збереження.
Так само і в екології. Балансові співвідношення при формалізованому описі екологічних та еволюційних принципів є по суті не що інше, як закони збереження мас. Балансові співвідношення несуть багато важливої та цікавої інформації. Математична модель, складена із цих співвідношень, визначає загальні властивості безлічі можливих станів та його зміна у часі.
Одне з головних завдань математичної екології – проблема стійкості екосистем. Екосистема «стійка» або «стабільна», якщо відносна чисельність представників різних видів протягом досить тривалого часу або залишається незмінною, або регулярно повертається до того самого співвідношення. Цілком очевидно, що стійкість у цьому сенсі - властивість відносна, а не абсолютна, жодна екосистема не може зберігати стійкість протягом нескінченно довгого часу, проте деякі з них більш стабільні за інші.
Екологічний моніторинг (спостереження, оцінка та прогноз стану навколишнього середовища) – важливий прикладний аспект математики. У сфері реалізації екологічного моніторингу для формування висновків про можливі зміни у стані біосфери загалом потрібні дані широкої системи спостережень, що охоплює всі середовища у глобальному масштабі, ретельний аналіз та прогноз станів природного середовища. Нові завдання, що висуваються при цьому перед математикою (особливо у сфері моделювання та статистики), - селекція інформації, її зберігання, оптимізація мережі спостережень та моделювання екологічних процесів для їх прогнозування. Переклад більшості екологічних завдань математичною мовою досить важкий. Це тим, що екологічні процеси з погляду формалізму менш вивчені, ніж, наприклад, фізичні і хімічні. Тому до математичних моделей таких процесів не можна пред'являти вимоги адекватності та точності, характерні для моделювання проблем природознавства.p align="justify"> Для створення моделей екосистем використовують методи загальносистемного аналізу. Спочатку виділяють із системи окремі структурні характеристики, живі та відсталі компоненти, приклади живих – трофічні рівні, види, вікові чи статеві групи, взаємодія даних компонентів визначає поведінку всієї системи. Потім відбувається встановлення характеру процесів, де бере участь кожен елемент.
Математична статистика в екологічних дослідженнях
Математична статистика – наука про кількісний аналіз, визначення особливостей масових явищ у природі та суспільстві. Особливого значення статистика набула в оцінці ступеня антропогенного впливу на довкілля, вивченні станів популяцій, видів, біоценозів, штучних і природних екосистем, їх толерантності, продуктивності та стійкості. Біометрія успішно використовується при обробці та аналізі даних моніторингу стану навколишнього середовища, для прогнозу та моделювання явищ та процесів. Статистичні методи застосовуються у випадках, коли вивчаються не окремі одиниці, а сукупності. Обов'язковою умовою для правильного застосування методів математичної статистики є якісна однорідність матеріалу, що вивчається.
Екологічні процеси моделює математична екологія. Тобто за допомогою математики можна передбачити, які зміни відбудуться у природі після зміни екологічної обстановки.
Як вимірювальний комплекс для цих параметрів виступають служби моніторингу. Виділимо та розглянемо основні математичні методи, що використовуються в екології.
Перший метод – це метод кореляції. В екологічних дослідженнях часто необхідно отримати відповідь на питання, якими є сила і характер зв'язку між досліджуваними ознаками. З цією метою математичної статистиці існує коефіцієнт кореляції, який оцінює силу зв'язку між кількісними ознаками. Так, відповідно до закону екологічної кореляції в екосистемі, як і в будь-якій іншій цілісній освіті, всі компоненти, що входять до неї, функціонально відповідають один одному. Випадання однієї частини системи неминуче веде до виключення всіх тісно пов'язаних з нею інших частин системи та функціональної зміни цілого в рамках закону внутрішньої динамічної рівноваги.
Другий метод, розподіл Стьюдента – це однопараметричне сімейство абсолютно безперервних розподілів. Розподіл Стьюдента має значення для статистичного аналізу. За допомогою цього розподілу можна оцінити істинність певного експерименту. Для цього необхідно розглянути можливі причини помилок, здатних вплинути на величину, що вимірюється.
Наступний метод – це матриця Леопольда. За допомогою математичного моделювання можна вивести необхідні властивості за зміни характеристик моделі. Так, за допомогою матриці Леопольда можна зрозуміти, наскільки згубно людина впливає на навколишнє середовище. Дана матриця являє собою таблицю впливів, що включає по собі список можливих дій (викид в атмосферу забруднюючих речовин, будівництво промислових будівель і споруд і т.д.), а по горизонталі - безліч потенційних індикаторів впливу.
У перших матрицях по горизонталі було перераховано 100 дій, які впливають довкілля, а, по вертикалі – 88 характеристик довкілля. Вплив, що відповідає перетину кожної дії та кожного фактора, описується через його амплітуду та важливість. Дані показники власне і є визначення забруднення довкілля.
Мірою значимості окремої дії людини у кожному конкретному випадку називається важливістю. Міра загального рівня називається амплітудою. Наприклад, шкідливі викиди в атмосферу змінюють або шкідливо впливають на навколишнє середовище і таким чином викиди можуть вплинути на різні групи тваринного світу і призвести до різних мутацій або взагалі до зникнення деяких популяцій.
Оцінка забруднення атмосфери та поверхні землі
Важливе практичне завдання математичної екології представляє розрахунок поширення забруднень від існуючих підприємств і планування можливого розміщення промислових підприємств із дотриманням санітарних норм.
Процес поширення промислових викидів відбувається за рахунок їхнього перенесення повітряними масами та дифузії, обумовленої турбулентними пульсаціями повітря. Якщо спостерігати за димовим смолоскипом із заводської труби, то можна помітити захоплення цього смолоскипа потоком повітря і поступове його розбухання в міру віддалення від джерела внаслідок дрібномасштабної турбулентності. Смолоскип має форму конуса, витягнутого у бік руху повітряних мас. Потім факел розпадається на ізольовані вихрові утворення, що захоплюються великі відстані джерела.
