Математическое моделирование водных экосистем

Начало математическому моделированию водных экосистем положили математики и биологи в первой трети двадцатого века. Этот процесс шел в русле создания математических моделей для биологических систем вообще. Задачи модельных исследований связаны с анализом закономерностей функционирования экосистем и сообществ, а также прогнозированием динамики основных параметров системы.

Водные экосистемы чаще всего моделируются как динамические системы, с изменением своих характеристик во времени. Поскольку такие динамические модели экосистем и составляют основное наполнение в этой области моделирования. Система характеризуется функциями ее характеристик от времени и пространственных координат материальных точек. Модельное описание динамики водной экосистемы состоит из следующих блоков:

1) динамика водной массы (течения, другие перемещения);

2) изменение состояния водной среды вследствие физико- химических превращений;

3) динамика живой составляющей экосистемы – биологического сообщества.

В основе моделирования сообщества лежит трофическая структура. Например, может использоваться следующая схема (рис.2):

Рис.2. Схема трофических взаимодействий в биологическом сообществе водных организмов [1]

Обсуждаемое здесь моделирование связано с живыми компонентами экосистемы. Неживые компоненты рассматриваются постольку, поскольку это необходимо для моделирования динамики основных параметров живых компонент. В свете этого цели математического моделирования водных экосистем могут быть следующими:

1) анализ качества биологической информации и данных о среде обитания;

2) анализ схемы и баланса основных потоков вещества (энергии) в экосистеме;

3) анализ последствий тех или иных воздействий на экосистему;

4) прогноз динамики основных характеристик экосистемы.

Основу функционирования экосистемы составляют нижние трофические уровни: планктон, бактерии, простейшие. От этих блоков зависят скорости и объемы потоков вещества или энергии в системе. Модели фитопланктонных и микробиологических сообществ чаще всего основаны на системах дифференциальных уравнений. Изучение и моделирование первичной продукции является предметом многочисленных исследований. Выработана концепция лимитирующих факторов и способы ее математической формализации.

Традиционный путь изучения сообществ микроорганизмов заключается в моделировании непрерывных культур. Скорость размножения может зависеть от концентрации клеток, концентрации субстрата, температуры, pH среды и прочих факторов.

При моделировании динамики фитопланктона, важную роли играет учет влияния уровня освещенности на скорость роста организмов. [5]