Модели динамики популяций и экология

Логистическая эволюция и динамика популяций

Понятие «эволюция»

Современная теория эволюции представляет собой сочетание идей Дарвина с накопленными позднее результатами молекулярной биологии. Эволюция рассматривается как результат мутаций, возникающих в виде «ошибок» в процессе копирования генетической информации. Ввиду того, что в живых системах протекают сложные биохимические реакции в самых разнообразных внешних условиях, такие ошибки представляются неизбежными. Если к тому нет особых препятствий, раз возникшая ошибка может воспроизводиться в дальнейшем сколько угодно долго.

Естественный отбор Дарвина

Открытие Дарвина состоит в том, что естественный отбор — это тот механизм, благодаря которому организм выживает в экстремальных условиях и поднимается на более высокую ступень развития. Механизм естественного отбора вступает в действие в том случае, когда в силу определенных особенностей среды размер популяции не может быть больше некоторого критического. При этом происходит отбор особей с таким генотипом, который позволяет при существующих внешних условиях производить наибольшее число потомков. Таким образом, естественный отбор предотвращает накопление ошибок и одновременно допускает возможность усовершенствования за счет мутаций.

Структурная устойчивость

Ни в биологической, ни в экологической или социальной эволюции мы не можем считать заданными определенное множество взаимодействующих единиц или определенное множество преобразований этих единиц. Это означает, что определение системы необходимо модифицировать в ходе эволюции. Простейший из примеров такого рода эволюции связан с понятием структурной устойчивости. Речь идет о реакции заданной системы на введение новых единиц, способных размножаться и вовлекать во взаимодействие различные процессы, протекающие в системе.

Проблема устойчивости системы

Проблема устойчивости системы относительно изменений такого типа сводится к следующему. Вводимые в небольшом количестве в системуновые составляющие приводят к возникновению новой сети реакций между ее компонентами. Новая сеть реакций начинает конкурировать со старым способом функционирования системы. Если система структурно устойчива относительно вторжения новых единиц, то новый режим функционирования не устанавливается, а сами новые единицы (инноваторы) погибают. Но если структурные флуктуации успешно «приживаются» (например, если новые единицы размножаются достаточно быстро и успевают «захватить» систему до того, как погибнут), то вся система перестраивается на новый режим функционирования: ее активность подчиняется новому «синтаксису».

Неравновесные условия

В среде с ограниченным запасом питательных веществ дарвиновский отбор имеет важное значение для точного самовоспроизведения. Не менее важное значение имеют сильно неравновесные условия, связанные с критическими, пороговыми значениями потоков энергии и вещества. По-видимому, разумно предположить, что некоторые из первых стадий эволюции жизни были связаны с возникновением механизмов, способных поглощать и трансформировать химическую энергию, как бы выталкивая систему в сильно неравновесные условия. На этой стадии жизнь или «преджизнь», была редким событием, и дарвиновский отбор не играл такой существенной роли, как на более поздних стадиях.

Обратная связь между макроскопическими структурами и микроскопическими событиями

Одной из наиболее важных проблем в эволюционной теории является возникающая в итоге обратная связь между макроскопическими структурами и микроскопическими событиями: макроскопические структуры, возникая из микроскопических событий, должны были, в свою очередь, приводить к изменениям в микроскопических механизмах.

Порождаемая неравновесными внешними условиями неустойчивость приводит к повышению интенсивности диссипации, вследствие чего создаются условия возникновения новой неустойчивости. В системе увеличивается интенсивность протекания некоторых необратимых процессов, вследствие чего отклонение системы от равновесия становится еще большим. Это означает, что вероятность существования такого класса флуктуаций, по отношению к которым новые процессы становятся неустойчивыми, возрастает. С другой стороны, если бы в результате возникновения неустойчивости интенсивность диссипации снижалась, то системао своим свойствам приблизилась бы к некоторой равновесной замкнутой системе, т.е. к состоянию, в котором затухают любые флуктуации.