Майже всі домішки в кінцевому підсумку рано чи пізно осаджуються поверхню Землі, важкі - під впливом гравітаційного поля, легкі - внаслідок дифузійного процесу. Домішки, які з великих частинок, під впливом сили тяжкості невдовзі починають опускатися відповідно до законом Стокса. Домішки газоподібного виду типу оксидів є легкою фракцією і особливо небезпечні для навколишнього середовища.
Велике значення теорії поширення забруднення мають флуктуації у бік вітру протягом великого періоду часу - близько року. За такий період повітряні маси, що захоплюють домішки джерела, багаторазово змінюють напрям і швидкість. Статистично такі багаторічні зміни описуються спеціальною діаграмою, званою трояндою вітрів, в якій величина вектора пропорційна числу подій, пов'язаних з рухами повітряних мас в даному напрямку. Максимуми діаграми троянди вітрів відповідають пануючим у цьому районі вітрам. Ця інформація є вихідною під час планування нових індустріальних об'єктів. При оцінці допустимих забруднень підприємств, що розташовані серед великої кількості екологічно значущих зон (населених пунктів, зон відпочинку, сільськогосподарських, лісових угідь тощо) слід враховувати також забруднення від уже існуючих підприємств регіону.
Оцінка забруднення атмосфери та підстилаючої поверхні пасивними та активними домішками здійснюється за допомогою математичних моделей, побудованих на основі рівнянь аеродинаміки у приватних похідних, а також їх кінцево-різницевих апроксимацій.
У Росії великий внесок у цей напрямок зробили роботи школи академіка Г.І.Марчука. Моделі такого типу широко використовуються в Європі та США при вирішенні судових позовів, які пред'являються населенням або місцевою владою промисловим підприємствам у зв'язку з завданням певних збитків. Для оцінки завданих збитків з використанням математичного моделювання провадиться експертиза, в результаті якої кількісно оцінюється сума штрафу, яку підприємство, що забруднює середовище, зобов'язане виплатити державним або місцевим органам. Такі заходи виявилися дуже дієвими і призвели в розвинених країнах до повсюдного впровадження очисних технологій.
Моделі перенесення забруднюючих речовин, у такого типу моделях, сполучаються з процедурою обчислення основного функціоналу завдання, який може являти собою повну кількість домішок, що випали, санітарну небезпеку домішок, включати шкоду, що завдається здоров'ю населення, сільськогосподарським угіддям, лісовим масивам, грунту, відновлення довкілля та інші показники. У спрощених випадках широко використовується метод функцій відгуку.
Висновок
Сучасна математична екологія є міждисциплінарною областю, що включає всілякі методи математичного та комп'ютерного опису екологічних систем. Теоретичною базою для опису взаємодій між видами в екосистемах єдинаміка популяцій , яка описує базові взаємодії та дає якісну картину можливих паттернів поведінки змінних у системі. Для аналізу реальних екосистем застосовується системний аналіз, у своїй ступінь інтегрованості моделі залежить як від об'єкта, і від цілей моделювання. Моделювання багатьох водних екосистем, лісових цінозів, агроекосистем є дієвим засобом розробки методом оптимального керування цими системами. Побудова глобальних моделей дозволяє оцінити глобальні та локальні зміни клімату, температури, типу рослинного покриву за різних сценаріїв розвитку людства.
Література
Різніченко Г.Ю., Рубін А.Б. Математичні моделі біологічних продукційних процесів. М., 1993.
Берешко І.М., Бетін О.В. Математичні моделі у екології. Харків: Нац. аерокосм. ун-т «Харків. авіац. ін-т», 2006. - 68 с.
Джефферс Дж. Введення у системний аналіз: застосування в екології. - М.: Світ, 1981. - 256 с.
Федоров М.П., Романов М.Ф. Математичні засади екології. - СПб: Вид-во СПбДТУ, 1999. - 156 с.
Любимов В.Б., Заніна М.А., Баліна К.В. Математична статистика в екологічних дослідженнях (навчальний посібник) / / Міжнародний журнал експериментальної освіти. - 2015. - № 10-2. - С. 189-191.
Основним змістом сучасної екології стає дослідження взаємовідносин організмів один з одним і з середовищем на популяційно-біоценотичному рівні та вивчення життя біологічних макросистем вищого рангу: біогеоценозів (екосистем) та біосфери, їхньої продуктивності та енергетики. Звідси очевидно, що предметом дослідження екології є біологічні макросистеми (популяції, біоценози, екосистеми) та їх динаміка у часі та просторі.
Зі змісту та предмета досліджень екології випливають і її основні завдання, які можуть бути зведені до вивчення динаміки популяцій, до вчення про біогеоценози та їх системи. Тому головне теоретичне та практичне завдання екології полягає в тому, щоб розкрити закони цих процесів та навчитися керувати ними в умовах неминучої індустріалізації та урбанізації нашої планети.
У загальнотеоретичному плані до них належать:
- - Розробка загальної теорії стійкості екологічних систем;
- - Вивчення екологічних механізмів адаптації до середовища;
- - Вивчення регуляції чисельності популяцій;
- - вивчення біологічного розмаїття та механізмів його підтримки;
- - Вивчення продукційних процесів;
- - Дослідження процесів, що протікають у біосфері, з метою підтримки її стійкості;
- - моделювання стану екосистем та глобальних біосферних процесів.
Основні прикладні завдання, які екологія має вирішувати в даний час, є:
- - прогнозування та оцінка можливих негативних наслідків у навколишньому природному середовищі під впливом діяльності людини;
- - Поліпшення якості навколишнього природного середовища;
- - Збереження, відтворення та раціональне використання природних ресурсів.
- - оптимізація інженерних, економічних, організаційно-правових, соціальних та інших рішень для забезпечення екологічно безпечного сталого розвитку, насамперед в екологічно найбільш неблагополучних районах.
Стратегічним завданням екології вважається розвиток теорії взаємодії природи та суспільства на основі нового погляду, що розглядає людське суспільство як невід'ємну частину біосфери.
