Вариационное моделирование в экологии сообществ

Одна из важнейших задач количественной экологии сообществ – научиться рассчитывать численность каждой из входящих в сообщество популяций организмов как функцию доступных ресурсов среды. Ее решение позволит управлять структурой сообщества с помощью внешних факторов – изменять видовой состав и доминирование видов, целенаправленно увеличивать или уменьшать численности выбранных групп организмов. Интерес к подобным прикладным задачам связан с тем, что параметры биологических процессов, урожай продуцируемых веществ сильно зависят от доли, которая в биомассе сообщества приходится на те или иные виды организмов.

Как показали исследования, опирающиеся на различные экспериментальные данные, успешно решать задачи управления составом сообществ микроорганизмов можно с помощью вариационной модели потребления и роста.

Предлагаемый подход справедлив для следующих объектов и условий. Сообщество микроорганизмов, состоящее из одной или нескольких групп клеток, помещают в замкнутую среду, содержащую различные компоненты питания, необходимые для его развития. Считается, что ресурсы не могут заменить друг друга, так как выполняют различные функции по отношению к росту. При таком росте сообщество развивается до наступления стационарной фазы. Продолжение культивирования приводит после некоторого времени пребывания в стационарной фазе к естественной деградации сообщества (фаза отмирания).

Модель позволяет по известным потребностям физиологически различающихся групп организмов рассчитывать области лимитирования для любых сочетаний ресурсных факторов в среде и численности популяций сообщества на стационарной стадии роста как функции лимитирующих рост ресурсов. Стационарное состояние сообщества микроорганизмов описывается решением задачи на условный экстремум.

При соответствующих значениях потребностей, варьируя соотношение питательных веществ в среде, на стационарной стадии роста можно получать различные распределения видов по рангам (от наименее до наиболее многочисленного).
N/P – отношение начального содержания в среде азота к фосфору.
p_i – относительные численности видов в сообществе (i =1,…,4).

По результатам лабораторных экспериментов смену доминирующего вида можно проследить на примере культивирования двух видов из порядка протококковых Ankistrodesmus falcatus (2) и Scenedesmus quadricauda (1).
N/P – отношение начального содержания в среде азота к фосфору. На оси ординат – доля каждого вида в сообществе (проценты).

По теме работают: к.ф.-м.н. Полина Викторовна Фурсова в сотрудничестве с кафедрой общей экологии (д.б.н. Александр Петрович Левич).

Сектор информатики и биофизики сложных систем