Экология: биология взаимодействия. 1.12. (дополнение) Модели, их ограничения и опасности

Українська мова (найновіша версія) / російська версія (оновлення припинено)

1.11. (доповнення) Науковий метод

Д. Шабанов, М. Кравченко. Екологія: біологія взаємодії
Глава 1. Екологія і біосистеми, які вона вивчає

1.13. (доповнення) Універсальні властивості біосистем

1.12. (доповнення) Моделі, їх обмеження та небезпеки
Деякі об’єкти неможливо або складно досліджувати безпосередньо. Що буде, якщо з рибоводного ставка виловити всіх риб, що перевищують певний розмір? Як відреагує біосфера на атомну війну? Провести відповідний експеримент часто важко або неможливо, а дізнатися відповідь на таке питання важливо. У цих і у багатьох інших випадках використовуються моделі. Модель — система, створена для вивчення системи‑оригіналу; вона повинна мати схожий характер взаємодії частин і завдяки цьому володіти подібними емерджентними властивостями. Модель може мати дуже різну природу. Фізична модель складається з фізичних тіл, що імітують частини системи, концептуальна — з певних абстракцій, аналітична — з взаємопов’язаних математичних функцій, а імітаційна — з програмних процесів, які відбуваються в комп’ютерному середовищі.
Наприклад, для вивчення біосфери можна створити її математичну модель. Для цього слід визначити, з яких компонентів складається біосфера, і припустити, як вони впливають один на одного. Потім слід створити систему рівнянь, змінні в якій будуть описувати взаємодію частин біосфери. Вносячи в цю модель певні зміни, ми зможемо припустити, як би реагувала на них система‑оригінал!
Проте, користуючись моделями, важливо ніколи не забувати про те, що вони — наближення, придатні лише для оцінки певного діапазону явищ. Розділимо сукупність станів системи‑оригінала і описуючої її моделі на дві області: ту, в якій оригінал вдалося спостерігати в дійсності, і ту, про яку ми судимо лише за моделлю. Якщо модель не відповідає оригіналу в вивченій області, від неї треба відмовитися або, як мінімум, суттєво її скоригувати. А в невивченій області довести адекватність моделі неможливо.
Тим цінніше ситуації розширення тієї області станів оригінала, де його поведінка була вивчена. Наведемо приклад, що стосується реакції організмів і екосистем на зміни факторів середовища. Відносно нещодавно з’ясувалося, що більшість кліматичних моделей неправильно прогнозують реакцію лісів на нестачу вологи.
Розглянемо спочатку логіку, за якою будувалась би будь‑яка здорова модель. Як дізнатися реакцію лісу на посуху? Піддати експериментальні рослини дії нестачі води в кліматичній камері. Все зрозуміло! Намагаючись обмежити випаровування води, такі рослини закриють стики, зменшать газообмін з навколишнім середовищем і знизять інтенсивність фотосинтезу. Отже, і звиклий до вологості дощовий тропічний ліс відреагує так само…
У липні‑вересні 2005 року в Амазонії спостерігалася безпрецедентна посуха. За регіоном вели спостереження з космосу. Інтенсивність фотосинтезу оцінювалася за тим, наскільки з відбитого лісами світла вилучалися частоти спектра поглинання хлорофілу. Після обробки отриманих даних вдалося зафіксувати парадоксальне явище! На переважаючій частині території посуха викликала посилення фотосинтезу; він знижувався лише на ділянках, змінених внаслідок людської діяльності.
Як екологи могли не помітити механізм, що посилює фотосинтез при посухі? Ймовірно, через те, що в експериментальних кліматичних камерах немає хмар. Зниження вологості повітря над лісами призвело до зменшення хмарності, збільшення освітленості листя і зростання інтенсивності фотосинтезу. А вода? А воду дерева звідки‑небудь взяли. Ґрунт у дощовому тропічному лісі досить скудний, але, як виявляється, утримує певний мінімум вологи, необхідний для життя лісу протягом посухи. А якщо посуха буде довгою? На жаль, відповідь на це питання лежить у тій області стану системи‑оригінала, про яку ми не маємо достатньо надійних експериментальних даних.
Отже, моделі — важливий інструмент дослідження, але далеко не панацея від усіх бідів. Більше того, іноді використання моделей стає способом самовведення в оману дослідників. Для доведення цього твердження можна було б навести безліч прикладів, але тут розглянуто один — парадоксальним чином, що торкнувся самого Чарльза Дарвіна. Йдеться про видання «Походження видів» Дарвіна, випущене у 1987 році з коментарями двох відомих радянських і російських еволюціоністів: А. В. Яблокова та Б. М. Медникова. Ті місця, де Дарвін сумнівався або обережно відчував думку, викинуті безжальною рукою коментаторів‑составників. Залишений дарвінівський текст значно покращений коментарями та вставками видавців.
«Щоб показати зв’язок ідей Дарвіна з сучасними досягненнями біології, ми вирішили поруч з текстом автора «Походження видів» надати сучасні ілюстрації, що підтверджують або розвивають його думки. <...> Для більшої доступності викладу праці Дарвіна ми прибрали деякі розділи його, на наш погляд, другорядні або надмірно складні для вчителя» (А. В. Яблоков, Б. М. Медников, 1987; у книзі: Ч. Дарвін. Походження видів шляхом природного відбору: Підручник для вчителя. — М.: Просвітництво, 1987)
Крім багатьох інших, у «Походженні видів» додано опис машинного експерименту, виконаного В. В. Меншуткиним спільно з самим Медниковим (рис. 1.12.1).