Закон Російської Федерації "Про екологічну експертизу" визначає, що екологічна експертиза, це "встановлення відповідності наміченої господарської та іншої діяльності екологічним вимогам та визначення допустимості реалізації об'єкта екологічної експертизи". При цьому в російському законодавстві існує правове визначення більш приватного поняття - "державна екологічна експертиза".
Воно міститься у ст. 35 та 36 Закону "Про охорону навколишнього природного середовища": " Державна екологічна експертизає обов'язковим заходом охорони навколишнього природного середовища, яке проводиться з метою перевірки відповідності господарської та іншої діяльності екологічної безпеки суспільства, що передує прийняттю господарського рішення, здійснення якого може шкідливо впливати на навколишнє природне середовище".
Основні завдання екологічної експертизи:
- 1. Організація та проведення (на стадії підготовки рішення) всебічних, об'єктивних, наукових досліджень та аналізу об'єктів експертизи з позицій ефективності, повноти, обґрунтованості та достатності передбачених у них заходів, правильності визначення замовником ступеня екологічного ризику та небезпеки наміченої чи здійснюваної діяльності, а також забезпечення екологічного прогнозування на основі інформації про стан та можливі зміни екологічної обстановки внаслідок розміщення та розвитку продуктивних сил, що не призводять до негативного впливу на ОС, тобто. визначення ймовірності екологічно шкідливих впливів та можливих їх соціальних, економічних та екологічних наслідків.
- 2. Оцінка відповідності екологічним стандартам експортованих об'єктів, що намічаються до реалізації, на стадіях, що передують ухваленню рішення про їх реалізацію, або відповідності названим стандартам діяльності, що здійснюється, забезпечення державного екологічного контролю за якістю підготовки ініціатором (замовником) проектів рішень про розвиток наміченої ним діяльності, а також підготовка об'єктивних, науково-обґрунтованих висновків (висновків) та своєчасна передача їх державним та іншим органам, що приймають рішення щодо реалізації об'єкта експертизи.
- 3. Інформування всіх зацікавлених осіб (в т.ч. громадськості) про можливі несприятливі впливи на навколишнє природне середовище та пов'язані з ними соціальні, економічні та інші наслідки наміченої діяльності з метою знаходження балансу інтересів та компромісного рішення для зняття виникаючих соціально-психологічних напружень та запобігання конфліктам на даному ґрунті (завдання ОЕЕ).
Моделювання- це один із найважливіших методів наукового пізнання, за допомогою якого створюється модель (умовний образ) об'єкта дослідження. Сутність його полягає в тому, що взаємозв'язок досліджуваних явищ і факторів передається у формі конкретних математичних рівнянь.
При екологічному дослідженні, яке зазвичай поводиться на певній кількості особин, вивчаються природні явища у всьому їх різноманітності: загальні закономірності, властиві макросистемі, її реакцію зміну умов існування та інших. Але кожна особина, індивідуум неоднакові, відмінні друг від друга. Крім того, вибір особини з усієї популяції має випадковий характер. І лише застосування методів математичної статистикидає можливість по випадковому набору різних варіантів визначити достовірність тих чи інших результатів (ступінь відхилення їх від норми, випадкові відхилення чи закономірності) та отримати об'єктивне уявлення про всю популяцію.
Процес побудови математичної моделівключає наступні типові етапи:
- 4. формулювання цілей моделювання;
- 5. якісний аналіз екосистеми, з цих цілей;
- 6. формулювання законів та правдоподібних гіпотез щодо структури екосистеми, механізмів її поведінки в цілому або окремих частин (при самоорганізації ці закони "знаходить" комп'ютер);
- 7. ідентифікацію моделі (визначення її параметрів);
- 8. верифікацію моделі (перевірку її працездатності та оцінку ступеня адекватності реальній екосистемі);
- 9. дослідження моделі (аналіз стійкості її рішень, чутливості до змін параметрів та ін.) та експеримент з нею.
Сучасна математична екологія є міждисциплінарною областю, що включає всілякі методи математичного та комп'ютерного опису екологічних систем.
Теоретичною базою для опису взаємодій між видами в екосистемах є динаміка популяцій,яка описує базові взаємодії та дає якісну картину можливих паттернів поведінки змінних у системі. Для аналізу реальних екосистем застосовується системний аналіз, у своїй ступінь інтегрованості моделі залежить як від об'єкта, і від цілей моделювання. Моделювання багатьох водних екосистем, лісових цінозів, агроекосистем є дієвим засобом розробки методом оптимального керування цими системами. Побудова глобальних моделей дозволяє оцінити глобальні та локальні зміни клімату, температури, типу рослинного покриву за різних сценаріїв розвитку людства.
Однак як було встановлено, що всі біологічні системи, в тому числі надорганізмові макросистеми, мають здатність до саморегуляції, обмежуватися методами математичної статистики стало неможливо. Тому в сучасній екології широко застосовуються методи теорії інформації та кібернетики, тісно пов'язані з такими областями математики, як теорія ймовірності, математична логіка, диференціальні та інтегральні обчислення, теорія чисел, матрична алгебра.
Останнім часом широкого поширення набуло моделювання біологічних явищ, тобто. відтворення у штучних системах різних процесів, властивих живій природі. Так, у "модельних умовах" було здійснено багато реакцій, що протікають у рослині при фотосинтезі. Прикладом біологічних моделей може бути апарат штучного кровообігу, штучна нирка, штучні легені, протези, керовані біострумами м'язів, та інших.
У різних сферах біології широко застосовуються звані живі моделі. Незважаючи на те, що різні організми відрізняються один від одного складністю структури та функції, багато біологічних процесів у них протікають практично однаково. Тому вивчати їх зручно на простіших істотах. Вони і стають живими моделями. Як приклад можна навести зоохлореллу, яка є моделлю вивчення обміну речовин; моделлю для дослідження внутрішньоклітинних процесів є гігантські рослинні та тваринні клітини і т.д.