Схема механизма обратной связи

Такой механизм эволюции, связанный с реализацией последовательных переходов, был назван механизмом обратной связи. Его можно представить следующей схемой (рис. 9.6).

Механизм обратной связи в эволюции

Рис. 9.6 Механизм обратной связи в эволюции

Энергетическая диссипация, как движущая сила эволюции

Таким образом, в качестве движущей силы эволюции следует рассматривать энергетическую диссипацию. Необходимо отметить, что, несмотря на повышение уровня организации и сложности живых система, с течением времени происходит ускорение биологической эволюции. Это процесс можно представить так, что каждая новая ступень функциональной организации несет в себе зародыш дальнейшей эволюции. Двадцатый век явил собой весьма наглядный пример невероятного ускорения эволюции в сфере техники и энергетики и их обратного влияния на социальные процессы и, особенно, на экологию планеты. Эти вопросы мы рассмотрим несколько ниже, а сейчас перейдем непосредственно к описанию динамики популяций.

Логистическое уравнение экологии

В экологии классическое уравнение, описывающее такую проблему, называется логистическим уравнением. Оно описывает, как эволюционирует популяция из особей с учетом рождаемости, смертности и количества ресурсов, доступных популяции. Логистическое уравнение можно представить в виде:

        (9.52)
где

и — характерные постоянные рождаемости и смертности;

— «несущая способность» окружающей среды.

При любом начальном значении система со временем выходит на стационарное значение , зависящие от разности между несущей способностью среды и отношением постоянных смертности и рождаемости. При достижении этого стационарного значения наступает насыщение: в каждый момент времени рождается столько индивидов, сколько их погибает (рис. 9.7).

Эволюция популяции  как функция времени

Рис. 9.7 Эволюция популяции как функция времени

Воздействие внешних флуктуаций

Кажущаяся простота логистического уравнения до некоторой степени скрывает сложность механизмов, участвующих в процессе. Мы уже упоминали о внешнем шуме. В случае логического уравнения он имеет особенно простой смысл. Ясно, что при учёте одних лишь климатических флуктуаций , и нельзя считать постоянными: как хороши известно, такие флуктуации могут разрушить экологическое равновесие и даже обречь популяцию на полное вымирание. Разумеется, в системе начинаются новые процессы, такие, как создание запасов пищи и образование новых колоний, которые заходят в своем развитии настолько далеко, что позволяют, в какoй-тo мере, избежать воздействия внешних флуктуаций.

Изменение значений экологических параметров

До сих пор мы рассматривали все со статической точки зрения. Обратимся теперь к механизмам, позволяющим варьироватъ параметры , и в ходе биологической или экологической эволюции.

Следует ожидать, что в процессе эволюции значения экологических параметров , и будут изменяться. Живые cooбщecтвa непрестанно изыскивают новые способы эксплуатации существующих ресурсов или открытия новых (увеличивая тем самым значение параметров ), продолжения жизни или более быстрого размножения. Каждое экологическое равновесие, определяемое логистическим уравнением, носит лишь временный характер, и логистически заданная экологическая ниша последовательно заполняется cериeй видов, каждый из которых вытесняет предшествующие, когда величина , становится больше, чем у них (рис. 9.8).

 Эволюция многовидовой популяции

Рис. 9.8 Эволюция многовидовой популяции

Логистическое уравнения для случая конкуренции

Применительно к этому случаю приведенное выше логистическое уравнение можно представить в следующем виде [11]:

        (9.53)
Это уравнение описывает конкуренцию и отбор нескольких видов или подвидов, существующих за счет общего ресурса . Здесь — ресурс, затрачиваемый на существование каждого -го вида. В уравнении имеется также флуктуационный член , с помощью которого можно имитировать процесс мутации, случайное появления новых типов особей. Выживают только наиболее приспособленные мутанты, которые имеют наибольший коэффициент прироста и наименьший коэффициент потерь .

