Реферати українською » Экология » Комп'ютерне моделювання в екології


Реферат Комп'ютерне моделювання в екології

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Міський методичний центр інформаційних технологій

р. Мурманська


Комп'ютерне моделювання в екології

>Реферат


>Виполнил:Паялов Є.В.

(учень 11 класу школи № 49)

                                               Перевірив:Пустоваченко М.М.

                                                                  (директорГМЦИТ р. Мурманська)


Мурманськ, 2005

 

Зміст

>Введение………………………………………………………………………….3

1. Комп'ютерне моделювання векологии………………………………….5

>Заключение……………………………………………………………………….23

Списоклитератури………………………………………………………………24


Запровадження

Екологія – одна з слів, що з'явилися порівняно недавно в усіх на вустах на сторінках газет та журналів. Ще 60-ті роки ХХ століття ніхто, крім вузьких фахівців, їх знав, та й більшість, хто не знав, використовував у сенсі, який навряд чи здатний зацікавити широкий загал. Проте, терміну більш 120 років.

Математичного моделювання в екології використовується практично з виникнення цієї науки. І, хоч поведінка організмів у живої природи значно складніше адекватно описати засобами математики, ніж найскладніші фізичні процеси, моделі допомагають встановити деяких закономірностей і спільні тенденції розвитку окремих популяцій, і навіть співтовариств. Видається дивним, що, займаються живої природою відтворюють їх у штучної математичної формі, але є вагомі причини, що стимулюють ці заняття. Ось лише деякі мети створення математичних моделей в екології:

· Моделі допомагають виділити суть чи об'єднати і пропозицією висловити з допомогою кількох параметрів важливі розрізнені властивості значної частини унікальних спостережень, що полегшує екологу аналіз аналізованого процесу чи проблеми.

· Моделі виступають «спільної мови», з допомогою якої може бути описано кожне унікальне явище, і відносні властивості таких явищ стають зрозумілішими.

· Модель може послужити зразком «ідеального об'єкта» чи ідеалізованого поведінки, при порівнянні з яких можна оцінювати і вимірювати реальні об'єкти і процеси.

· Моделі таки пролити світло на реальний світ, недосконалими імітаціями якої є.

Мета цієї роботи – ознайомитися з деякими методами комп'ютерного моделювання в екології і довести важливість комп'ютерів в моделюванні екологічних процесів.

Проте математичне (комп'ютерне) моделювання в екології – досить велика область дослідження та за вибором об'єктів моделювання, і з набору методів, і з спектру розв'язуваних завдань. Тому досить складно охопити відразу всі аспекти моделювання. Увага у цій роботі звернуто на два класу методів: моделювання з допомогою диференційних рівнянь й фізичні методи, починаючи від екстремальних принципах біології. Якщо приклади варіаційних моделей ставляться до досить широкого кола рослинних і тварин співтовариств, то тут для підходів, заснованих на виключно диференційних рівняннях, у вигляді просторості матеріалу увагу сконцентровано на моделюванні співтовариств мікроорганізмів.

Моделі кожного з методів, безумовно, мають своїми достоїнствами й недоліками. Так, диференціальні чиразностние рівняння дозволяють описувати динаміку процесів як реального часу, тоді яквариационние методи, зазвичай, прогнозують лише кінцеве стаціонарне стан співтовариства. На шляху імітацій з допомогою рівнянь виникають труднощі як принципового, і технічного характеру. Принципова труднощі у тому, що немає систематичних правил виведення самих рівнянь. Процедури їх створення грунтуються наполуемпирических закономірності, правдоподібних міркуваннях, аналогіях і мистецтві модельєра. Технічні труднощі пов'язані із високимразмерностью завдань із моделювання співтовариств. Для істотномноговидових співтовариств, які споживають численні ресурси, потрібно добір сотень коефіцієнтів і аналіз систем з десятків рівнянь.

1. Комп'ютерне моделювання в екології

1. Приклади рівнянь. У розділі про моделюванні з допомогою диференційних рівнянь насамперед розглядаються моделіфитопланктонних і мікробіологічних співтовариств.