Основним завданням біологічного моделювання є експериментальна перевірка гіпотез щодо структури та функції біологічних систем. Сутність цього у тому, що з оригіналом, тобто. з якоюсь реальною системою, вивчається його штучно створена подоба. модель.У порівнянні з оригіналом модель зазвичай спрощена, але властивості подібні. В іншому випадку отримані результати можуть виявитися недостовірними, не властивими оригіналу. Залежно від особливостей оригіналу та завдань дослідження застосовуються найрізноманітніші моделі (рис. 1).
Реальні (натурні, аналогові) моделі, якщо такі вдається створити, відображають суттєві риси оригіналу. Наприклад, акваріум може бути моделлю природного водоймища. Однак створення реальних моделей пов'язане з великими технічними труднощами, оскільки поки що не вдається досягти точного відтворення оригіналу.
Знакова модель є умовним відображенням оригіналу за допомогою математичних виразів або подібного опису.
Малюнок 1 - Класифікація моделей (по В.Д.Федорову та Т.Г.Гільманову)
Найбільшого поширення в сучасних екологічних дослідженнях набули концептуальні та математичні моделі та їх численні різновиди.
Різновиди концептуальних моделей характеризуються докладним описом системи (науковий текст, схема системи, таблиці, графіки тощо). Математичні моделі є ефективнішим методом вивчення екологічних систем, особливо щодо кількісних показників.
Математичні символи, наприклад, дозволяють стисло описати складні екологічні системи, а рівняння дають можливість формально визначити взаємодії різних компонентів.
Екологія (від грец. ойкос -будинок та логос- Вчення) - наука про закони взаємодії живих організмів з середовищем їх проживання.
Засновником екології вважається німецький біолог Е. Геккель(1834-1919 рр.), який уперше в 1866 р. вжив термін "Екологія".Він писав: «Під екологією ми маємо на увазі загальну науку про ставлення організму та навколишнього середовища, куди ми відносимо всі "умови існування" у широкому значенні цього слова. Вони частково є частково органічної неорганічної природи».
Спочатку цією наукою була біологія, що вивчає популяції тварин і рослин серед їхнього проживання.
Екологіявивчає системи рівня вище за окремий організм. Основними об'єктами її вивчення є:
- популяція -група організмів, що належать до одного або подібних видів і займають певну територію;
- , Що включає біотичне співтовариство (сукупність популяцій на території, що розглядається) і середовище проживання;
- - область поширення життя Землі.
На сьогодні екологія вийшла за межі власне біології і перетворилася на міждисциплінарну науку, що вивчає найскладніші. проблеми взаємодії людини з довкіллям.Екологія пройшла складний і тривалий шлях до усвідомлення проблеми "людина - природа", спираючись на дослідження в системі "організм - середовище".
Взаємодія Людини з Природою має власну специфіку. Людина наділена розумом, і це дає можливість усвідомити своє місце у природі і призначення Землі. З початку розвитку цивілізації Людина замислювалася про свою роль у природі. Будучи, безумовно, частиною природи, людина створила особливе місце існування,яка називається людської цивілізації.З розвитком вона дедалі більше суперечила природою. Зараз людство вже підійшло до усвідомлення того, що подальша експлуатація природи може загрожувати власному існуванню.
Актуальність цієї проблеми, спричиненої загостренням екологічної обстановки в масштабах усієї планети, призвела до «екологізації»- До необхідності врахування законів та вимог екології— у всіх науках та у всій людській діяльності.
Екологією в даний час прийнято називати науку про «власний будинок» людини — біосферу, її особливості, взаємодію та взаємозв'язок з людиною, а людину — з усім людським суспільством.
Екологія є не тільки інтегрованою дисципліною, де виявляються пов'язаними фізичні та біологічні явища, вона утворює своєрідний міст між природничими та суспільними науками. Вона належить до дисциплін з лінійної структурою, тобто. розвивається не по вертикалі — від простого до складного, — вона розвивається по горизонталі, охоплюючи дедалі ширше коло питань із різних дисциплін.
Жодна окрема наука не здатна вирішити всі завдання, пов'язані з удосконаленням взаємодії між суспільством та природою, оскільки ця взаємодія має соціальні, економічні, технологічні, географічні та інші аспекти. Вирішувати ці завдання може лише інтегрована (узагальнююча) наука, якою є сучасна екологія.
Таким чином, з несамостійної дисципліни в рамках біології екологія перетворилася на комплексну міждисциплінарну науку. сучасну екологію— із яскраво вираженою світоглядною складовою. Сучасна екологія вийшла межі як біології, а й у цілому. Ідеї та принципи сучасної екології мають світоглядний характер, тому екологія пов'язана не лише з науками про людину та культуру, а й з філософією. Такі серйозні зміни дозволяють зробити висновок, що, незважаючи на більш ніж столітню історію екології, сучасна екологія – наука динамічна.
Цілі та завдання сучасної екології
Однією з головних цілей сучасної екології як науки є вивчення основних закономірностей та розвиток теорії раціональної взаємодії в системі «людина – суспільство – природа», розглядаючи людське суспільство як невід'ємну частину біосфери.
Найголовніша мета сучасної екологіїна даному етапі розвитку людського суспільства — вивести Людство з глобальної екологічної кризи на шлях сталого розвитку, за якого буде досягнуто задоволення життєвих потреб нинішнього покоління без такого майбутнього покоління.
Для досягнення цих цілей екологічній науці належить вирішити низку різноманітних та складних завдань, у тому числі:
- розробити теорії та методи оцінювання стійкості екологічних систем на всіх рівнях;
- дослідити механізми регуляції чисельності популяцій та біотичної різноманітності, ролі біоти (флори та фауни) як регулятора стійкості біосфери;
- вивчити та створити прогнози змін біосфери під впливом природних та антропогенних факторів;
- оцінювати стани та динаміки природних ресурсів та екологічних наслідків їх споживання;
- розробляти методи управління якістю довкілля;
- формувати розуміння проблем біосфери та екологічну культуру суспільства.
