Математики научились предсказывать катастрофы в биосистемах

Поведение сложных био- и экологических систем предсказать практически невозможно. Но, тем не менее, обладая даже небольшим набором сведений о системе, можно предвидеть катастрофы и крупные катаклизмы в ней, о чем говорят две недавние статьи в Nature и PLoS Computational Biology, Наиболее прямым способом предсказания поведения систем является построение детальных моделей - метод "грубой силы". Но зачастую ученые не обладают ни нужным набором сведений, ни достаточными вычислительными мощностями.

В последнее время стали появляться математические методы, которые позволяют делать предсказания без необходимости детального описания системы.

Один из примеров - недавняя работа немецких ученых Стивена Лейда и Тило Гросса. Они разработали математические методы - "обобщенную" модель - которые позволяют заблаговременно предвидеть катаклизмы. Объект для изучения они выбрали нетривиальный - рыбное хозяйство. Входными данными служили количество улова каждого вида и то, чем данный вид питается. По этим данным ученые научились выделять сигнал тревоги, говорящий о том, что система находится на гране катастрофы еще до заметных ее проявлений.

Но, пожалуй, более наглядная и любопытная работа - статья в Nature победителя "голландской нобелевской премии" эколога и специалиста по "переломным моментам" Мартина Шеффера. Эта работа подтвердила универсальность давно известного правила: перед бурей всегда бывает затишье, даже если это буря - в микромире.

Вместе с коллегами он изучал поведение миниатюрных лабораторных экосистем, населенных только цианобактериями. Освещение и температура в этих маленьких мирах поддерживалась постоянной. При достаточном количестве бактерий все было хорошо: клетки заслоняли друг друга так, что никому не доставалось слишком много света (при его переизбытке клетка погибает), при этом не было и его недостатка. Понемногу ученые изымали часть бактерий из среды, что приводило к временному нарушению равновесия с последующим его восстановлением. В критический момент наступал перелом, и система теряла способность вернуться в прежнее состояние: бактерий было слишком мало, они получали слишком много света и все погибали. Оказалось, что скорость восстановления равновесия постепенно снижалась при приближении к катастрофе. Также значительно снижалась изменчивость многочисленных параметров, которые вдалеке от точки невозврата - флуктуируют, а вблизи - "замолкают". Такие же эффекты группа Шеффера обнаружила и в более масштабных экосистемах - озерах.

Источник: CNews R&D