2. Моделювання співтовариств фітопланктону. Традиційний шлях вивчення співтовариств мікроорганізмів залежить від моделюванні безперервних культур. Загальне рівняння, яке описує кінетику концентрації клітин на такому процесі, має вигляд

де x – концентрація клітин накультиваторе, – функція, яка описувала розмноження популяції, >d – швидкість вимивання. Швидкість розмноження може залежати від концентрації клітин, концентрації субстрату >s, температури, pH середовища проживання і інших чинників.

У мікробіологічних системах, зазвичай, швидкість зростання лімітується концентрацією субстрату, що впливає залежністю, запропонованоїЖ.Моно (>Monod, 1942):

де – максимальна швидкість зростання організмів при умовах, –видоспецифическая константа, чисельно рівна концентрації субстрату, коли він швидкість зростання культури дорівнює половині максимальної (константаполунасищения).

При моделюванні динаміки фітопланктону є облік впливу рівня освітленості на швидкість зростання. У вашій книзіС.Йоргенсена (1985) описані деяких видів рівнянь, що застосовуються у моделях. Залежність між швидкістю зростання (швидкістю первинного продукування) і освітленістю то, можливо описана рівняннямМихаелиса-Ментен

тут I – освітленість, KI – константаполунасищения по освітленості.

При освітленості вище порогової (>IH), починаючи з якою відбувається гноблення фотосинтезу, можна записати таку залежність:

Значення всіх констант () залежить від адаптацію освітленості і температури. Залежність KI від температури, зазвичай,линейна: ; a>m, K>I0 – константи, K>I0 – константаполунасищения по освітленості у нульовий точці температурної шкали. Залежність >IH від температури як і має лінійної функцією: ; >IH0 – порогова освітленість у нульовий точці температурної шкали, aH – константа.

Як було зазначено, швидкість зростання залежить від концентрації біогенних речовин. Для фітопланктону елементами, здатними лімітувати зростання, можуть бути, наприклад, азот, фосфор і вуглець. Можливі способи відображення цього факту у роботіС.Йоргенсена описані так

,

де >P, N, З – концентрація розчиненої фосфору, азоту NO та вуглецю; K>P, KN, KЗ – відповідні константиполунасищения. Можливе також використання середнього розмірулимитирующих чинників: .

У працяхН.С.Абросова із колегами було запропоновано наступна модель динаміки екосистеми. Розглядають організми одного трофічного рівня, що є з допомогою спільного споживання ресурсів харчування. Нехай >ij(>s1,...,>s>m) швидкість споживання одиницею біомаси (особиною) виду і ресурсу j;  і =  і(>s1,...,>s>m) – питома швидкість приросту біомаси (щільності) і-го виду; >s = (>s1,...,>s>m) – вектор концентрації ресурсів у середовищі; >dі – питома швидкість елімінації організмів і-го виду; Аj – швидкість надходження j-го субстрату ззовні на одиницю обсягу екосистеми; Dі – питома швидкість видалення ресурсу у відкритій системі. Тоді динаміка системи описується рівняннями

(1)

Модель, яка описувала що культивуються вхемостате співтовариство, є приватною випадком моделі (3.1) за умов >dі = Dj = D, = Aj/D, де D – швидкість розведення культури, – концентрація j-го субстрату в що надходить у реактор у живильному середовищі, і замислюється над системою рівнянь

(>Хемостат – безперервний культиватор, у якому з допомогоюсаморегулирующх механізмів популяції підтримується стала щільність популяції.)

Що стосується взаємозамінних ресурсів залежність і(>s) описується вираженням

або його лінійноїаппроксимацией

,

де >ij – елементи матриці пристосованості: , тут>ij = з>ijY>ij, де з>ij – питома швидкість споживання j-го субстрату і-м виглядом організму, а Y>ij – економічний коефіцієнт використання j-го речовини і-м виглядом.

Якщо ресурсивзаимонезаменяеми, то

чи

.

У наведених вище формулах символ позначає максимально можливу питому швидкість зростання організмів і-го виду; K>ij – константаполунасищения зростання і-го виду на j-м субстраті.

У моделях, використовують диференціальні рівняння, може бути обліклимитирования зростання світловий енергією. І тут пропонується використовувати таку залежність:

тут xі – концентрація клітин і-го виду; >і – питома швидкість зростання і-го виду; – максимально можлива питома швидкість зростання організмів і-го виду; – процентний вміст хлорофілу в біомасу; lі – коефіцієнт поглинання світла і-м виглядом; – ККД фотосинтезу і-го виду клітин; Yівеличина, зворотна калорійності біомаси і-го виду клітин; E – потужністьФАР (>фотосинтетически активної радіації), падаючої на поверхню культури; >d – товщина шару культури у кюветі культиватора (наведено вираз для удільної швидкості >і у разілимитирования спільного зростання два види лише енергією світла) (Абросов,Ковров, 1977).

