Phân tích hệ thống, mô hình hóa và mô phỏng trong sinh thái học

    Một hệ có mục đích của nó hoặc có thể gán cho nó một mục đích. Điều này có nghĩa là vì lợi ích của các yếu tố và cấu trúc của hệ mà sự phát triển của những trạng thái nhất định thích hợp hơn sự phát triển của những trạng thái khác. Ví dụ: một hệ sinh thái rừng trồng phù hợp cho việc sản xuất gỗ chứ không phù hợp cho việc bảo tồn đa dạng sinh học.

    Mỗi hệ thống có giới hạn riêng của nó. Giới hạn này tách nó khỏi môi trường. Giới hạn này chỉ rõ ràng nếu không có sự trao đổi về vật chất, năng lượng hoặc thông tin với môi trường, hoặc nếu hệ thống là một thực thể vật lý chặt chẽ. Trong trường hợp các hệ sinh thái tự nhiên người ta phải xác định giới hạn hệ thống bằng cách tìm ra một bề mặt bao quanh hệ mà qua đó chỉ xảy ra những tương tác yếu với các đối tượng bao quanh, hoặc bằng cách xác định các yếu tố môi trường trên phương diện đầu vào của hệ thống – những gì hệ thống không thể hoặc chỉ kiểm soát được chút ít. Ví dụ giới hạn hệ thống của 1 cơ thể là bề mặt bên ngoài của nó, các trao đổi vật chất, năng lượng và thông tin (đầu vào và đầu ra) được thực hiện qua đó. Môi trường hệ thống của nó áp đặt những yếu tố ngoại vi lên hệ thống (nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, thức ăn,…) mà nó không hoặc chỉ kiểm soát được rất ít.

    Hệ thống có thuộc tính phân cấp. Thuyết phân cấp được Egler phát biểu năm 1942 (Egler, 1942). Thuyết phân cấp xem xét một hệ như một hợp phần của một hệ rộng hơn và về phần mình được cấu tạo từ những hệ con. Dịch chuyển từ một cấp này sang cấp khác của hệ thống, các đặc điểm của hiện tượng cũng thay đổi. Các lưu vực sông là những ví dụ của một hệ phân cấp. Một lưu vực sông bao gồm nhiều lưu vực phụ, mỗi lưu vực phụ lại bao gồm những lưu vực cấp nhỏ hơn. Tính phức hợp là một phần cơ sở của quan điểm phân cấp: càng nhiều các hợp phần được bao hàm trong một hệ thống, hệ thống càng trở nên phức tạp. Một hệ tồn tại không phụ thuộc vào các hợp phần của nó và nói chung là tự tổ chức, do đó nó có thể được coi như một tổ chức điều khiển. Trên thực thế, điều quan trọng khi xem xét tính phức hợp của một hệ là chọn quy mô không gian và thời gian tốt nhất trong đó các hiện tượng tương quan với nhau. Tính phức hợp của một hệ cần tách thành cấu trúc dọc và cấu trúc ngang.

Không phải tất cả các hệ thống đều phân cấp dọc,
nhưng trong một hệ phân cấp dọc
người ta có thể cô lập một lớp theo tần số quá trình. Mỗi lớp của hệ trao đổi thông tin với các lớp khác,
chắt lọc những thông điệp vượt qua ranh giới. Một tần số cao đặc trưng cho những
lớp thấp của hệ, những lớp cao hơn có những quá trình xảy ra với tần số thấp hơn. Cấu
trúc ngang của một hệ phân cấp cấu thành từ những hệ con (holon – tiếng Hy Lạp
để chỉ một cái gì đó vừa là toàn bộ lại vừa là một phần). Mỗi hệ con là một phần nhỏ của hệ con cấp cao hơn, nhưng bản thân lại có thể được xem như một
tập hợp của các hệ
con cấp thấp hơn. Ranh
giới của hệ
con có thể
nhìn thấy được và rõ ràng, như ranh giới của một lưu vực sông phụ, hoặc không rõ ràng, như sự phân bố của một quần thể.
Sự phân cấp cũng có thể được định nghĩa như hệ thống thông tin trong đó các hệ con với các
quá trình chậm ở
trên đỉnh và chúng tạo ra khung cảnh trong đó các hệ con của cấp thấp hơn có
các quá trình nhanh hơn.