Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

БИОТЕКТОНИКА МЕТОДОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНОВА ИЗУЧЕНИЯ РОСТА ДРЕВОСТОЯ

Чернов Н.Н. 1
1 Уральский государственный лесотехнический университет (УГЛТУ)
Первоочередной задачей применения основных положений биотектоники в лесном деле является обоснование возможностей их использования при разработке методических основ и методик исследования строения насаждений и древостоев, их изменений в процессе возрастной динамики в различных условиях произрастания; при этом важно использовать предложения, которые наиболее полно отвечают целевым установкам выращивания лесов и формирования лесных объектов. Предложены направления исследований для решения задачи составления математических моделей роста дерева и древостоя, на основе использования основного закона роста – Закона спирально-логарифмического кумулятивного роста, отражающего изменение массы дерева с возрастом и базирующегося на фундаментальных свойствах и формах организации живой природы. Закономерности, составляющие основу дендротектоники, обеспечивают формирование гармонии роста каждого дерева, входящего в состав древостоя, и принимают участие в формировании гармонии роста древостоя.
биотектоника
математическое моделирование
логарифмическая спираль
вероятностно-стохастическое моделирование
1. Алексеев П.В., Панин А.В. Философия. – М.: Проспект, 2012. – 471 с.
2. Касинов В.Б. О симметрии в биологии. – Л.: Наука, 1971. – 48 с.
3. Касинов В.Б. Биологическая изометрия. – Л.: Наука, 1973. – 267 с.
4. Кимберли Элам. Геометрия дизайна. Пропорции и композиция. Изд-во «Питер», 2012. –108 с.
5. Назаров И.В. История и философия науки. – Екатеринбург: УГЛТУ, 2012. – 198 с.
6. Синнот Э. Морфогенез растений. – М.: Изд-во иностранной литературы, 1963. – 603 с.
7. Шевелев И.Ш., Марутаев М.А., Шмелев И П. Золотое сечение: Три взгляда на природу гармонии. – М.: Стройиздат, 1970. – 352 с.
8. Шевелев И.Ш. Принципы пропорции: О формообразовании в природе. – М.: Стройиздат, 1986. – 200 с.
9. Шевелев И.Ш. Метаязык живой природы. – М.: Воскресенье, 2000. – 352 с.
10. Шевелев И.Ш. Золотое пространство, основы гармонии. – М.: Промдизайн, 2005. – 58 с.
11. Чернов Н.Н. Биотектоника – методологическая основа изучения форм в живой природе. – Екатеринбург: УГЛТУ, 2012. – 135 с.

Цель настоящей работы – ввести исследователей лесов в мир закономерностей, основанных на фундаментальных свойствах организации живой материи и показать пути перевода исследований с господствующих в лесоведении эмпирических методов познания (наблюдения, измерения и эксперимента) на уровень объективно существующих природных закономерностей. Решение методологических вопросов, связанных с переводом научного лесоведения на новый методологический уровень, позволит кардинально повысить их научную эффективность.

Биотектоника как методология базируется на известных положениях архитектоники. Перед лесами как специфическими архитектурными и лесоводственными объектами, наряду с использованием симметрии, пропорций и визуального восприятия, составляющих основу искусства, ставятся не менее важные задачи повышения продуктивности и улучшения состояния лесов, выполняющих разнообразные народно-хозяйственные, социальные и экологические функции.

Первоочередной задачей применения основных положений биотектоники в лесном деле является обоснование возможностей их использования при разработке методических основ и методик исследования строения насаждений и древостоев, их изменений в процессе возрастной динамики в различных условиях произрастания; при этом важно использовать предложения, которые наиболее полно отвечают целевым установкам выращивания лесов и формирования лесных объектов.

Проводимые в настоящее время в лесоведении эмпирические исследования отличаются разнообразием методических подходов, сложностью в систематизации материалов и отсутствием математических моделей, что не способствует преодолению неизбежных затруднений в разработке теоретических вопросов формирования древостоев, одной из основных задач теоретического лесоведения и практического лесоводства. В связи с чем, возникла необходимость перевода лесоведческих исследований на принципиально иную, научно обоснованную, методологическую основу − биотектонику.