>А.Я.Болсуновским (1999) було запропоновано наступна математична модель динаміки компонентів співтовариства із видів (>спирулина іхлорелла), зростання лімітується інтенсивністю світла й усієї областіФАР

де xі – концентрація клітинного хлорофілу; >і – удільні швидкості зростання; aі, bі – константи рівнянняМихаелиса-Ментен; – середня освітленість для співтовариства; E0 – поверхнева освітленість; D – швидкість протока.

З іншого боку, в моделях можливо відбити ефекти метаболічного впливу, як, наприклад, це було зробленоЮ.А.Домбровским з співавторами (1990). Швидкість зростання фітопланктону і -го виду описувалася вираженням

,

де x1, x2,s – концентрації два види фітопланктону і мінерального речовини, виражені в одиницяхлимитирующегобиогенного речовини; – коефіцієнти метаболізму; Mі – максимальна швидкість фотосинтезу; Hі – параметр насичення; – емпіричний коефіцієнтингибирования і-го виду j-м.

Як вказувалося вище, під час моделювання динаміки біомаси фітопланктону, найчастіше використовують рівнянняМоно, яке описує залежність удільної швидкості зростання популяції > від концентрації >sлимитирующего зростання субстрату

, (2)

де максимальна швидкість зростання; K>s константаполунасищения прилимитировании даним субстратом. (У випадку і K>s залежить від виду фітопланктону.) Теоретичне пояснення зазначеної залежності зазвичай полягає в уявленнях біохімічної кінетики, що з концепцією “вузького місця” метаболізму (Алексєєв та інших., 1992). Жива клітина є суворо збалансовану систему ферментативних реакцій, у своїй загальна швидкість приросту біомаси передбачається пропорційної швидкості реакції, обмеженою недоліком субстрату серед. У найпростішому разі залежність швидкості ферментативної реакції від концентрації субстрату описується формулоюМихаелиса-Ментен. Бо у формуліМихаелиса-Ментен константи і K>s є функції від швидкостей прямий і зворотної ферментативної реакції, та постійність і K>s передбачає сталість цих швидкостей. Отже, основу використання залежностіМоно лежить неявний припущення про інваріантості у часі співвідношення елементів у клітині (бо тільки при сталості складу клітини можуть залишатися постійними швидкості ферментативних реакцій). З іншого боку, при підході, заснованому на залежностіМоно, процеси поглинання поживних речовин і зростання фітопланктону не різняться.

. (3)

Формула (3.3) спрощується у зв'язку з припущенням, підтвердженим експериментально, що константаполунасищения і мінімальну клітинне зміст відповідногобиогена рівні, та приймає вид

.

>Дж.Фухсом експериментально двома видахдиатомових продемонстровано зв'язок швидкості зростання водоростей з клітинної концентрацією фосфору як (позначення самі, що у формулах (2), (3).)

>В.Бьерман (>Bierman, 1976) в моделівнутригодовойсукцессии фітопланктону (чотири групи водоростей, три біогенних елемента – азот, фосфор, кремній) висловлював залежність зростання знизилися від клітинного фосфору формулою , від клітинного азоту – формулоюДрупа (3), як від клітинного кремнію – формулоюМоно (2).

Крім мінімального змісту елемента >q>min у клітині, важливою характеристикою виду є величина >q>max – максимальне значення елемента харчування, що може нагромадитися у клітині. Можна навести кілька прикладів використання величини >q>max в формулах для швидкості зростання клітин на моделі весняного цвітіннядиатомових на Балтиці застосовував залежність

>А.Дота в моделі полікультури прісноводних водоростей використовував вираз

На мінливістьстехиометрических співвідношень вуглецю, азоту та фосфору у складі фітопланктону вказувавС.Йоргенсен (1985). Він зазначав, що, як показали лабораторні досліди, розвиток фітопланктону відбувається у два етапу: першою йде поглинання біогенних речовин, але в другому – клітинне розподіл, регульоване внутрішньоклітинної концентрацією ресурсів.С.Йоргенсен (>Jrgensen, 1976) використовує таку систему рівнянь

