Введение к работе
Глава 1.
Актуальность темы
За последние десятилетия представления о биофизических механизмах пространственно-временных осцилляции биомассы наземных и водных популяций, синхронизации таких осцилляции и формировании неоднородных пространственных структур значительно расширились Однако присущая популяции динамика может претерпевать значительные изменения при внедрении на ареал ее обитания чужеродного вида Такое появление и натурализация новых, чужеродных видов, получило название биологической инвазии[1] По аналогии с биологической инвазией нами обсуждается понятие динамической инвазии, те появление и закрепление в динамике исследуемой популяции нового, не свойственного для нее ранее, характера изменений биомассы во времени К обострению проблем, связанных с возникновением инвазий, приводит интенсивная антропогенная деятельность Под ее воздействием меняются природные ландшафты, трансформируется видовой состав заселяющих их популяций, преднамеренно и случайно осуществляется перенос видов на новые территории, происходит интенсивное внедрение экзотических, генетически-модифицированных, видов с целью улучшения сельскохозяйственной производительности и внедрения методов биоконтроля Потенциальная угроза природному биоразнообразию, вопросы обоснованности применения современных методов биоконтроля наряду со слабой изученностью возможных последствий распространения новых видов среди уже существующих природных популяций обусловили актуальность изучения биофизических механизмов пространственно-временной динамики водных и агрономических экосистем под воздействием инвазии
Цель работы и основные задачи исследования
Основная цель работы - выявить биофизические механизмы, определяющие характерные особенности пространственно-временной динамики гетерогенных по пространству популяций (на примере агроэкосистем, включающих трансгенные растения), а также популяций в пространственно неоднородной среде обитания (на примере популяций гидробионтов) при внедрении чужеродных видов (биологическая инвазия) или чужеродных динамических режимов (динамическая инвазия) С целью выявления базисных механизмов динамики таких экосистем в работе использованы известные из литературы концептуальные математические модели, а также развиты оригинальные модели Такие модели учитывают базисные закономерности функционирования пространственно гетерогенных экосистем, а
Алимов А Ф, Богуцкая Н Г (ред) Биологические инвазии в водных и наземных экосистемах 2004 М, С -П Тов науч изд КМК
именно основные трофические взаимодействия между видами и перенос биомассы в пространстве
Для достижения указанной выше цели в работе были поставлены и решались следующие задачи
Провести анализ известных из литературы данных о подходах к исследованию динамики пространственно распределенных популяций, о механизмах возникновения хаоса в динамике экосистем, последствиях процессов инвазии, проанализировать основные особенности функционирования водных экосистем и сельскохозяйственных экосистем, включающих генетически модифицированные инсектицидные Bt-растения
Опираясь на известные из литературы данные наблюдений, выбрать концептуальную математическую модель пространственно-временной динамики агроэкосистемы, включающей трансгенные Bt-растения, а также - модифицировать известные или разработать новые концептуальные модели пространственно-временной динамики водных экосистем, которые бы позволили осуществить учет пространственных эффектов, связанных с переносом биомассы и/или гетерогенностью среды обитания организмов
С помощью математических моделей исследовать динамические режимы, возникающие при функционировании указанных выше экосистем в условиях биологической инвазии и динамической инвазии, а также - взаимосвязь этих динамических режимов с пространственными распределениями биомассы популяций
Научная новизна
В работе представлены следующие новые результаты
Показано, что в условиях биологической инвазии может иметь место взаимосвязь характера изменений биомассы популяций во времени и степени неоднородности распределений биомассы в пространстве
Показано, что биологическая инвазия может инициировать сосуществование различных аттракторов, характеризующих изменения биомассы популяций во времени
Показано, что динамическая инвазия хаоса может быть пространственно ограничена Показано, что в основе этого явления лежит инвариантность размера аттрактора при трансформации типа популяционной динамики, те при динамической инвазии, обусловленной переносом биомассы между отдельными биотопами Установлено также, что инвазия хаоса может вызывать изменение границ кластеров синхронизации динамики популяций
Построена оригинальная модель динамики водного сообщества оз Сямозеро Получены данные в пользу того, что инвазия промежуточного хищника в экосистеме, прообразом которой является сообщество оз Сямозеро, может приводить к хаотизации популяционной динамики Кроме того, показано, что
устойчивое функционирование такой экосистемы после биологической инвазии может иметь место только при отсутствии конкуренции между популяцией вселенца (промежуточного хищника) и популяцией жертвы за общий питательный ресурс
5 Выявлены условия, при которых оказывается неэффективной широко применяемая в сельскохозяйственной практике многих стран стратегия «высокая доза - убежище», направленная на понижение вероятности появления насекомых-вредителей, устойчивых к токсинам, которые продуцируются генетически трансформированными (трансгенными) растениями
Научно-практическое значение работы
Полученные в работе результаты могут быть полезны для интерпретации данных мониторинга сельскохозяйственных и водных экосистем Разработанное в ходе выполнения работы программное обеспечение может быть использовано для исследования динамики сельскохозяйственных и водных экосистем
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на семинарах Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, биологического факультета Московского государственного университета, университета Оснабрюка, а также были представлены на ряде конференций Chaos Theory Research and Applications m Behavioral, Social and Life Sciences (Orange, 2007), Joint Annual Meetings of the Society for Mathematical Biology and The Japanese Society for Mathematical Biology (San Jose, 2007), Сучасні проблеми науки та освіти (Харків, 2007), «Математика Компьютер Образование» (Пушино, 2007, Дубна, 2006), «Экономика Информатика» (Ростов на Дону, 2006), Fifth European Conference on Ecological Modelling (Pushchmo, 2005), European Conference on Mathematical and Theoretical Biology (Dresden, 2005), III Съезд биофизиков России (Воронеж, 2004), X и XI Международные научные школы молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пущино, 2006, Пущино 2005)
Публикации по теме диссертации
По результатам диссертационной работы опубликовано 30 печатных работ, в том числе 11 статей
Структура и объем диссертации