Навколишнє нас живе середовищене є безладним та випадковим поєднанням живих істот. Вона є стійку і організовану систему, що склалася в процесі еволюції органічного світу. Будь-які системи піддаються моделюванню, тобто. можна передбачити, як та чи інша система відреагує на зовнішній вплив. Системний підхід – основа вивчення проблем екології.
Структура сучасної екології
В даний час екологія розділилася на низку наукових галузей та дисциплін, часом далеких від початкового розуміння екології як біологічної науки про відносини живих організмів із довкіллям. Однак у основі всіх сучасних напрямів екології лежать фундаментальні ідеї біоекології, яка сьогодні є сукупністю різних наукових напрямів. Так, наприклад, виділяють аутекологію,досліджує індивідуальні зв'язки окремого організму із середовищем; популяційну екологію, що займається відносинами між організмами, які відносяться до одного виду та живуть на одній території; синекологію, що комплексно вивчає групи, спільноти організмів та їх взаємозв'язки в природних системах (екосистемах).
Сучасна екологія є комплексом наукових дисциплін.Базовою є загальна екологія, Що вивчає основні закономірності взаємовідносин організмів та умов середовища. Теоретична екологіядосліджує загальні закономірності організації життя, зокрема у зв'язку з антропогенним впливом на природні системи.
Прикладна екологія вивчає механізми руйнування біосфери людиною та способи запобігання цьому процесу, а також розробляє принципи раціонального використання природних ресурсів. Прикладна екологія базується на системі законів правил та принципів теоретичної екології. З прикладної екології виділяються такі наукові напрями.
Екологія біосфери, Що вивчає глобальні зміни, що відбуваються на нашій планеті внаслідок впливу господарської діяльності людини на природні явища
Промислова екологія, що вивчає вплив викидів підприємств на довкілля та можливості зменшення цього впливу шляхом удосконалення технологій та очисних споруд.
Сільськогосподарська екологія, Що вивчає способи отримання сільськогосподарської продукції без виснаження ресурсів ґрунту при збереженні навколишнього середовища
Медична екологія, що вивчає хвороби людини, пов'язані із забрудненням довкілля.
Геоекологія, що вивчає будову та механізми функціонування біосфери, зв'язок та взаємозв'язок біосферних та геологічних процесів, роль живої речовини в енергетиці та еволюції біосфери, участь геологічних факторів у виникненні та еволюції життя на Землі.
Математична екологіямоделює екологічні процеси, тобто. зміни у природі, які можуть статися за зміни екологічних умов.
Економічна екологіярозробляє економічні механізми раціонального природокористування та охорони навколишнього середовища.
Юридична екологіярозробляє систему законів, вкладених у захист природи.
Інженерна екологія -порівняно новий напрямок екологічної науки, вивчає взаємодії техніки та природи, закономірності формування регіональних та локальних природно-технічних систем та способи управління ними з метою захисту природного середовища та забезпечення екологічної безпеки. Вона забезпечує відповідність техніки та технології промислових об'єктів екологічним вимогам
Соціальна екологіявиникла зовсім недавно. Лише 1986 р. у Львові відбулася перша конференція, присвячена проблемам цієї науки. Наука про «будинок», або місце проживання соціуму (людини, суспільства), вивчає планету Земля, а також космос як життєве середовище соціуму.
Екологія людини -частина соціальної екології, що розглядає взаємодію людини як біосоціальної істоти з навколишнім світом.
- одне з нових самостійних відгалужень екології людини - наука про якість життя та здоров'я.
Синтетична еволюційна екологія- Нова наукова дисципліна, що включає приватні напрями екології - загальну, біо-, гео-і соціальну.
Короткий історичний шлях розвитку екології як науки
В історії розвитку екології як науки можна виділити три основні етапи. Перший етап -зародження та становлення екології як науки (до 1960-х років), коли накопичувалися дані про взаємозв'язок живих організмів із середовищем їх проживання, було зроблено перші наукові узагальнення. У цей період французький біолог Ламарк і англійський священик Мальтус вперше попереджають людство про можливі негативні наслідки впливу людини на природу.
Другий етап -оформлення екології у самостійну галузь знань (після 1960-х до 1950-х років). Початок етапу ознаменувався виходом у світ робіт російських учених К.Ф. Рульє, Н.А. Северцева,В.В. Докучаєва, які вперше обґрунтували низку принципів та понять екології. Після досліджень Ч. Дарвіна у сфері еволюції органічного світу німецький зоолог Еге. Геккель перший зрозумів, що Дарвін називав «боротьбою існування», є самостійну область біології, і назвав її екологією(1866 р.).
Як самостійна наука екологія остаточно оформилася на початку ХХ століття. У цей період американський учений Ч. Адамі створив перше зведення екології, публікуються й інші важливі узагальнення. Найбільший російський вчений XX ст. В.І. Вернадський створює фундаментальне вчення про біосферу.
У 1930-1940-ті роки спочатку англійський ботанік А. Тенслі (1935 р.) висунув поняття «екосистема», а трохи пізніше В. Я. Сукачов(1940 р.) обґрунтував близьку йому виставу про біогеоценоз.
Третій етап(1950-і роки - до теперішнього часу) - перетворення екології в комплексну науку, що включає науки про охорону навколишнього людини середовища. Поруч із розвитком теоретичних основ екології вирішувалися і прикладні питання, пов'язані з екологією.
У нашій країні у 1960-1980-ті роки щорічно уряд приймало постанови про посилення охорони навколишнього середовища; було видано земельний, водний, лісовий та інші кодекси. Однак, як показала практика їхнього застосування, вони не дали необхідних результатів.
Сьогодні Росія переживає екологічну кризу: близько 15% території є фактично зонами екологічного лиха; 85% населення дихають повітрям, забрудненим значно вище ГДК. Зростає кількість «екологічно обумовлених» захворювань. Спостерігається деградація та скорочення природних ресурсів.
