Моделирование сетей питания и экосистемы "хищник-жертва"

Моделирование систем "хищник–жертва" является основой решения разнообразных эколого-экономических задач. База для построения таких моделей – разработка сетей питания. В сети питания вершины графа (обозначаемые кружками) отображают объекты моделирования; дуги (обозначаемые стрелками) проводят от хищника к жертве. 

                            На рисунке  1. показана сеть питания для пяти участников.

Любой живой организм определяется некоторыми показателями, характеризующими нормальное для этого вида состояние окружающей среды. В качестве таких показателей можно использовать температуру, влажность, давление, пищу и т.д. Область, ограниченная определенными диапазонами изменения показателя, при которых конкретный живой организм существует, называется экологической нишей. Экологические ниши выделяются в экологическом фазовом пространстве, определяемом набором анализируемых показателей. Никакие два вида не имеют в фазовом пространстве одинаковых ниш. Два вида живых организмов конкурируют в том и только в том случае, если их экологические ниши перекрываются. Если же они обладают достаточным сходством, то соответствующие им виды не могут существовать совместно. Это соображение известно под названием принципа конкурирующего исключения или принципа Гаузе.

Для ответа на вопрос, каков минимальный набор показателей для построения экологического фазового пространства, отражающего явления конкуренции, можно построить граф конкуренции на основе сетей питания. Живые организмы в графе конкуренции отображаются в виде вершин графа; между двумя вершинами проводится ребро (связь без направления) в том случае, если существует живой организм, который служит пищей для живых организмов, отображаемых вышеуказанными вершинами. На основе сети питания (рис.1) можно построить граф конкуренции (рис.2). Разработка графа конкуренции позволяет выделить конкурирующие виды живых организмов и проанализировать функционирование экосистемы, ее уязвимость. Широко распространен экологический принцип соответствия роста сложности экосистемы и увеличения ее устойчивости и уменьшения ее уязвимости. Если экосистема представлена сетью питания, то можно воспользоваться различными способами измерения сложности: определить число дуг, найти соотношение числа дуг к числу вершин, рассчитать количество входящих и количество исходящих из вершин дуг и т.д.

Рисунок 2. Граф конкуренции для сети питания, представленной

Разнообразные расчеты можно провести и на основе графа конкуренции. Для измерения сложности и разнообразия сети питания используют также трофический уровень. Если рассматривается простая пищевая цепь, то трофический уровень определяется весьма просто. Например, на рис. представлена пищевая цепь, трофические уровни (каждое звено цепи соответствует одному трофическом уровню).

Вопрос об определении трофического уровня в общем случае достаточно сложен. Например, достаточно сложно сказать, каков трофический уровень птиц в сети питания на рис. 1. Если трава имеет трофический уровень, равный единице, то по кратчайшему пути птицы имеют трофический уровень, равный 2, а по наиболее длинному – 3. Аналогично можно определить трофический уровень для всех вершин питания. Лабораторные эксперименты, в которых жертва получала постоянно обильное количество пищи, показали, что хищники могут вызывать циклические колебания численности жертвы. В таких случаях циклические колебания могут усиливаться под влиянием медленной реакции популяции хищника на изменение плотности жертвы.

При выращивании фасолевой зерновки в культурах вместе с хищными наездниками регулярные циклические колебания не совпадают по фазе. Наездник откладывает яйца

на личинок жука, которыми и питаются вылупляющиеся из яиц личинки паразита. Поэтому обилие жертвы оказывает влияние на численность взрослых наездников в следующем поколении после того, как личинки перепончатокрылых превращаются во взрослых особей.

При низкой численности популяции хищника и жертвы численность фасолевых зерновок быстро возрастает. По мере возрастания численности жертвы начинает увеличиваться и численность хищников. Когда выедание хищником становится чрезмерным, популяция жертвы сокращается. Полного исчезновения фасолевой зерновки не происходит, поскольку наездники не нападают на все без исключения личинки зерновок. Следовательно, всегда остается небольшое число зерновок, с которых начинается новый цикл роста популяции жертвы, когда хищников становится мало.

Циклические колебания популяции были получены в том случае, если в качестве хищника был использован наездник Heterospilus, скорость размножения которого ниже и отстает от скорости роста популяции фасолевой зерновки. Это запаздывание составляет 2-4 поколения и способствует возникновению циклических колебаний. У наездника Neocatolaceus репродуктивный потенциал в 6 раз выше. В эксперименте с этим хищником быстрая реакция его популяции на изменение численности жертвы не позволяет получить циклических колебаний популяции.

В случае высокой эффективности хищников популяция жертвы полностью истребляется. Г.Ф.Гаузе продемонстрировал, что этого можно избежать, если какая-то часть жертвы найдет надежное убежище и тем самым избежит уничтожения хищниками.

Установлено, что факторы, обеспечивающие стабильность системы "хищник–жертва", таковы:

 неэффективность хищника, бегство жертвы;

 экологические ограничения, налагаемые внешней средой на численность

популяции;

 наличие у хищника альтернативных пищевых ресурсов;

 уменьшение запаздывания в реакции хищника.

Экосистема "хищник–жертва" имеет две возможные точки равновесия. Правая точка определяется емкостью среды для жертвы в отсутствие хищников. При этом хищник

оказывает незначительное воздействие на популяцию жертвы, численность которой

ограничивается наличием пищи, пространством обитания и т.д. Вторая точка равновесия определяется способностью жертвы находить убежище. При этом хищник доводит популяцию жертвы до уровня, который обусловливается сложностью места обитания. Таким образом, эффективные хищники доводят популяцию жертвы до минимума; неэффективные – уничтожают наиболее уязвимую часть популяции жертвы, доводя ее численность до уровня, близкого к емкости среды. Живая природа находится в равновесии. На базе моделирования можно увидеть, что в системе, описывающей взаимодействие живых организмов, существенное изменение численности живых организмов вызывает катастрофическое изменение во всей системе. Кроме того, сильное уменьшение популяции определенного вида животных может привести к полному исчезновению этих животных. В то же время популяции жертв, численность которых близка к емкости среды, непродуктивны, поскольку их потенциал ограничен внутривидовой конкуренцией за ресурсы. Важно отметить, что если вмешательство человека не происходит, животный мир приходит в определенное состояние равновесия по прошествии ряда лет.