Методология научного познания включает: научные методы и их классификацию, структуру методологии, уровни научного познания и его формы [5]. Конечной целью научного исследования является составление математической модели изучаемого объекта, явления. В данной работе поставлена задача поиска путей составления математических моделей биологических объектов, на примере строения и роста дерева и древостоя. У древесных растений, в отличие от других организмов растительного происхождения, наиболее полно сформировались и закрепились в наследстве приспособительные механизмы к неблагоприятному влиянию условий среды, обеспечивающие им достаточно комфортные условия роста в онтогенезе. Традиционный подход к изучению дерева с его сложной структурой, обладающего способностью к росту, не позволял до сих пор решить эту задачу; обширные массивы материалов, полученные многими поколениями лесоведов, при проведении ими исследований на эмпирическом уровне, не позволили приблизиться к ее решению. Нужен был иной взгляд на изучаемый объект – дерево, и явление – рост дерева, принципиально отличающийся от традиционного взгляда. Таким, предлагаемым впервые, альтернативным подходом послужило изучение дерева, как высоко организованной живой материи, с использованием известных науке свойств и законов ее существования и организации. При реализации такого методологического подхода с привлечением отечественных и переводных зарубежных литературных источников появилась возможность определить пути составления математической модели роста дерева, а затем и математической модели роста древостоя.

Лесоведение как интегральная наука, объединяющая биологию леса и его абиотическую составляющую, включает в себя, в отличие от архитектоники, рост и непрерывное взаимодействие биологических объектов леса со средой, что определяет биотектонику как методологию лесоведения, и ее раздел дендротектонику как методологическую основу изучения роста, строения и продуктивности лесной древесной растительности.

Лесные древостои и насаждения как объекты архитектуры, формирующиеся в результате сотворчества природы и человека, отличаются от объектов архитектоники, рядом особенностей, в частности:

  • более высоким уровнем формирования структуры объектов в связи с несравненно более широким разнообразием составных частей и элементов, взаимодействующих друг с другом;
  • более высокой сложностью природных систем и размещения в пространстве их составных частей, связанной с более широким разнообразием последних и естественным стремлением к более полному и рациональному использованию пространства;
  • развитием строения объектов в динамике при воздействии генотипа и многочисленных экзогенных факторов;
  • возможностью применения мероприятий по улучшению структуры и строения объектов в процессе их формирования и по повышению их лесоводственной и эстетической ценности;
  • несравненно более широким разнообразием цветовой гаммы объектов и её изменениями во времени и пространстве;
  • выполнением объектами экологических функций;
  • возможностью применения широкого спектра методов исследования объектов и совершенствования этих методов [11].

При исследовании лесов наиболее целесообразно и доступно применение закономерностей дендротектоники при изучении морфогенеза древесных растений.

Основными формами существования материи является пространство и время, а основными способами организации материи – структурирование ее в пропорции золотого сечения и движение (понимаемое как любое изменение вообще) преимущественно в виде спирали. Выделяют псевдоспирали (логарифмическая) и алгебраические (архимедова, гиперболическая, параболическая) спирали. Основной формой организации жизни является логарифмическая спираль; алгебраические спирали в живой природе встречаются редко.

Основные понятия биотектоники: системный подход, методология, закономерности строения, соотношение, пропорция, божественная пропорция, Золотое сечения, ряды чисел Фибоначчи и Люка, симметрия, подобие, взаимосвязанность форм, пространство, движение, спиральное вращение, логарифмическая спираль, Золотые динамические прямоугольники, Золотая спираль, основной закон роста (Закон спирально-логарифмического кумулятивного роста).

Из большого числа свойств биотектоники наибольшее значение в процессе формообразования древесных растений имеют золотое сечение (в скрытом виде определяющее основную пропорцию роста), тип симметрии, а также дифференцировка [2, 3, 6].