Аналогічне становище склалося та інших країнах світу. Питання, що станеться з людством у разі деградації природних екологічних систем і втрати біосферою здатності підтримувати біохімічні цикли, стає однією з актуальних.
Для життя людині потрібні чисте повітря, якісна вода, незаражений грунт, рослини, енергетичні ресурси та ін, але з розвитком цивілізації шкідливий вплив людей на природу стає загрозливим для неї. Чи може математика допомогти екології?
Наша школа розташована в красивому місці, на узліссі. Нам дуже хочеться, щоб ліс був чистим, доглянутим, щоб у ньому завжди чути спів птахів, а білки, зайченята радували око. Тому учнів школи хвилюють питання екології. Але мені ще подобаються уроки математики і я вирішив з'ясувати, як знання з математики можуть допомогти у питаннях екології.
Основна частина.
Чисте повітря - запорука здоров'я і не тільки на вулиці, а й у приміщенні, наприклад, у класі. А яким є газовий склад атмосферного повітря? Для відповіді на це питання мені знадобилися відсотки (азот ≈ 78 %, кисень ≈ 21 %, аргон ≈ 1 %, трохи вуглекислого газу та інших газів, природні забруднювачі). У приміщенні кількість кисню зменшується, а вуглекислий газ збільшується. У нас біля школи ліс, тож нам корисно частіше провітрювати клас.
На думку фахівців у результаті діяльності людини в атмосферу Землі щорічно надходить 25,5 млрд. тонн оксидів вуглецю, 190 млн. тонн оксидів сірки, 65 млн. тонн оксидів азоту, 1,4 млн. тонн хлорфторвуглеців. В останні роки найбільша кількість шкідливих речовин в атмосферу викидається з вихлопними газами автомобілів, причому їхня частка постійно зростає. Наприклад, у Москві викиди шкідливих речовин від автотранспорту перевищують 800 тис. тонн на рік, що становить 70% загальної кількості забруднюючих речовин, що надходять в атмосферу міста за рік.
Вода – основа життя.
Всі ми використовуємо воду, тому на нас лежить відповідальність за її охорону від забруднення та економію. Морями і океанами покрито близько 70 % земної поверхні, але в прісну воду припадає лише 2 % від обсягу водних запасів планети.
Норми якості питної води містяться у спеціальному документі – Державному стандарті “Вода питна”. Цей стандарт якості встановлює гранично допустимі рівні вмісту хімічних речовин, що зустрічаються у природних водах або додаються до води у процесі її обробки. Так, вміст алюмінію не повинен перевищувати 0,5 мг на 1 л води, берилію – 0,0002 мг на 1 л, молібдену – 0,25 мг на 1 л, миш'яку – 0,05 мг на 1 л, свинцю – 0, 0,3 мг на 1 л, фтору – 0,07 мг на 1 л, поліакриламіду – 2 мг на 1 л. Також до групи показників якості питної води віднесено залізо (не більше 0,3 мг/л), марганець (не більше 0,1 мг/л), мідь (не більше 0,1 мг/л), поліфосфати (не більше 3, 5 мг/л), цинк (трохи більше 5 мг/л). Сухий залишок, що утворюється після випарювання води, не повинен перевищувати 1000 мг/л.
А скільки ж потрібно людині води щодня? У побутових цілях вода витрачається для пиття, приготування їжі, прання, миття, змиву нечистот у каналізацію та поливання саду та городу. Виявилося, що наша сім'я з 4 осіб витрачає за добу понад 500 л води. Це великий обсяг. Якісно чистої води на Землі не вистачає. Уявіть, якщо кожна людина заощадить у день хоча б 1 л води, а у світі проживає близько 6,8 млрд. людей, значить економія в день 6800000000 л води по всьому світу.
У Ногінську та Ногінському районі проживає 325,1 тис. осіб. Припустимо, що більшість з них при чищенні зубів тримають кран постійно відкритим, тоді як інші відкривають його тільки на той час, коли вони миють щітку і полощать рот. У середньому ця процедура займає близько 3 хвилин, а в цей час вода протікає з крана зі швидкістю 2 л/хв. Якщо всі жителі чистять зуби при постійно відкритому крані, то вони витратить 1950600 л води за один раз. Але при економії води вони можуть заощадити 1625 500 л води.
Вчені стверджують, що при використанні сучасних технологій витрати води в побуті можуть бути скороченими на ⅓, у сільському господарстві – вдвічі, а в промисловості – майже в 10 разів. Бережіть воду!
Грунт – наше багатство
Грунт має родючість - є найбільш сприятливим субстратом або середовищем проживання для переважної більшості живих істот - мікроорганізмів, тварин і рослин. Показово також, що з їхньої біомасі грунт (суша Землі) майже 700 разів перевершує океан, хоча частку суші припадає менше 1/3 земної поверхні. Ґрунт часто називають головним багатством будь-якої держави у світі, оскільки на ній і в ній виробляється близько 90% продуктів харчування людства. Деградація ґрунтів супроводжується неврожаями та голодом, призводить до бідності держав, а загибель ґрунтів може спричинити загибель всього людства. У нормальних природних умовах всі процеси, що відбуваються у ґрунті, перебувають у рівновазі. Але нерідко у порушенні рівноважного стану ґрунту винен людина. В результаті розвитку господарської діяльності людини відбувається забруднення, зміна складу ґрунту і навіть його знищення. За тиждень лише наша сім'я використовує понад 10 поліетиленових пакетів. Для розкладання таких пакетів потрібно 15 років. Якщо ми нерозумно викидатимемо зараз пакети, то протягом десятків років грунт міститиме шкідливі речовини. Потрібно завжди прибирати сміття після себе і складати у спеціально відведені для цього місця. Більшість того, що ми викидаємо (пластмаси, метали, скло, папір) може бути використана повторно.
Дерева - безцінна частина довкілля
Вони очищають забруднене повітря, виробляють кисень, очищають повітря від хвороботворних бактерій. У лісах знаходять стіл і будинок безліч видів рослин, тварин та мікроорганізмів.
