Математическая модель предсказывает колебания численности планктона

Ученые из Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН предложили новое решение задачи, которая долгое время оставалась слишком сложной для исследователей — создать метод прогнозирования численности планктона в водоемах. Результаты работы опубликованы в сборнике «Advanced Mathematical Methods in Biosciences and Applications», кратко о них сообщила пресс-служба ИТЭБ РАН.

Планктон, служащий пищей для рыб, птиц и многих других организмов, играет значительную роль в водных экосистемах, поэтому определение его численности представляет большой не только теоретический, но и практический интерес. В лабораторных экспериментах на ограниченном числе видов, например, когда в аквариуме живет один вид рачков и один вид водорослей, служащих им пищей, колебания численности описываются достаточно простыми графиками, но в живой природе, когда каждый вид связан с несколькими другими — как хищниками, так и жертвами, — задача значительно усложняется. Ученые часто приводят аналогию с физикой, где задача о движении двух тел под действием силы тяготения решается просто, а когда взаимодействующих тел становится больше трех, задача уже не имеет общего решения. Математическое описание сообществ планктона и построение моделей, способных предсказать количество определенного вида, — весьма сложная задача. В феврале 2008 года в журнале Nature был описан примечательный эксперимент с планктонными организмами, длившийся 2300 дней. Как оказалось, модели, которые предлагаются для описания планктонных сообществ, дают хорошие предсказания лишь на срок 15–30 дней.

Ученые ИТЭБ РАН предложили решать эту задачу не с помощью сложных формул с неизвестными, а опираясь на метод анализа данных временных рядов, полученных в результате мониторинга озер Белоруссии. Заведующий лабораторией возбудимых сред ИТЭБ РАН Александр Медвинский так описывает эту работу: «У нас есть большой опыт взаимодействия с белорусскими коллегами, которые с начала 50-х годов прошлого века ведут скрупулезный мониторинг Нарочанских озер. Они предоставили нам график изменений различных параметров в этих озерах в разные временные периоды. Мы написали уравнение, в котором неизмеряемые зависимости представили не в виде формул, а в виде графика изменений во времени. Например, зафиксированная в результате мониторинга скорость роста фитопланктона без воздействия со стороны зоопланктона, или изменения содержания в воде фосфора, азота, температуры воды и прочих факторов. Потом сравнили полученные временные ряды и посмотрели, насколько они связаны, какие из этих факторов важны. В результате мы получили теоретические оценки численности колебаний фитопланктона и затем сравнили их с колебаниями тех факторов, которые измеряются в процессе мониторинга, таких как температура и колебания концентраций биогенных элементов (например, азота и фосфора). То есть параметры просчитать невозможно, а временные ряды — да. Каждый ряд несет в себе воздействие всех факторов. Можно не заморачиваться, какие это были воздействия».

Источник: polit.ru