Золотое сечение является основой организации материи на всех уровнях, основной пропорцией (соотношением величин) как в неживой, так и в живой природе. Тем не менее, золотое сечение не довлеет над другими пропорциями, а присутствует вместе с ними [7, 9, 10].

Золотое сечение (число Ф) представляет собой в живой природе фундаментальную константу формообразования как явную так и не явную, глубоко скрытую от поверхностных наблюдений. Скрытое, неявное золотое сечение обеспечивает гармонию роста биологических объектов. В ряду золотого сечения Ф закодирована генетика. В числе (логарифмическая спираль) закодированы элементарные основополагающие формы живой природы [8]. Явное, открытое золотое сечение обеспечивает формирование внешнего облика объектов (включая деревья, древостои, лесные и парковые насаждения) в статике, неизменно вызывающего чувство гармонии и красоты (Божко,1991).

Золотое сечение присутствует в распределении Лапласа-Гаусса – основном распределении случайных величин (рис. 1) как отношение величины срединной ординаты к величине ординат, восстановленных от точек перегиба кривой распределения до значений точек – ϭ и + ϭ на оси абцисс. Таким образом, беспредельный мир вероятностно-стохастических величин связан с глобальными свойствами живой материи, лежащими в основе Закона спиарльно-логарифмического кумулятивного роста (золотой спирали).

Рис. 1. Кривая нормального распределения Лапласа-Гаусса

Золотое сечение является пропорцией бесконечного ряда чисел Фибоначчи, который получают аддитивным сложением соседних чисел (точное значение золотого сечения начинается с 15 действия):

|ряд чисел Фибоначчи

и т д.76, 47, 29, 18, 11, 7, 4, 3, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55 и т.д.

|ряд чисел Люка.

Аналогичными свойствами обладает и ряд чисел Люка. Уникальность рядов Фибоначчи и Люка заключается в их аддитивности, а фундаментальность – в их мультипликативности в пропорции золотого сечения Ф. Понятие аддитивности означает, что целое структурно, а понятие мультипликативности – на все части структурно организованного целого распространяется одна и та же закономерность роста (пропорция). В едином организме все части растут по одному закону [8]. Это фундаментальное свойство рядов чисел Фибоначчи и Люка является основой устройства их генетического аппарата и организации жизни биологических существ.

Спиралевидное строение генетического аппарата сопровождается спиралевидным строением генеративных и вегетативных (филлотаксис) органов древесных растений.

Ускоряющиеся темпы роста массы организма (кумулятивный рост) отражает логарифмическая спираль: чем больше становится живое существо, тем быстрее увеличивается его масса. Логарифмическая спираль – это плоская трансцендентная кривая, пересекающая все радиус-векторы под одним и тем же углом μ. Золотая логарифмическая спираль строится в системе золотых прямоугольников путем проведения дуг в квадратах с использованием радиусов, равных сторонам квадратов (рис. 2).

Рис. 2. Построение золотая спираль

Она является геометрическим выражением Закона спирально-логарифмического кумулятивного роста [4]. Алгебраическое выражение золотой спирали: Ρ = ae.

Закон является важнейшим инструментом исследования динамики роста древесных растений (входящих в состав древостоя, подроста и подлеска).

Применение дендротектоники в исследовании лесов имеет перспективу в следующих направлениях [11]:

  1. обоснование дендротектоники как методологической основы исследования лесов;
  2. составление математической модели роста дерева;
  3. разработка математических методов аппроксимации роста дерева золотой спиралью;
  4. обоснование соответствия роста дерева основному закону роста - Закону спирально-логарифмического кумулятивного роста (золотой спирали);
  5. составление математической модели роста древостоя;
  6. выявление особенностей действия и сопряженного взаимодействия экзогенных и эндогенных факторов на динамику роста деревьев в древостое, включая достижение ее соответствия золотой спирали;
  7. выявление степени влияния экзогенных и эндогенных факторов, препятствующих достижению наиболее полного соответствия золотой спирали динамики роста деревьев в древостое;
  8. адаптация разработанных лесными таксаторами методик исследований к установленным закономерностям золотой спирали.