Тривалість життя у різних видів дерев не однакова. Осика живе стравно недовго – менше 100 років. Вік ялинки може досягати 600 років. Для сосни, що росте у Білих горах східної Каліфорнії, 500 і навіть 1000 років ще не старість. Як і все живе, дерева помирають від віку та хвороб.
А останніми роками площі вирубаних та згорілих лісів у 7 разів перевищують площі територій, де посадили нові дерева. Виявляється, що листяний ліс вдвічі краще очищає повітря від пилу, ніж хвойне. Дуже добре, що біля нашої школи багато дубів, і ми намагаємося ще садити берізки. Уявіть, якщо кожен мешканець нашої країни виросте за своє життя хоча б одне дерево, то їх збільшиться на 141,93 млн. дерев.
Сонячного літнього дня на лузі біля школи можна побачити багато бджіл. Ці комахи «добре розуміють» у математиці. На поперечному зрізі осередки сот мають шестикутну форму, яка дозволяє отримати максимум простору для зберігання меду з мінімальною витратою воску.
Математики шукали відповідь на це питання і після тривалих обчислень дійшли цікавого висновку: найкращий спосіб побудувати склад з максимальною місткістю, але з мінімальною витратою матеріалу, це зробити стіни шестикутними. Якщо буде забудовано один і той же простір, на шестикутники потрібно менше матеріалу, ніж на квадрати або трикутники. Ще одна дивовижна якість бджіл – це співпраця між собою при будівництві сот. Побачивши повністю збудовані стільники, можна подумати, що вони створювалися єдиним блоком. Насправді, будівництво стільник починається з абсолютно різних точок одночасно. Сотні бджіл починають будувати стільники у трьох чи чотирьох різних місцях. Вони продовжують будувати, доки не зустрічаються на середині. На місці стику не буває жодної похибки чи помилки. Бджоли також обчислюють кут окремих осередків по відношенню один до одного, коли будують стільники. Осередки, що стикаються стороною, завжди стоять під кутом 13 градусів до землі. Таким чином, обидві стінки стільників спрямовані під кутом нагору. Цей кут запобігає витіканню меду.
Бджоли - "математики", стільники, побудовані ними, мають найміцнішу конструкцію, розміри дотримуються з небувалою точністю: кут комірки завжди дорівнює 109*28" градусів.
Щоб приготувати 100 грамів меду, бджола іноді пролітає 46 тисяч кілометрів, це теж саме, що облетіти всю земну кулю екватором.
На 1 дм² медових стільників з двох сторін налічується 800 осередків.
Електромагнітні поля – це невидимі оку прояви енергії. Електромагнітне забруднення середовища є особливо небезпечним для дітей. Як убезпечити роботу з комп'ютером? За допомогою математичних розрахунків вчені з'ясували, що електропобутові прилади (телевізор, комп'ютер) потрібно встановлювати на відстані не менше ніж 1 метр від себе, дивитися телевізор з відстані не менше ніж 2 метри. Монітор комп'ютера повинен бути на відстані не менше 50-60 см. Не можна працювати на комп'ютері більше 4 годин на день, причому роблячи 10 хв. перерви для відпочинку через кожних 30 хвилин.
Ми маємо берегти енергетичні ресурси планети. Енергозберігаючі лампочки - найбільш економний та екологічний спосіб освітлення. Працюючи звичайної лампи розжарювання понад 95 % електричної енергії витрачається виділення тепла і лише 5% - світ. Енергозберігаюча лампа витрачає в 5 разів менше енергії, ніж лампа розжарювання, а служить у 8 разів довше за неї.
р1 = 15 Вт р2 = 75 Вт t1 = 43800 t2 = 43800 t = 43800 с1 = 45 руб с2 = 7 руб а = 2,73 руб/кВч
S = 0,001 * 43800 * 2,37 * (75 - 15) + 43800: 43800 * 7 - 43800: 43800 * 45 = 6190,36 руб.
Я вирішив це завдання і зрозумів, наскільки вигідно мати енергозберігаючі лампи.
Отже, математика – наука, що тісно пов'язана з іншими науками, зокрема з екологією. При вивченні екології виникає багато питань, відповіді на які можна отримати за допомогою математики. Математика дозволяє проводити точні виміри, робити розрахунки та підтверджувати спостереження.
Назад Вперед
Увага! Попередній перегляд слайдів використовується виключно для ознайомлення та може не давати уявлення про всі можливості презентації. Якщо вас зацікавила ця робота, будь ласка, завантажте повну версію.
Ми отримали у спадок невимовно красивий
та різноманітний сад,але біда в тому,
що ми нікудишні садівники.
Ми не подбали про те,
щоб засвоїти найпростіші правила садівництва.
Джеральд Даррелл,
«Шлях кенгуренка»
Науково-технічна революція… пообіцявши золоті гори
і давши багато з того, чим ми нині пишаємося,
породила інші, раніше невідомі проблеми.
Вирішити їх на шляхах, второваних вже,
неможливо.
В.Р. Арсеньєв,
«Звірі-боги-люди».
В даний час термін «екологія» став дуже популярним; як правило, його використовують, говорячи про неблагополучний стан навколишнього природного середовища. Водночас його нерідко використовують у поєднанні такими словами, як «суспільство» , «родина» , «здоров'я» , «культура» , «освіта» . Як наслідок, закономірне питання: «Що ж, зрештою, вивчає ця наука?»
Термін «екологія» (Від грец. oikos – будинок, житло, батьківщина та logos – слово, вчення, наука), запропонований у 1868 р . німецьким біологом Ернстом Геккелем , дослівно означає «Наука про будинок» . У найширшому сенсі , екологія – це комплекс наук про відносини між організмами та факторами середовища їх проживання. . При цьому деякі науки екологічного комплексу класифікуються не за об'єктами вивчення, а за методами дослідження, які в них використовуються. Одним із таких напрямків є «математична екологія» .
