Введение к работе
Актуальность работы. Актуальность моделирования экосистем связана с необходимостью оценивать последствия антропогенного влияния на природные экосистемы и биосферу в целом, а так же с разработкой способов восстановления экосистем разрушенных в результате такого влияния. Другой актуальной задачей математического моделирования в экологии является проектирование замкнутых экологических систем жизнеобеспечения (ЗЭСЖО). Однако традиционные модели экосистем демонстрируют ряд свойств, которые противоречат закономерностям, наблюдаемым в природных экосистемах. Поскольку эти противоречия возникают в рамках модельных представлений, имеющих определенные основания, то можно говорить о парадоксах математического моделирования экосистем:
1) Согласно традиционным моделям экосистем число стационарно сосуществующих на одном трофическом уровне видов ограничено числом доступных плотностнозависимых контролирующих рост факторов (ПКРФ). С другой стороны во многих природных экосистемах количество сосуществующих видов многократно превышает число наблюдаемых ПКРФ. В современной экологии данный парадокс известен как парадокс планктона или парадокс Хатчитсона.
2) В рамках классических моделей устойчивость экосистем падает с ростом биоразнообразия. Однако, в природных экосистемах типичной является положительная корреляция устойчивости и биоразнообразия. Рабочее название этого парадокса – "парадокс Мэя".
3) В классических моделях замыкание экосистемы более чем по одному биогенному элементу в общем случае невозможно. В то же время многие природные экосистемы и биосфера в целом обладают высокой степенью замкнутости по нескольким биогенным элементам. Рабочее название этого парадокса - "парадокс замыкания".
Наличие таких парадоксов ставит под сомнение саму пригодность традиционных моделей для описания сколько-нибудь сложных и/или замкнутых экосистем. Требуется создание математических моделей, построенных на основе единого принципа или подхода и способных снять вышеперечисленные парадоксы. В работе выдвинута гипотеза об общей причине вышеупомянутых парадоксов традиционных моделей – предположение о потреблении организмами питательных субстратов в жестко-заданной пропорции. В дальнейшем будем называть такие модели моделями с жестким метаболизмом. В свою очередь модели учитывающие способность организмов изменять пропорцию между потребляемыми нутриентами можно назвать моделями с гибким метаболизмом.
Цель работы. Проверка гипотезы, что переход к математическим моделям, учитывающим способность организмов изменять соотношение потребляемых нутриентов, снимает парадоксы Хатчитсона (планктона), Мэя и парадокса замыкания в рамках единого подхода.
Задачи исследования.
-
Установить зависимость устойчивости моделей замкнутых экосистем от вида использованных функций правых частей уравнений модели.
-
Проверить гипотезу о том, что использование моделей с гибким метаболизмом позволит устранить парадокс планктона и противоречащее существующим данным падение устойчивости моделей с ростом числа описываемых видов.
-
Проверить возможность устойчивого существования экосистем замкнутых по нескольким биогенным элементам в рамках модели гибкого метаболизма.
Положение, выносимое на защиту:
Переход к приближению гибкого метаболизма в моделях экосистем позволяет объяснить парадоксы, возникающие в рамках приближения жесткого метаболизма: парадокс планктона, положительную корреляцию устойчивости с биоразнообразием, невозможность замыкания традиционных моделей экосистем по нескольким элементам.
Научная новизна. С помощью численного построения параметрических портретов показано, что переход к моделям с гибким метаболизмом снимает парадоксы Хатчитсона и Мэя в стационарном случае. Показано что модель гибкого метаболизма снимает парадокс замыкания, т.е. обеспечивает необходимые условия для существования стационарного состояния экосистем замкнутых по нескольким биогенным элементам. Разработан метод модификации моделей экосистем увеличивающий размер области устойчивых решений в пространстве параметров модели.
Практическая значимость работы. Разработанный подход к моделированию позволяет с единой точки зрения объяснить ряд свойств экосистем в общем случае необъяснимых в рамках традиционных моделей: связь устойчивости с биоразнообразием, парадокс планктона, замыкание экосистем по нескольким биогенным элементам. Тем самым предложенный подход позволяет добиться более адекватного описания экологических систем по сравнению с традиционными моделями.
Полученные результаты могут стать основой для моделирования замкнутых экосистем как в рамках задачи предсказания поведения природных экосистем и биосферы в целом, так и при проектировании ЗЭСЖО.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 статьи в реферируемых журналах и 3 тезиса докладов.
Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены на Конференции молодых ученых ИБФ СО РАН (Красноярск, 2010 г.); Конференции молодых ученых при КНЦ СО РАН (Красноярск 2010 г.); Международном географическом симпозиуме GEOMED-2010 (Кемер, 2010 г.); Ассамблее COSPAR-2010 (Бремен 2010); Конференции «Сложные системы в экстремальных условиях» (Красноярск 2010 г.); Конференции ЭКОМАТМОД-2011 (Пущино 2011 г.).
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, заключения и списка литературы. Материал диссертации изложен на 113 страницах машинописного текста, включая 26 рисунков и список литературы из 79 наименований.