Развитие технологических процедур или продуктов

Интересно отметить, что кривая на рис. 9.8, показывающая, как последовательно сменяются при увеличении параметра периоды роста и пики семейства решений логистического уравнения, может также описывать размножение некоторых технологических процедур или продуктов. Открытие или технологическое новшество, появление нового продукта нарушает сложившееся социальное, технологическое или экономическое равновесие. Такое равновесие соответствует максимуму кривой роста техники или продуктов производства, с которыми новшеству приходится вступать в конкуренцию.

Хищник — жертва

До сих пор мы рассматривали взаимосвязь и развитие популяций, существующих за счет одинаковых источников (ресурсов). Вторым распространенным типом сосуществования популяций является отношение хищник — жертва. Будем считать, что жертва имеет неограниченный источник питания, а хищник — питается за счет своей жертвы. При этих допущениях в простейшем виде ситуация описываться следующими уравнениями:

        (9.54)
Представленные выше уравнения рассматривались как детерминированные. В действительности же, в силу тех или иных причин, эти уравнения должны описывать случайный процесс в пространстве переменных . Чтобы макроскопическое описание было более точным, необходимо вывести соответствующие фундаментальные уравнения. Кроме того, в системе имеются структурные флуктуации в виде мутаций, что вносит дополнительный элемент случайности. Наконец, из-за флуктуаций во внешней среде происходит непрерывное изменение коэффициентов .

Следует также заметить, что фактически в реальном мире находится в постоянном взаимодействии и взаимосвязи не столь ограниченное число популяций, как рассматривалось в нашем примере, а весьма большое число популяций различных уровней и отношений. При этом вариабельность и число возможных сочетаний возрастает на несколько порядков, что оказывает эффект, аналогичный введению внешних случайных воздействий.

Сосуществование двух популяций: рысей и зайцев

Реальная картина сосуществования двух популяций: рысей и американских зайцев беляков представлена на рис. 9.9.

Изменение численности рысей и американских зайцев беляков

Рис. 9.9 Изменение численности рысей и американских зайцев беляков

Примечательным здесь является колебательный характер в изменении численности обеих популяций, хотя он и отличается от синусоидального, как это следовало бы из анализа системы уравнений (9.54) при детерминированном его толковании.

Вывод, вытекающий из анализа логистического уравнения

В заключение, однако, нам хотелось подчеркнуть наиболее конструктивный вывод, который вытекает из анализа логистического уравнения. Это касается процессов, изображенных на рис. 9.8, на котором показано, что каждый последующий вид (подвид), занимающий какую-то экологическую нишу, отличается большей способностью к выживанию и требует для своего существования значительно больше ресурсов, чем тот вид, который занимал эту нишу до сих пор.

Ускорение эволюции

Еще также необходимо подчеркнуть мысль об ускорении эволюции.

Трудно оценить, к каким катастрофическим последствиям привела и может привести эволюция человеческого общества, которое оказалось биологическим видом, требующим для своего существования невероятно больших ресурсов. Причем, в отличие от других биологических видов, для выживания которых необходимы, как правило, лишь ресурсы питания и определенная природная и климатологическая среда, потребности вида гомосапиенс не ограничились ресурсами питания. Потребности во все более роскошном жилье, стремление к ускорению перемещения в пространстве, разработка все более изощренных орудий убийства, средств информатизации привели к резкому увеличению потребности в энергоресурсах, что уже сейчас становится непосильной ношей для планеты.

Структура и экологические проблемы металлургии

Достижения научно-технической эволюции

Двадцатый век явил пример невероятных достижений человеческого разума. За одно столетие человек пересел от камина к пульту ядерной топки и с примитивной самобеглой коляски на космический корабль. Но это и век страшных трагедий, унесших миллионы жизней и причинивших огромный ущерб земной природе.

