Розділ 2. Екосистема та її проблеми прогнозування

2.1 Екосистема як об`єкт прогнозування

Деяка невизначеність майбутнього стану гнітючого числа экосистем не може бути повністю знята силою сучасної науки. Можна відзначити кілька причин непереборності цієї невизначеності.

По-перше, вона зв'язана зі значними помилками й нечисленністю вимірів різних екологічних процесів (параметрів). Дійсно, довжина екологічних тимчасових рядів рідко перевищує 20-30 спостережень. При цьому їх точність часто настільки низька, що навіть губиться зміст вимірів у кількісних шкалах.

По-друге, невизначеність має місце й через наявність обумовлених неповнотою наших знань механізму функціонування экосистем. В.І.Ленін писав: "... людське поняття причини й наслідку завжди трохи спрощує об'єктивний зв'язок явищ природи, лише приблизно відбиваючи її, штучно ізолюючи ті або інші сторони одного єдиного світового процесу".

У цей час, очевидно, найбільш істотними є лакуни в інформаційній структурі співтовариств. Існує думка що "лінгвістичне бачення" екології може значно змінити наші представлення про экосистему, і як наслідок цього, наше розуміння того, які фактори є значимими в екологічному прогнозуванні.

По-третє, невизначеність майбутнього стану може бути обумовлена внутрішньою властивістю экосистем і пов'язана з незалежністю їх динаміки від початкового стану.

По-четверте, один з основних підсумків математизації екології полягає в усвідомленні принципової непередбачуваності стану багатьох экосистем. Використовуючи три основні характеристики прогнозу, підсумок можна сформулювати точніше: при завданні будь-яких двох характеристик існує таке значення третьої, досягнення якого неможливо в принципі. Зокрема, при певному часі попередження й детальності формулювання прогнозу досягнення прийнятної надійності для цілого ряду экосистем неможливо принципово.

Наприклад, нехай еволюція екосистеми описується моделлю:

dx / dt = X (x, l, x),

де х - вектор фазових координат, l - параметр системи, x - випадковий вплив, X - деякий нелінійний оператор, і нехай l *- крапка біфуркації системи, з якої виходять кілька галузей розв'язку рівняння. Якщо система функціонує поблизу крапки біфуркації, то виникає питання: про який з галузей піде її подальша динаміка? Але це визначить як завгодно мале випадкове збурювання. Тому при такій детальності формулювання прогнозу (вказівці відповідної до галузей) досягтися розумної надійності неможливо в принципі, причому практично ні при якому періоді попередження.

Ще один приклад. Розглянемо экосистему, моделлю функціонування якої є динамічна система з дивним аттрактором. Нехай необхідна детальність прогнозу стану такої системи відповідає вказівці значень координат крапки, що описує її поведінка у фазовому просторі. Якщо ця крапка перебуває усередині області, що притягає, то розумна надійність таких прогнозів також не досяжна в принципі.

Усвідомлення цього факту непередбачуваності стану ряду систем важко переоцінити. Його розуміння в прогностику, очевидно, можна зрівняти з розумінням неможливості створення вічного двигуна в механіку.

Непередбачуваність поведінки траекторій, обраних завданням початкових умов з як завгодно високої (але кінцевої) точності, служить принциповою перешкодою на шляху довгострокового екологічного прогнозування. Один з авторів відкриття дивних аттракторов, Є.Лоренц, назвав цей ефект непередбачуваності поведінки динамічних систем "батерфляй-ефектом": нехай атмосфера описується динамічною системою з дивним аттрактором, тоді навіть незначна зміна початкових умов, викликане змахом крилець метелика, приведе до катастрофічних для довгострокового прогнозу погоди наслідкам. Для подібних систем мають сенс тільки короткострокові прогнози.

Усе вищевикладене приводить до висновку про принципове обмеження передбачуваності структури й поведінки экосистем.

Аналіз великої літератури по динаміці чисельності реальних і модельних популяцій, співтовариств і экосистем дозволяє зробити наступні висновки:

1. існують фактори, які в основному не впливають на динаміку экосистем, але іноді виявляються значимими;

2. для кожної фази динаміки экосистем визначальними є свої власні фактори;

3. характер і рівень зв'язків для різних фаз динаміки экосистем суттєво різняться;

4. багато виявлених закономірностей, як би вони спочатку не були гарні, згодом руйнуються (стають не відповідними до дійсності).

У певному змісті аналогічні висновки мають місце при вивченні динаміки багатьох і економічних, і метеорологічних систем. Однак надзвичайно низька точність вимірів, а також гострий дефіцит апостеріорної інформації в цілому характерні лише для екологічного прогнозування.