Применение математики в экологии

The article describes the application of mathematics to ecology, which mathematical methods are more commonly found in ecology with a detailed description of application, strengths of mathematical modeling, mathematical-statistical method.

С античных времён считается, что все науки между собой связаны. Какие-то науки переплетены между собой очень тесно, некоторые связаны косвенно. Самой распространённой из таких наук является математика, так как она связана практически со всеми науками мира, некоторые современные науки были её ответвлениями.

Математика - это наука, изучающая величины, пространственные формы и количественные отношения предметов или явлений. Любая наука измеряет всё что угодно, включая высоты различных объектов, их ширину, длину, площадь и объём [2].

При построении какого-либо объекта или выделение зоны используют математическое моделирование, то есть в процессе изучения они заменяют реальный объект или зону на модель, которую в дальнейшем и изучают для достижения результата в реальном месте. Исследователи сначала изучают реальную территорию, затем создают проект, перенесённый на чистый лист бумаги, потом следует изучение математической модели.

Одной из наук, где применяется математическое моделирование, является экология, так как происходит моделирование ареалов, то есть области распространения определённых организмов, которые важны для сохранения окружающей среды.

Экология - это наука, изучающая взаимодействие микроорганизмов с окружающей средой и между собой. Понятие было предложено Э. Геккелем в 1866 году в книге «Общая морфология организмов» [1].

Математическое моделирование облегчает для эколога некоторые аспекты анализа экологически важной территории:

• -    модели помогают выразить с помощью нескольких параметров важные разрозненные свойства большого числа уникальных наблюдений, что облегчает экологу анализ рассматриваемого процесса или проблемы.

• -    модели выступают в качестве «общего языка», с помощью которого может быть описано каждое уникальное явление более понятным языком.

• -    модель может служить образцом совершенного объекта, при сравнении с которым можно оценивать и измерять реальные объекты и процессы [3].

В отличие от большинства наук, где модель опирается на какие-либо законы или принципы, в экологии всё является относительным. Только после проведения подробного анализа и экспериментальных исследований модель можно оценить как важную или же наоборот провальную.

Также стоит отметить то, что экологические системы имеют свойство изменяться в силу определённых обстоятельств. Изменение растительности, количества животных, кислорода в водоёмах, уровня воды в них, а также скорость поглощения пищи в пищевой цепочке данной экосистемы.

Французский микробиолог Ж. Моно составлял зависимости одного процесса от объектов или каких-либо других процессов при изучении микроорганизмов. Так он создал зависимость скорости поедания питательных веществ важных для размножения микроорганизмов (субстрата) от концентрации этих веществ на определённой территории, где проживают важные для эксперимента микроорганизмы.

Также важным является использование дифференциальных уравнений, которые помогают экологу измерять величины, изменяющиеся во времени.

Например, изменение кислорода в водоёмах, основные закономерности роста популяции на определённой территории и их конкурентное взаимодействие.

Динамика изменений экологических процессов очень сложна и подвластна большому количеству факторов, большая часть из которых неустойчива, исходя из этого, их влияние на процесс существенно меняет его. Вследствие этого количественные характеристики процесса хаотично меняются около своих средних значений. Поэтому процесс не удается описать одной лишь общей функциональной зависимостью, и таким образом, прогнозировать его дальнейшее развитие в подробных деталях. В данном случае для моделирования экологического процесса применяют математико-статистические методы.

Создавая статистическую модель исследуемого процесса, учёные собирают экспериментальные данные про его параметры, при этом сразу фиксируют самые значимые для процесса факторы.

При помощи математической статистики можно проследить за изменением объекта изучения эколога, это поможет ему провести анализ тенденций развития, а также оценить экологическую значимость объекта и вообще всего эксперимента. В основном, с помощью математической статистики оценивают количество выбросов отходов в реки или водоёмы для оценки уровня опасности данных выбросов.

Немаловажным является изучение нагрузки человека на окружающую среду. Человек является не только невероятным создателем, но и беспощадным разрушителем, с каждым годом всё меньше первозданных территорий остаётся на карте, так как часть из них становится туристскими объектами, которые со временем, из-за большого потока туристов, становятся непригодными для проживания микроорганизмов, различных популяций растений и животных.

Таким образом, математика играет важную роль при изучении экологических территорий. Такие методы как математическое моделирование, математические статистические и дифференциальные уравнения, зависимости между различными объектами экосистемы, которые взаимодействуют и являются объектами изучения экологами. Данные методы упрощают работу экологов, дают более точные представления об объектах и явлениях экологического мира. Также стоит отметить то, что стоит сохранить окружающую среду в первозданном виде, а не уничтожать ради своих утех.