Математична екологія моделює екологічні процеси, тобто можливі зміни в природі при зміні екологічних факторів [Там само, с. 64].При цьому, цікаво відзначити, що далеко не завжди зростаючим за складністю системам і об'єктам відповідають дедалі більш ускладнюються моделі. Весь фокус полягає в тому, що математична модель зовсім не повинна детально описувати об'єкт, що вивчається, а може і повинна відображати лише найважливіше для вивчення.
У світлі сказаного розглянемо кілька прикладів.
Приклад №1. Алгебра, арифметика та біологія . «Якось у зоопарку я розглядав зебр, сарн, фламінго, нарвалів та метеликів. Загалом я нарахував у них тридцять чотири ноги, чотирнадцять крил, дев'ять хвостів, шість рогів та вісім вух, - я хочу сказати, зовнішніх вух, а не внутрішніх. Скільки там було зебр? Скільки сарн? Скільки фламінго? Скільки нарвалів? Скільки метеликів?
Рішення. Число зебр позначимо літерою x ; число сарн - y ; фламінго - z ; нарвалів - u ; метеликів - v . Складемо та заповнимо таблицю:
Розв'язавши отриману систему рівнянь, знайдемо відповіді на ці запитання.
Приклад №2. Загадка Каспійського моря . «Чорне та каспійське моря походять від одного стародавнього моря, яке було потім розділене Кавказькими горами на дві частини. Каспійське море замкнене, Чорне витікає через Босфор та Дарданелли до Середземного моря. Незважаючи на це, Чорне море набагато солоніше за Каспійське. Це здається незрозумілим, але згадаємо, що каспійське море має затоку Кара-Богаз-Гол. На перший погляд здається, що це нічого не змінює, адже воно, як і раніше, залишається замкнутим. Однак це не так, оскільки перемішування вод Каспійського моря та затоки не відбувається: вода з Каспію постійно тече до затоки. Чи може це призвести до опріснення Каспію?»
Рішення. Введемо позначення: Q - загальний приплив вод у Каспій, I - перевищення випаровування над дощами у Каспії, I 1 - те ж у затоці, q - Інтенсивність перетікання води з Каспію в Кара-Богаз-Гол, і 1- швидкості зміни обсягів води в Каспії та в затоці, ν - солоність вод річок, що припливають до Каспію, µ - солоність води Каспію, і 1- швидкість зміни кількостей солей у Каспії та в затоці. Запишемо рівняння:
= Q - I - q ,
1 = q - I 1,
= Qν - q µ,
1 = q µ ,
де Qν - Інтенсивність прибуття солі в Каспій, q µ – теж для затоки. Останнє рівняння показує, що кількість солей у затоці необмежено зростає з часом. У геологічних масштабах часу вважатимуться, що = 1 = 0 , звідси:
Q – I – q = 0,
q - I 1 = 0.
Як відомо, концентрація солей у затоці давно досягла насичення, і солі тисячоліттями осідають на його дні, утворюючи величезні поклади. Кількість солей у Каспії зростає доти, доки Qν > q µ . При виконанні умови Qν = q µ зростання солоності Каспію припиняється, досягнувши деякого значення
µ* = Qν/q = (I+q) ν /= (1+I/q) ν .
Т. до. q = I 1 , то µ* = (1+ I / I 1 )ν ,
де I / I 1 - Відношення інтенсивностей випаровування води в Каспії та в затоці. Грубо наближено воно дорівнює відношенню S / S 1 площ Каспію та затоки. З огляду на це:
µ* = (1+I/I1) ν = µ* = (1+S/S1) ν
Т. до. S ≈ 40S1 , то µ* ≈ 40ν . Кількісні оцінки свідчать, що це менше, ніж солоність Каспію сьогодні. Т. е. затока Кара-Богаз-Гол опріснює Каспійське море, що пояснює його меншу солоність порівняно з Чорним. У геологічних масштабах часу солоність Каспію продовжуватиме зменшуватись.
Приклад №3. Диференціальна модель еволюції популяції . Розглянемо один із важливих біологічних прикладів, основним змістом якого є дослідження розвитку біосистеми за допомогою побудови динамічної моделі зміни чисельності популяції будь-яких живих істот (бактерій, риб, тварин тощо) з урахуванням різних факторів. Зауважимо, що популяції, зазвичай, існують не ізольовано, а взаємодії коїться з іншими популяціями. Найбільш важливим типом такої взаємодії є взаємодія між жертвами та хижаками (наприклад, карасі – щуки, зайці – вовки тощо). При цьому зазначимо, що математичні моделі «…сприяють глибшому розумінню закономірностей, розкривають динаміку процесу пов'язують воєдино різні форми руху матерії. У шкільному курсі фізики ми вже стикалися з тим, що те саме диференціальне рівняння добре описує і механічні коливання маятника, і електромагнітні коливання в контурі. Спробуємо цю ідею поширити і інші явища».
Нехай y – кількість особин у певній популяції хижаків, а x – кількість їхніх жертв. Тоді швидкість зміни кількості хижаків пропорційна кількості жертв, а швидкість зменшення кількості жертв пропорційна кількості хижаків, тобто. мають місце диференціальні рівняння:
Звідси отримаємо:
Вводячи позначення ω 2 = ab, прийдемо до виразу:
Останнє, як відомо, описує коливальний процес із періодом
Отже, у цьому наближенні, зміна чисельності популяції хижаків носить періодичний характер. Значення параметрів a і b визначаються з багаторічних спостережень.
Резюмуємо сказане. Введення в математичну екологію неминуче вимагає звернення до фізики, хімії, математики та інформатики. Природні об'єкти є високоорганізованими системами, як у власному структурному рівні, і лише на рівні екосистем. Тому цілком природно стверджувати, що основна мета математичної екології полягає у вивченні теорії та практики цієї організації у всій її складності та гнучкості, у її дії та еволюції. І якщо вступний етап вивчення полягає в тому, щоб визначити такі фактори, як вага, зростання,