Достижения научно-технической революции поистине огромны. Люди XX века проникли в механизмы атомного ядра и в самые отдаленные уголки Вселенной, стали передавать на невероятные расстояния радиосигналы и изображения и заставили электронные приборы выполнять логические операции, создали искусственные материалы с заданными свойствами и научились воздействовать на генетический код живых организмов. Во второй половине века человек вышел за пределы Земли и освоился на околоземных космических орбитах, а сегодня готовится к полетам на планеты Солнечной системы. Это лишь самые крупные, заметные достижения человеческого разума нашего века.

Угроза экологическому балансу Земли

В XX веке впервые появилось оружие, способное уничтожить все живое на планете. Впервые отходы невероятно разросшегося производства поставили под угрозу экологический баланс Земли и подвели человечество к черте, за которой — необратимая деградация мировой экологической системы.

Угроза перенаселения

Наконец, впервые за всю историю численность населения Земли стала нарастать в таких масштабах, что перенаселение грозит не только отдельным ее территориям, но и всей планете. Парадоксальный сплав интеллектуального взлета человека и его же собственного варварства и недальновидности! К концу столетия все это породило глобальные проблемы, с которыми нам придется иметь дело и в двадцать первом веке.

Тенденции развития металлургии

Развитие в структурно-организационном плане

Стремление к гигантизму

Чтобы правильно оценить возможные направления развития металлургии, необходимо вернуться к предыстории, вспомнить, какими путями развивалась металлургия бывшего Союза последние десятилетия. При этом целесообразно рассмотреть тенденции развития как в структурно-организационном, так и в научно-концептуальном плане.

В плане структурно-организационном, начиная с первых пятилеток (которые, безусловно, сыграли большую роль в развитии нашей металлургии), в качестве преобладающей следует, прежде всего, отметить тенденцию к гигантизму. Основные целевые установки в металлургии, как и во всем государстве, диктовались не столько экономическими, сколько политическими соображениями — выход на первое место в мире по производству чугуна и стали. Этой цели в плане количественном, как известно, удалось добиться. Немалую роль в этой тенденции играли потребности военно-промышленного комплекса.

В результате таких процессов наша металлургия превратилась в своеобразного монстра с самыми большими в мире агрегатами (доменными, мартеновскими, конвертерными и т.д.), с огромной концентрацией производства в крупных металлургических центрах, что с неизбежностью привело к необходимости дальних и экономически необоснованных перевозок. В Новокузнецк, например, везли 2 млн. т концентрата и окатышей с Курской магнитной аномалии, а из Новокузнецка — миллион тонн слитков в обратном направлении, на Урал и в другие регионы. Гигантские перевозки повлекли за собой резкое увеличение парка вагонов, загрузки железных дорог.

Минизаводы западно-европейских стран

Таких тенденций избежали большинство западно — европейских стран, еще четверть века назад пошедших по пути создания минизаводов (Австрия, Англия). США и Япония в последние десятилетия также сделали существенный крен в сторону структурной перестройки производства на основе минизаводов и бескоксовой металлургии, причем это диктовалось, не в последнюю очередь, требованиями улучшения экологической обстановки. Структурная перестройка производства оказалась одним из наиболее разумных и дешевых путей снижения техногенной нагрузки на среду. Опыт этих стран наглядно показал, что экологические проблемы нельзя решить, пристраивая очистные сооружения (даже достаточно совершенные) к старым агрегатам, тем более в условиях большой концентрации производства. Затраты на экологические мероприятия при таком прямолинейном подходе составляют до 40 — 50% от капитальных затрат на основное производство, кроме того, возникают проблемы утилизации или использования уловленных отходов.

Приоритетные направления развития металлургии в РФ. Упущенные возможности

В нашей же металлургии до последних лет продолжало господствовать рудно — чугунное направление, т.е. приоритетным было вложение средств в головную часть металлургических комбинатов (добычу руды, агломерационное, коксохимические, доменное производство). Мы пропустили и благоприятный момент для обновления сталеплавильного производства (замена мартеновских печей конвертерами и электропечами).

