Математики навчилися передбачати катастрофи в біосистемах

Поведінку складних біо- та екологічних систем передбачити практично неможливо. Проте, володіючи навіть невеликим набором відомостей про систему, можна передбачати катастрофи і масштабні катаклізми в ній, про що свідчать дві статті, опубліковані в Nature і PLoS Computational Biology. Найбільш прямим способом передбачення поведінки систем є побудова детальних моделей – метод «грубої сили». Але частенько вчені не володіють ні потрібним набором відомостей, ні достатніми обчислювальними потужностями.

Німецькі вчені Стівен Лейд і Тіло Гросс розробили математичні методи, які дозволяють завчасно передбачати катаклізми. Об'єкт для вивчення – рибне господарство. Вхідними даними служили кількість улову кожного виду і те, чим цей вид харчується. За цими даними вчені навчилися виділяти сигнал тривоги, який свідчить про те, що система знаходиться на межі катастрофи ще до помітних її проявів.

У журналі Nature опублікована стаття переможця «голландської нобелівської премії» еколога Мартіна Шеффера. Разом із колегами він вивчав поведінку мініатюрних лабораторних екосистем, населених лише ціанобактеріями. Освітлення і температуру в цих маленьких світах підтримували постійну. За достатньої кількості бактерій все було добре: клітини затуляли одна одну так, що нікому не діставалося дуже багато світла (при його надлишку клітина гине). Помалу вчені вилучали частину бактерій з середовища, що призводило до тимчасового порушення рівноваги з подальшим її відновленням. У критичний момент наставав перелом, і система втрачала здатність повернутися до колишнього стану: бактерій було дуже мало, вони отримували забагато світла і всі гинули.

Виявилось, що швидкість відновлення рівноваги поступово знижувалася при наближенні до катастрофи. Також значно знижувалася мінливість багаточисельних параметрів, які віддалено від точки неповернення флуктуїрують, а поблизу – «замовкають». Такі ж ефекти група Шеффера виявила і в масштабніших екосистемах – озерах.

Можливо, що за схожими ознаками ми зможемо завчасно дізнатися про можливі катаклізми і в економіці.

За матеріалами: http://www.osvita.org.ua/