Составление математической модели роста дерева позволяет перейти к составлению математической модели роста древостоя (а также подроста и подлеска) как совокупности математических моделей роста деревьев; использование интегрального исчисления позволяет осуществить переход от характеристик роста дерева к его характеристике в статике на любом временном отрезке.

Составление математических моделей роста дерева и роста древостоя не означает сокращения интенсивности применения традиционных методов исследований лесных объектов и явлений, таких как лесная таксация и вариационная статистика, так как традиционные и вновь предлагаемые к разработке на тектонической основе методы дополняют друг друга в научной оценке живых объектов и явлений при их интегральной характеристике.

Лесная таксация является эмпирическим разделом лесоведения, осуществляющим методическое, математическое и информационное обеспечение исследований, проводимых на уровне наблюдения и эксперимента. При этом лесная таксация включает фрагменты математических закономерностей, разработанных специалистами на эмпирическом уровне, которые могут быть использованы как для реализации научных разработок в практике лесного хозяйства, так и для обоснования вопросов лесоводства и совершенствования методов таксации. Материалы исследований закономерностей роста, полученные с использованием методов лесной таксации, должны быть использованы путем их аппроксимации Законом спирально-логарифмического кумулятивного роста.

Неотъемлемой составной частью лесоведческих исследований является вероятностно-стохастическое моделирование (практическим приложением его служит вариационная статистика), призванное математически обоснованно оценивать изменчивость случайных величин, преобладающих в лесных сообществах. Древостой представляет собой совокупность деревьев, являющуюся основным объектом статистического анализа в лесоведении. Статистический анализ древостоя является основой для его характеристики в статике.

Дендротектоническое моделирование и вероятностно-стохастическое моделирование не противоречат один другому, а дополняют друг друга. Закономерности, составляющие основу дендротектоники, обеспечивают формирование гармонии роста каждого дерева, входящего в состав древостоя, и принимают участие в формировании гармонии роста древостоя. Закономерности вероятностно-стохастического моделирования не определяют формирование гармонии роста дерева и древостоя, а лишь фиксируют гармонию древостоя в статике, сформированную с использованием закономерностей дендротектоники на основе скрытого (неявного) золотого сечения. Отмеченные свойства названных выше способов моделирования свидетельствуют о целесообразности их одновременного использования в изучении динамичных и статичных форм древостоев.

Открытое (явное) золотое сечение принимает участие в формировании гармонии внешних статичных форм основных компонентов леса – объектов дерева, древостоя, насаждения; вместе с участием скрытого (неявного) золотого сечения, симметрии и других свойств и закономерностей дендротектоники; оно принимает участие в формировании гармонии роста дерева, древостоя и насаждения и их внешнего вида в динамике, что находит выражение в дизайне; последний, в свою очередь, является одним из понятий эстетики лесного ландшафта. Дендротектоника, таким образом, является методологической основой этого направления.

В заключение целесообразно определить пять уровней методического обеспечения лесоведения:

Философские методы:

1. Системный анализ (всеобщий метод науки).

2. Биотектоника (методология лесоведения).

Специальные методы:

3. Методические основы лесоведения.

4. Методические основы раздела лесоведения (биогеоценоз, естественное, искусственное возобновление, формирование леса, лесная типология и др.).

5. Методики раздела лесоведения.

Приведенная классификация уровней методического обеспечения лесоведения позволяет более точно определить перспективные направления методических разработок этой сложной интегральной науки.

Рецензенты:

Соловьев В.М., д.б.н., заслуженный профессор кафедры лесной таксации и лесоустройства Института леса и природопользования, г. Екатеринбург.

АткинаЛ.И., д.с.-х.н., профессор, заведующая кафедрой ландшафтного строительства Института леса и природопользования, г. Екатеринбург.


Библиографическая ссылка

Чернов Н.Н. БИОТЕКТОНИКА МЕТОДОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНОВА ИЗУЧЕНИЯ РОСТА ДРЕВОСТОЯ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 4. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=14201 (дата обращения: 17.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074