Рис. 1.12.1. Ілюстрації, що пояснюють експеримент Меншуткина‑Медникова (джерело: Дарвін (!), 1987)
«У машинну пам’ять заклали опис прототипу хордових тварин, аналогічного дожившому до наших днів ланцетнику (А), цифри внизу — «генотип», машинний опис 24 ознак «виду». Цей вихідний вид міг перетворюватися в інші, причому змінливість була невизначеною, за Дарвіном. Прогресивні (ускладнювані) і регресивні (спрощувані) зміни були рівноймовірними. Виключалися великі стрибки, наприклад, раптове виникнення добре розвиненого органу (мозку тощо).
Після кожного часовго кроку, приблизно відповідаючого 1 млн. років палеонтологічної летопису, машина перебирала отримані варіанти, оцінюючи їх за ступенем пристосованості. При цьому аутсайдери стиралися з пам’яті ЕОМ («вмирали»), а їхні клітини займали нові, «пристроєні». Так моделювалася боротьба за існування і природний відбір» (А. В. Яблоков, Б. М. Медников, 1987)
У результаті цього експерименту, нібито, вдалося «довести», що хід еволюції передвизначений і неминуче веде до появи розуму. У експерименті Меншуткина‑Медникова «ланцетники» дали різноманітних «риб», що мали три пари парних плавців, а потім вийшли на сушу у вигляді шестиногих істот. У результаті еволюції наземного життя виникли тварини, які нагадували кентаврів — організми, що переміщувалися на чотирьох ногах з вивільненими для праці передніми кінцівками. У них був великий мозок і сприятливе для розвитку розуму соціальне життя.
Досягнувши цього етапу, експериментатори «відмотали» машинний час назад і населили сушу чотириногими істотами. О, чудо! Тепер виниклий у ході еволюції розум виявився двоногим. Отже, «вдалося довести», що в еволюції є певна свобода, але в цілому її хід передвизначений.
Автори даного підручника припускають, що еволюція значною мірою спрямована, але думають так не завдяки експерименту Меншуткина‑Медникова, а навпаки йому. І справа не в тому, що хребетні не могли бути шестиногими. Справа в тому, як у цьому експерименті оцінювалася пристосованість «організмів».
Присвячена спробам керувати економікою з одного центру книга нобелівського лауреата Фрідріха фон Хайєка називається «Шкідлива самовпевненість». Жоден план не може передбачити те, що визначається багатьма людьми в їх конкретних ринкових взаємодіях. Ще шкідливіша самовпевнена віра, що можна заздалегідь знати, що вибере, а що відкине природний відбір. Модельна біосфера, яка зможе це передбачити, має бути такою ж складною, як і справжня. А в моделі Меншуткина‑Медникова був лише один спосіб розрізняти успіхи від невдач — ввести апріорну оцінку, у якій пристосованим вважалося те, що перемогло в ході реальної земної еволюції. Програмі задали, що найпристроєніша істота — це розумна істота. Для розуму потрібні вільні кінцівки, великий мозок і соціальне життя. Іншими словами, моделі задали кінцевий стан і спосіб його досягнення (з використанням випадкових помилок, що наближаються до мети). Кого‑небудь дивує, що модель прийшла туди, куди її спрямували з самого початку?
Цікаво, що експериментатори «вимикали» еволюцію, коли у них з’явилася розумна істота. Вони розуміли, що подальший розвиток моделі буде топтанням на місці? Відповідь на це питання дозволила б оцінити співвідношення обману і самовведення в оману в мотивації описуваного експерименту. Можливо, Меншуткин і Медников могли б обґрунтувати таке рішення тим, що після появи розуму біологічну еволюцію витісняє соціальна. Але хіба їм не захотілося подивитися, що буде далі? Те, що вони не стали цього робити, дозволяє припустити, що до самовведення в оману була додана і певна порція обману… Так чи інакше, ця суміш виявилася досить успішною; багато читачів «Походження видів» повірили, що передвизначеність еволюції вдалося довести.
Дарвінізм звинувачують у логічному колі: пристосованість пояснюють як здатність виживати, а виживання вважають наслідком пристосованості. Все ж можна припустити, що обережний і всебічний роздумами Дарвін не потрапив би в ту пастку, куди заманили себе і читачів Меншуткин і Медников. До речі, за думкою авторів, причина певної кризи еволюційної біології, що спостерігається сьогодні, пов’язана не з недоліками робіт Дарвіна (які в будь‑якому разі належали своєму часу, позапрошлому століттю), а з догматизмом сучасних «дарвіністів».
Додаткові матеріали:
Конспект курсу «Імітаційне моделювання в екології (на базі Microsoft Excel)». Основні поняття
Учбові моделі з екології
Українська / Русский

1.11. (доповнення) Науковий метод

Д. Шабанов, М. Кравченко. Екологія: біологія взаємодії
Глава 1. Екологія і біосистеми, які вона вивчає

1.13. (доповнення) Універсальні властивості біосистем