В то же время, структура прокатного производства, ориентированная в основном на тяжеловесные профили, существенно отстала от мировых тенденций (широкополосный прокат). В результате прокатное производство большинства заводов оказалось устаревшим и неконкурентоспособным, а в структуре экспорта российской металлургии преобладают полупродукты. Уже первые шаги перехода к рынку и сокращение вооружений показали ненужность производства такого большого количества металла.

Нашу металлургию лишь в малой степени затронула и прогрессивная тенденция перехода к непрерывной разливке стали (хотя здесь мы имели приоритет), позволяющий избавиться от бессмысленного переплава 15 — 20% металла. И хотя на некоторых заводах, безусловно, есть отдельные производства, выпускающие достаточно конкурентоспособную, в том числе и на мировом рынке, продукцию, в целом же картина состояния нашей металлургии не очень благоприятна. К этому следует добавить, что, несмотря на ряд попыток, так и не решена задача сбора и переработки лома в стране. При больших его расчетных запасах (около 300 млн. т) заводы испытывают острый недостаток лома, а доля электросталеплавильного производства едва превышает 15% от общего производства стали. Отсутствие целенаправленной политики в сборе и переработке лома может привести к тому, что накопление в ломе неокисляемых примесей (меди, никеля и др.) сделает невозможным выплавку в будущем ряда марок стали, либо потребуются огромные затраты на технологии, позволяющие отделять эти примеси.

Металлургия — крупнейший потребитель сырья, топлива и электроэнергии

Подытоживая экскурс в прошлое, можно отметить, что в настоящее время металлургия является одним из крупнейших потребителей сырья, топлива и электроэнергии, существенно влияющим на развитие этих отраслей. Так, например, доля полных энергозатрат в себестоимости российского готового проката составляет до 40%, в то время как в ФРГ — всего 22%, т.е. почти в два раза ниже.

Взаимосвязь с другими отраслями

В то же время, металлургия находится в тесных двухсторонних взаимосвязях с машиностроением и другими отраслями. Состояние нашей металлургии, естественно, оказало влияние на качественный уровень машиностроения, в том числе металлургического (высокая металлоемкость). Слабое обновление фондов, в частности, редкие заказы на новые прокатные станы, не позволяло заводам тяжелого машиностроения поддерживать достаточно высокий научно-технический уровень при создании новых прокатных станов (особенно тонколистовых), что, в свою очередь, повлияло на технический уровень металлургии и привело к необходимости зарубежных закупок оборудования.

Металлургические комбинаты, как причина экологического неблагополучия

Сосредоточившись в относительно небольшом количестве крупных городов, гигантские металлургические комбинаты стали и основной причиной экологического неблагополучия этих районов. Причем, как уже подчеркивалось выше, серьезное улучшение экологической ситуации здесь вряд ли возможно путем установки очистных сооружений, даже если не учитывать ограничения по капитальным вложениям и строительным мощностям. Основным выходом из создавшейся ситуации здесь может быть лишь существенное изменение структуры производства на основе новых наукоемких технологий, что наглядно показал опыт других стран по реконструкции и перепрофилированию производства в крупных металлургических регионах (пример Питсбурга), либо по рассредоточению металлургии и увеличению доли переработки лома и сырья прямого восстановления (минизаводы).

Заключение

В предыдущей главе были рассмотрены теоретические основы и математические модели принципиально нового металлургического процесса и агрегата, при разработке которого удалось достаточно последовательно реализовать ряд идей и принципов теории самоорганизации (синергетика), что позволило получить целый ряд существенных преимуществ перед известными в мире процессами, особенно в смысле энергоемкости, капиталоемкости и экологичности.

В заключение следует заметить, что из-за ограничений объема нам удалось лишь слегка коснуться экологических проблем, а среди моделей остановиться только на динамике популяций, не затронув моделей промышленной экологии, надеясь, что читатели, если проявят интерес, могут рассмотреть эти вопросы самостоятельно.

Материалы по теме

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *