Новая модель позволит предсказать вымирания видов при глобальном потеплении

Российские ученые предложили математическую теорию, описывающую сложные взаимодействия между климатом и отдельными экосистемами. Она сочетает уравнения энергобаланса, учитывающие изменения температуры, модели конкуренции и миграции живых существ. В результате авторы выдвинули гипотезу о том, что изменения климата приводили и будут приводить к разбиению экосистем на более маленькие и неустойчивые, которые могут и вовсе исчезнуть. Исследование, поддержанное грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликовано в журнале Applied Mathematical Modelling.

Климат нашей планеты 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 — все это поставило почти миллион видов животных и растений под угрозу вымирания.

Ученые 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 еще 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 наиболее 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 теорию, которая описывает 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 изменение ареала видов, а третья — их конкуренцию за ресурсы (эта классическая 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 климат начал холодать. На основе работ коллег-палеоботаников и палеогеографов они воспроизвели видовое разнообразие и погодные условия тех времен 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 ее 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.