Теоретическая экология
Теоретическая экология — это научная дисциплина, посвященная изучению экологических систем с использованием таких теоретических методов, как простые концептуальные модели , математические модели , вычислительное моделирование и расширенный анализ данных.. Эффективные модели улучшают понимание мира природы, показывая, как динамика популяций видов часто основана на фундаментальных биологических условиях и процессах. Кроме того, эта область направлена на объединение разнообразных эмпирических наблюдений, предполагая, что общие механистические процессы порождают наблюдаемые явления для разных видов и экологических сред. Основываясь на биологически реалистичных предположениях, экологи-теоретики могут открывать новые, неинтуитивные представления о природных процессах. Теоретические результаты часто подтверждаются эмпирическими исследованиями и наблюдениями, раскрывающими силу теоретических методов как в предсказании, так и в понимании шумного, разнообразного биологического мира.
Область широка и включает в себя основы прикладной математики, информатики, биологии, статистической физики, генетики, химии, эволюции и биологии сохранения. Теоретическая экология стремится объяснить широкий спектр явлений в науках о жизни, таких как рост и динамика населения , рыболовство, конкуренция , эволюционная теория, эпидемиология, поведение животных и групповая динамика, пищевые сети , экосистемы, пространственная экология и влияние климата. изменить .
Теоретическая экология выиграла от появления быстрых вычислительных мощностей, позволяющих анализировать и визуализировать крупномасштабные вычислительные симуляции экологических явлений. Важно отметить, что эти современные инструменты обеспечивают количественные прогнозы воздействия антропогенных изменений окружающей среды на разнообразные экологические явления, такие как инвазии видов, изменение климата, влияние рыболовства и охоты на стабильность пищевых сетей и глобальный углеродный цикл .
Модели часто используются для описания реальных экологических процессов воспроизводства одного или нескольких видов. Их можно смоделировать с помощью стохастических ветвящихся процессов . Примерами являются динамика взаимодействующих популяций ( конкуренция хищников и мутуализм ), которые, в зависимости от интересующего вида, лучше всего моделировать либо в непрерывном, либо в дискретном времени. Другие примеры таких моделей можно найти в области математической эпидемиологии , где динамические отношения, которые должны быть смоделированы, представляют собой взаимодействия хозяина и патогена . [5]
Теория бифуркаций используется, чтобы проиллюстрировать, как небольшие изменения в значениях параметров могут привести к совершенно разным результатам в долгосрочной перспективе, математический факт, который можно использовать для объяснения резких экологических различий, возникающих в качественно очень похожих системах. [9] Логистические карты представляют собой полиномиальные отображения , и их часто цитируют как архетипические примеры того, как хаотическое поведение может возникать из очень простых нелинейных динамических уравнений. Карты были популяризированы в основополагающей статье 1976 года эколога-теоретика Роберта Мэя . [10] Разностное уравнение предназначено для отражения двух эффектов размножения и голодания.
В 1930 году Р.А. Фишер опубликовал свою классическую работу «Генетическая теория естественного отбора », в которой представил идею о том, что частотно-зависимая приспособленность привносит в эволюцию стратегический аспект , где выгоды для конкретного организма, возникающие в результате взаимодействия всех соответствующих организмов, число жизнеспособных потомков этого организма. [11] В 1961 году Ричард Левонтин применил теорию игр к эволюционной биологии в своей книге « Эволюция и теория игр », [12] за которой последовал Джон Мейнард Смит , который в своей основополагающей статье 1972 года «Теория игр и эволюция боевых действий», [13] определили понятиеэволюционно устойчивая стратегия .
