Новая матмодель поможет предсказать вымирание видов в результате глобального потепления
Российские учёные предложили математическую модель, описывающую сложные взаимодействия между климатом и отдельными экосистемами. Она включает уравнения энергобаланса, учитывающие изменения температуры, модели конкуренции и миграции живых существ. На основании предсказаний модели авторы выдвинули гипотезу о том, что изменения климата приводили и будут приводить к разбиению экосистем на более мелкие и неустойчивые, в том числе стремящиеся к полному исчезновению. Результаты опубликованы в журнале Applied Mathematical Modelling.
Климат постоянно менялся и продолжает меняться, однако раньше это было обусловлено в основном природными факторами. С началом индустриализации появился новый «игрок» — человек, и именно его деятельностью обусловлено глобальное потепление, продолжающееся более полутора веков. В результате меняются привычные для живых организмов местообитания, сельское хозяйство захватывает новые территории — всё это поставило почти миллион видов животных и растений под угрозу вымирания.
Учёные стараются разработать математические модели, которые смогли бы предсказать, как изменение климата повлияет на ту или иную экосистему и на конкретных живых существ: будут ли они переселяться в поисках более комфортного места, начнут конкурировать, приспособятся или погибнут. В результате можно будет предпринять меры по их сохранению ещё до того, когда это окажется слишком трудно и даже невозможно. Экосистемы состоят из многих компонентов, и их изменение во времени зависит от множества факторов, поэтому создать точную модель очень сложно.
Исследователи из ООО «Центр научных исследований и разработок» (Великий Новгород), Института проблем машиностроения РАН (Санкт-Петербург) и Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова (Санкт-Петербург) вместе с коллегами из Великобритании предложили математическую модель, описывающую нелинейные взаимодействия климатической системы с биосферой. Модель авторов объединяет три других модели. Первая описывает энергетический баланс Земли: получение тепла от Солнца, отражение части излучения и его миграцию по поверхности планеты, среднюю температуру. Вторая позволяет учесть изменения ареалов биологических видов, а третья — конкуренцию последних за ресурсы (эта модель ранее была предложена для растений и планктона в океане).
В результате удалось составить уравнения, с помощью которых можно описать, как климат влияет на биоразнообразие и изменение границ местообитаний. Специалисты сосредоточились на изменении средней температуры и рассмотрели две ситуации. Если климат меняется с той же скоростью, с какой адаптируются виды, или медленнее, то миграция организмов и движение границ экосистем тоже довольно медленны. Если же климат меняется слишком быстро, то даже такая крупная и, казалось бы, стабильная экосистема, как тайга или смешанный лес, может распасться на более мелкие и несбалансированные, а затем исчезнуть вовсе.
Свою теорию авторы проверили на реальном случае — постепенном исчезновении растительных экосистем Европы 16—4 млн лет назад, когда началось похолодание. На основе работ коллег-палеоботаников и палеогеографов они воспроизвели видовое разнообразие и погодные условия тех времён и смогли математически объяснить, как вымерли целые леса.
«С одной стороны, наша теория позволит точнее моделировать климат и экосистемы прошлого, поскольку ископаемые данные часто противоречивы и недостаточны. С другой стороны, она важна и для современного мира: с её помощью мы сможем прогнозировать скорость сокращения ареалов растительных биомов», — рассказывает один из авторов работы Сергей Вакуленко, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ООО «ЦНИР» и Института проблем машиноведения РАН.