де – внутрішньоклітинні концентрації біогенних елементів (відповідно, фосфору, азоту NO та вуглецю), виражені в мг на 1 л води; – мінімальні і максимальні значення змісту трьох біогенних речовин, у складі фітопланктону; x – концентрація фітопланктону; – швидкості поглинання вуглецю, фосфору, азоту; – відповідні максимальні швидкості поглинання; З,P, N – концентрації біогенних елементів у навколишньому середовищі; – функції, що характеризують залежності інтенсивності фотосинтезу від освітленості і температури.

Існують певні дані, що дозволяють порівняти результати моделювання з допомогою концепції клітинної квоти і її використання.Л.А.Кучай (>Кучай, 1985) спеціально порівнювала моделі, описують кругообіг біогенних ресурсів (азоту чи азоту та фосфору) в замкнутої системі, що включає одну групу фітопланктону, живильні елементи і детрит. З використанням клітинної квоти питома швидкість зростання задавалася формулоюДрупа, причому у разі двох ресурсів використовувався принцип мінімуму Лібиха. Виявилося, що моделі з допомогою клітинної квоти дають більше можливих сценаріїв розвитку фітопланктону й дозволяють описувати ситуації, реально які у природі, наприклад, ситуацію наростання біомаси фітопланктону за умов майже нульової концентраціїбиогенного елемента у середовищі чи ситуацію різкого стрибка відносиниN:P серед в останній момент кульмінації цвітіння.

Нині серед дослідників встановилося думка, що модельМоно адекватна в описах стабільного зростання водоростей в стаціонарних умовах, подібниххемостату, а описи процесу зростання при змінюються зовнішніх умов, наприклад, під час моделюваннявнутригодовойсукцессии фітопланктону, необхідна складніша модель, обрана відповідно до припущенням залежності швидкості зростання знизилися від клітинних концентрацій ресурсів. Однією з ситуацій, де за моделюванні необхідно залучення концепції клітинної квоти, є накопичувальнекультивирование.[1]

>Дифференциальние рівняння в мікробіології. >Дифференциальние рівняння, описують і концентрації мікробної біомаси (x) і концентраціїлимитирующего субстрату (>s) за умовхемостатного культивування, виведеніЖ.Моно з умов матеріального балансу, склали першу модель зростання мікробних популяцій.

де x>P – концентрація мікроорганізмів в приймальнику, куди зливається наростаюча бактеріальна суспензія; xT – сумарна концентрація мікроорганізмів (xT = x + x>P); > – питома швидкість зростання, – максимальна швидкість зростання; >s – концентраціялимитирующего ресурсу серед; K>s – константаполунасищения прилимитировании даним субстратом; >s0 – величина концентраціїлимитирующего субстрату на вході у культиватор; D – швидкість розведення, рівна відношенню швидкості надходження живильне середовище обсягу культури; Y – економічний коефіцієнт (вихід біомаси на одиницю спожитого субстрату).

Принциповою особливістю даної відкритої системи є можливість встановлення динамічного рівноваги. У що встановилася стані > = D, а (– постійні значення стаціонарногосостояния).[2]

Необхідно також відзначити, що з перевищенні швидкості розведення D критичної позначки настає режим вимивання, тобто. швидкість потоку настільки велике, що світовий приріст біомаси неспроможна компенсувати її відтік. Нульове значення концентрації біомаси і рівність концентраціїлимитирующего ресурсу серед значенням останньої на вході у культиватор є хистким становищем рівноваги при швидкості розведення нижче критичної і стійким на великих швидкостях .

Для різних методівпроточного культивування динаміка концентрації біомаси мікроорганізмів описується відповідними диференціальними рівняннями (>Паников, 1991).

1)Турбидостат – оптична щільність.

2) pH->стат

3)Хемостат з поверненням

4)Батареяхемостатов

Поруч із в різний спосіб гомогенного безперервного культивування для лабораторних досліджень застосовують та інші методи:

1) Безупинне культивування без винесення мікробних клітин:

а) періодичний діаліз

б) безперервний діаліз

в) періодична культура з підживленням (ПСП)

р) періодична культура з газовим харчуванням

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація