Фурсова П.В., Левич А.П. Математическое моделирование в экологии сообществ - файл n1.doc

приобрести
Фурсова П.В., Левич А.П. Математическое моделирование в экологии сообществ
скачать (1378 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1378kb.14.09.2012 22:43скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8
Проблемы окружающей среды (обзорная информация ВИНИТИ), № 9, 2002.
© П.В.Фурсова, А.П.Левич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЭКОЛОГИИ СООБЩЕСТВ

Обзор литературы

П.В.Фурсова, А.П.Левич

Аннотация

Обзор литературы посвящен математическому моделированию в экологии сообществ, в частности, моделированию сообществ фитопланктона и бактериальных сообществ.

В первой части содержится информация об общих принципах и задачах моделирования. Кратко представлены классы моделей, основные этапы их построения, перечислены математические инструменты, привлекаемые на разных шагах моделирования.

Во второй части обзора представлены математические методы построения моделей: дифференциальные уравнения, вариацонное исчисление, клеточные автоматы, нейронный сети, "организменные" модели.

Третья часть посвящена подробному изучению моделей фитопланктонных и микробиологических сообществ, построенных с использованием дифференциальных уравнений. Приведены примеры типов уравнений, применяемых в данных моделях. Описана концепция лимитирующих факторов и способы ее математической формализации. Представлено моделирование конкуренции за ресурсы, в частности, моделирование совместного потребления ресурсов питания организмами одного трофического уровня. Как результат конкуренции особо рассматривается перестройка структуры фитопланктонного сообщества, а также вопрос о конкурентном исключении видов. Описана теория межвидовой "борьбы", в которой аналитическое исследование уравнений заменено графическим подходом. Упомянуто моделирование влияния миграции видов на устойчивость сообщества. Представлены модели, допускающие управление ростом и урожаем.

В четвертой части представлен обзор ряда экстремальных принципов, применяемых в биологии, и основанных на этих принципах методов вариационного моделирования. Особое внмание уделено экологическим приложениям к развитию “формализма Джейнса”, состоящего в условной оптимизации энтропийных целевых функций.

Обзор предназначен для специалистов по математическому моделированию, теории систем, для экологов и специалистов по охране природы. Обзор доступен аспирантам и студентам соответствующих специализаций.

Введение

Математическое моделирование в экологии сообществ – достаточно обширная область исследования и по выбору объектов моделирования, и по набору методов, и по спектру решаемых задач. Предлагаемый читателю обзор не претендует на охват всех аспектов моделирования. Внимание авторов обращено на два класса методов: моделирование с помощью дифференциальных уравнений и методы, основывающиеся на экстремальных принципах биологии. Если примеры вариационных моделей относятся к довольно широкому кругу растительных и животных сообществ, то для подходов, основанных на дифференциальных уравнениях, в виду обширности материала внимание сконцентрировано на моделировании сообществ микроорганизмов.

Модели каждого из методов, безусловно, обладают своими достоинствами и недостатками. Так, дифференциальные или разностные уравнения позволяют описывать динамику процессов в режиме реального времени, тогда как вариационные методы, как правило, предсказывают лишь конечное стационарное состояние сообщества. Но на пути имитаций с помощью уравнений возникают трудности как принципиального, так и технического характера. Принципиальная трудность состоит в том, что не существует систематических правил вывода самих уравнений. Процедуры их составления основываются на полуэмпирических закономерностях, правдоподобных рассуждениях, аналогиях и искусстве модельера. Технические трудности связаны с высокой размерностью задач по моделированию сообществ. Для существенно многовидовых сообществ, потребляющих многочисленные ресурсы, требуется подбор сотен коэффициентов и анализ систем из десятков уравнений. (Если изучается сообщество из w групп организмов, потребляющих m ресурсов, то соответствующая система дифференциальных уравнений должна содержать, по крайней мере, w + mw + m уравнений с 2w + 4mw параметрами, требующими идентификации.) Обычные приемы снижения числа переменных – их агрегирование или учет только доминирующих групп организмов – непригодны во многих задачах экологии. С течением времени существенную роль начинают играть редкие и малочисленные виды, которые, тем самым, следует включать в число переменных на начальных этапах моделирования. Агрегация переменных может нивелировать результаты управления функционированием сообществ. При работе с системами из десятков и более дифференциальных уравнений оказывается, что проследить причинные связи (для отладки, исключения ошибок, интерпретаций) в системе уравнений также сложно, как и в реальной экосистеме. В конце концов, оказывается, что мы не можем узнать, чему обязаны полученными результатами: реальному положению вещей, ошибкам в исходных данных, недочетам алгоритма или еще чему-либо. Модели, основанные на экстремальных принципах, как правило, преодолевают "проклятие размерности", но сохраняют произвол в выборе самих исходных принципов.

В обзоре для каждого из подходов приводится исходная формулировка модели и примеры ряда получаемых в модели биологически интерпретируемых результатов.

Авторы благодарны В.Л.Алексееву за ряд предложенных им материалов, включенных в обзор.

1. Общие принципы и задачи моделирования

В зависимости от цели моделирования, можно выделить два типа моделей: дескриптивные модели и модели поведения (Страшкраба, Гнаук, 1989).

Дескриптивная модель позволяет получить информацию о взаимосвязях между наиболее важными переменными экосистемы. Реализуется такой тип модели методами стохастического моделирования, основанного на инструментах теории вероятностей и математической статистики. Разделяют статические методы, не учитывающие время в качестве переменной (простая и множественная линейная и нелинейная корреляция и регрессия; дисперсионный, дискриминантный и факторный виды анализа, методы оценки параметров), и динамические методы, которые учитывают временную переменную (анализ Фурье, корреляционный и спектральный анализ, весовые и передаточные функции). В отечественной литературе подобные модели, представляющие собой регрессионные и другие эмпирически установленные количественные зависимости, не претендующие на раскрытие механизма описываемого процесса, получили название описательных (Ризниченко, Рубин, 1993).

Модели поведения описывают системы во время переходного периода от одного состояния к другому (Страшкраба, Гнаук, 1989). Для осуществления этой категории моделей изучают: 1) структуру сигналов на входе и выходе системы; 2) реакцию системы на особые проверочные сигналы; 3) внутреннюю структуру системы. Последний пункт реализуется аналитическим моделированием, в основе которого лежат дифференциальные уравнения, описывающие причинно-следственные связи в экосистеме. Первым этапом аналитического моделирования является формирование концепции модели и составление уравнений, описывающих поведение системы, при этом происходит упрощение реальности, которое, однако, не влияет на наиболее существенные свойства реальной системы. Затем идет параметризация, т.е. определение количественных значений параметров. Осуществление этой задачи возможно тремя способами: 1) получением предварительных оценок значений параметров на основе наблюдений; 2) нахождением комбинаций параметров, отвечающих моделируемой ситуации, базирующимся на методах оптимизации параметров; 3) оценкой роли параметров модели с помощью анализа чувствительности, целью которого является определение того, как модель реагирует на изменение значений параметров и, как следствие, того, насколько правильно оценены параметры. Следующий шаг аналитического моделирования – имитация, т.е. получение с помощью ЭВМ решения модельных уравнений при фиксированных значениях параметров и начальных условиях. И, наконец, испытание модели или, другими словами, сравнение ее выходных параметров с выходными данными системы. Различают два способа испытания: 1) проверка (качественное или количественное сравнение данных, полученных в результате моделирования, с действительными значениями); 2) проверка значимости модели (проведение экспериментов для изучения поведения модели и системы с целью обнаружения их сходства, а также для сравнения тенденций поведения модели и системы). Выделяется также адаптивное моделирование, при котором происходит автоматическая адаптация модели к системе с помощью ЭВМ.

Классификация математических моделей биологических продукционных процессов была предложена в книге Г.Ю.Ризниченко и А.Б.Рубина (1993). Различают три класса: 1) описательные модели; 2) качественные модели (выясняющие динамический механизм изучаемого процесса, способные воспроизвести наблюдаемые динамические эффекты в поведении системы); 3) имитационные модели конкретных сложных систем, учитывающие всю имеющуюся информацию об объекте (и позволяющие прогнозировать поведение систем или решать оптимизационные задачи их эксплуатации). Особое значение придается именно последнему классу моделей, поскольку он оказывается полезным для практических целей. Кратко можно выделить следующие основные этапы построения имитационной модели (Ризниченко, Рубин, 1993):

  1. формулирование основных интересующих исследователя вопросов о поведении сложной системы, задание вектора состояния системы и системного времени;

  2. декомпозиция системы на отдельные блоки, связанные, но относительно независимые; определение компонент вектора состояния каждого блока, которые должны преобразовываться в процессе функционирования;

  3. формулирование законов и гипотез, определяющих поведение отдельных блоков и их взаимосвязь; разработка программ, соответствующих отдельным блокам;

  4. верификация каждого блока при “замороженных” или линеаризованных информационных связях с другими блоками;

  5. объединение разработанных блоков, при этом исследуются различные схемы их взаимодействия;

  6. верификация имитационной модели в целом и проверка ее адекватности;

  7. планирование и проведение экспериментов с моделью, статистическая обработка результатов и пополнение информационного фонда для дальнейшей работы с моделью.

Однако практика показала, что попытки детального описания многокомпонентных систем приводит к проблеме “проклятия размерности”, когда практически невозможно корректное построение и идентификация математической модели из-за использования чрезмерно большого количества неточно определенных параметров по сравнению с имеющейся экспериментальной информацией (Алексеев и др., 1992). В такой ситуации необходимо упрощение модели, например, за счет отбрасывания блоков или функциональных связей с второстепенным значением, выделения наиболее важных составляющих, определения быстрых и медленных переменных и замены части из них постоянными величинами или параметрическими зависимостями.

2. Краткое представление методов, применяемых для построения моделей

2.1. Дифференциальные уравнения. Для описания экологических сообществ привлекают методы из самых разных областей математического знания. Самое широкое распространение получил подход, основывающийся на аппарате дифференциального исчисления. Дифференциальные уравнения позволяют описывать динамику численности (биомассы) каждой популяции, входящей в изучаемую систему. В общем виде можно записать зависимость

(2.1)

где w – число видов в сообществе, xi – численности i-го вида, t – время. Если сделать предположения о стационарности среды и изолированности сообщества (т.е. исчезнувший вид не может возникнуть вновь, а это значит, что ), то уравнения (2.1) можно записать в виде (Абросов, Ковров, 1977)



Дальнейшее теоретическое исследование в большинстве случаев проводится для конкретного вида функций .

2.2. Вариационное исчисление. Принципиально иным является метод моделирования, основанный на применении экстремальных принципов. Согласно им в реальности осуществляются лишь некоторые состояния системы, а именно, состояния с экстремальным значением числовой функции или функционала, называемых “целевой функцией”, которая определяет развитие природной системы. Широкое применение экстремальные принципы получили в физике, механике, термодинамике, экономике, теории управления. В биологии вопрос о “целевой функции” стал более популярен с распространением эволюционного мышления в противовес статическому видению мира (Wilhelm, Brьggemann, 2000). По Дарвину “выживает самый приспособленный”, но ответ на вопрос “Что является самым приспособленным?” требует адекватной “функции приспособленности”. Можно перечислить следующие предлагавшиеся целевые функции: максимальный поток энергии через систему (Lotka, 1922), максимум "силы" (Odum, Pinkerton, 1955), максимальное рассеяние энергии (Ulanowicz, Hannon, 1987; Schnieder, Kay, 1994; Mauersberger, 1996), запасание "максимальной эксергии" (Jшrgensen, 1997), асценденция (Ulanowicz, 1986), индекс зрелости (Pйrez-Espaсa, Arreguin-Sбnchez, 1999), максимизация косвенных эффектов (Patten, 1986; 1995), максимизация биомассы (Margalef, 1968), специальная иерархическая организация (O’Neill et al., 1986), максимум устойчивости органического вещества (Whittaker, Woodwell, 1971), максимизация обобщенной энтропии сообщества или его разнообразия (Левич, 1980), минимизация диссипации энергии и "наискорейший спуск" (А.И.Зотин, А.А.Зотин, 1999). Более подробное описание некоторых целевых функций, экстремальных принципов и их реализаций в математических моделях будет приведено в разделе 4.

2.3. Клеточные автоматы. В моделировании динамики растительного покрова успешно применяют теорию клеточных автоматов. Клеточные автоматы – динамические модели с дискретным временем, пространством и состояниями. Простой клеточный автомат определяется решеткой L, пространством состояний Q, шаблоном соседей ? и функцией местных переходов f. Каждая клетка решетки L может находиться в состоянии из пространства Q. Клетки могут соединяться различными способами, в простейшем случае они образуют квадратную или шестиугольную решетку. Клетки могут менять свое состояние в шаги дискретного времени, обычно они это делают синхронно. Судьба клетки зависит от окружающих ее соседей (соседи первого рода – центральная клетка и четыре примыкающих, соседи второго рода – центральная клетка и 8 примыкающих) и соответствующей функции перехода. Правила перехода определяются формулой



где – состояние клетки s в момент времени t; ? – ?анг соседних клеток; f – функция местного перехода. Набор величин называется конфигурацией клеточного автомата в момент времени t (I – множество индексов клеток) (Balzter et al, 1998).

Клеточный автомат с соседями второго рода можно описывать с помощью марковских цепей (Logofet, Lesnaya, 2000). Пусть – дискретные случайные величины в определенные равноудаленные моменты времени tT, где – пространство параметров марковской цепи. Переходные вероятности от одного состояния к другому записываются как (вероятность того, что переменная будет в состоянии in+1 в момент времени tn+1 при условии, что переменная была в состоянии in на предыдущем шаге). Для марковских цепей определяющим является свойство



Набор индексов марковской цепи можно рассматривать как пространственный или обозначающий специальные стадии. Распространяя индекс t на временное и пространственное измерение, можно описать клеточный автомат с соседями второго рода. В этом случае пространственная зависимость выражается в том, что будущее клетки s зависит от окружения ?s, описываемого простой марковской цепью. По времени будущее клетки зависит только от последнего состояния.

Применение теории клеточных автоматов для моделирования динамики трех видов растительного покрова можно найти в работе Х.Балцтера с соавторами (Balzter et al, 1998), для моделирования сукцессии лесов – в работе Д.О.Логофета и Е.В.Лесной (Logofet, Lesnaya, 2000).

2.4. Нейронные сети. В последнее десятилетие наблюдается всплеск в области исследования и применения искусственных нейронных сетей. Этот метод уже получил распространение в и химических исследованиях, в медицине, молекулярной биологии, экологии (моделирование пространственной динамики рыб, предсказание воспроизводства фитопланктона, разнообразия рыб и т. д.), в исследованиях по распознаванию образов и речи. Обзор основных типов искусственных нейронных сетей представлен в работе С.Лека и Дж.Гуегана (Lek, Guegan, 1999). В зависимости от поставленной задачи (обобщение, оптимизация, управление, предсказание, редукция данных, и т. д.) рассматривают и применяют различные виды нейронных сетей. В настоящее время наиболее активно используются два их типа:

  1. Многослойная нейронная сеть из входящего, одного или нескольких внутренних и выходящего слоев. Слои образуются нелинейными элементами (нейронами), каждый нейрон одного слоя связан со всеми нейронами последующего, каждому соединению приписан соответствующий вес, обратная связь отсутствует, а также невозможны никакие соединения между элементами одного слоя. Количество элементов входящего и выходящего слоев определяется объектом исследования. В работе с нейронной сетью выделяют два этапа: обучение и тестирование. Основной принцип обучающей процедуры состоит в том, что если сеть дает неправильный ответ, то веса корректируют так, чтобы уменьшить ошибку. Наборы значений, использующихся для обучения сети, должны иметь достаточно примеров, чтобы в целом описывать задачу.

  2. Сеть состоит только из входящего и выходящего слоев. Выходящий слой обычно состоит из элементов, объединенных в двумерную квадратную (или другой геометрической формы) решетку. Каждый нейрон связан с ближайшими соседями. Нейроны содержат веса (вектор весов), каждый из которых соответствует входящему значению.

Модель первого типа применяли для моделирования эвтрофикации (Karul et al., 2000). Использовалась сеть, состоящая их трех слоев. Входящий слой состоял из 9-ти нейронов (PO4, NO3, PH, температура воды и другие показатели). Выходящий слой состоял из одного нейрона (хлорофилл А). Для работы с нейронной сетью были использованы данные по озерам Моган и Эймир и водохранилищу Кебан Дам. В работе предъявлено хорошее соответствие данных наблюдений и результатов расчетов с помощью нейронной сети. Однако для сети, в которой в качестве выходящих параметров были использованы три вида фитопланктона, результаты не были столь успешны. Авторы объяснили это количеством и природой доступных им данных по фитопланктону.

2.5. "Организменные" модели. С 1970 года в экологическом моделировании активно используется подход, в рамках которого основным объектом модели является индивид individual-based models. Индивид рассматривают как уникальную, дискретную единицу, у которой есть по крайней мере еще одна черта в дополнении к возрасту, которая меняется в течение жизненного цикла: вес, ранг в социальной иерархии и т. п. Модели, “основанные на индивиде”, строят снизу вверх, начиная с “частей” (индивидов) системы (популяции). Целью исследования часто становится понимание того, каким образом свойства системы возникают из взаимодействия между частями (Grimm, 1999).

3. Модели, основанные на дифференциальных уравнениях

3.1. Примеры уравнений. В разделе о моделировании с помощью дифференциальных уравнений в первую очередь рассматриваются модели фитопланктонных и микробиологических сообществ.

3.1.1. Моделирование сообществ фитопланктона. Традиционный путь изучения сообществ микроорганизмов заключается в моделировании непрерывных культур. Общее уравнение, описывающее кинетику концентрации клеток в таком процессе, имеет вид



где x – концентрация клеток в культиваторе, – функция, описывающая размножение популяции, d – скорость вымывания. Скорость размножения может зависеть от концентрации клеток, концентрации субстрата s, температуры, pH среды и прочих факторов (Ризниченко, Рубин, 1993).

В микробиологических системах, как правило, скорость роста лимитируется концентрацией субстрата, что отражается зависимостью, предложенной Ж.Моно (Monod, 1942):



где – максимальная скорость роста организмов при данных условиях, – видоспецифическая константа, численно равная концентрации субстрата, при которой скорость роста культуры равна половине максимальной (константа полунасыщения).

При моделировании динамики фитопланктона важную роль играет учет влияния уровня освещенности на скорость роста. В книге С.Йоргенсена (1985) описаны некоторые виды уравнений, применяемых в моделях. Зависимость между скоростью роста (скоростью первичного продуцирования) и освещенностью может быть описана уравнением Михаэлиса-Ментен



здесь I – освещенность, KI – константа полунасыщения по освещенности.

При освещенности выше пороговой (IH), начиная с которой происходит угнетение фотосинтеза, можно записать следующую зависимость:



Значения всех констант () зависят от адаптации к освещенности и температуры. Зависимость KI от температуры, как правило, линейна: ; am, KI0 – константы, KI0 – константа полунасыщения по освещенности в нулевой точке температурной шкалы. Зависимость IH от температуры так же может быть выражена линейной функцией: ; IH0 – пороговая освещенность в нулевой точке температурной шкалы, aH – константа.

Как уже было сказано, скорость роста зависит от концентрации биогенных веществ. Для фитопланктона элементами, способными лимитировать рост, могут являться, например, азот, фосфор и углерод. Возможные способы отражения этого факта в работе С.Йоргенсена описаны следующим образом

,

где P, N, C – концентрация растворенного фосфора, азота и углерода; KP, KN, KС – соответствующие константы полунасыщения. Возможно также использование средней величины лимитирующих факторов: .

В работах Н.С.Абросова с коллегами (Абросов, Ковров, 1977; Абросов, Боголюбов, 1988; Абросов, 1999) была предложена следующая модель динамики экосистемы. Рассматривают организмы одного трофического уровня, которые существуют за счет совместного потребления ресурсов питания. Пусть  ij(s1,...,sm) скорость потребления единицей биомассы (особью) вида i ресурса j;  i = i(s1,...,sm) – удельная скорость прироста биомассы (плотности) i-го вида; s = (s1,...,sm) – вектор концентрации ресурсов в среде; di – удельная скорость элиминации организмов i-го вида; Аj – скорость поступления j-го субстрата извне на единицу объема экосистемы; Di – удельная скорость удаления ресурса в открытой системе. Тогда динамика системы описывается уравнениями

(3.1)

Модель, описывающая культивируемое в хемостате сообщество, является частным случаем модели (3.1) при условиях di = Dj = D, = Aj/D, где D – скорость разведения культуры, – концентрация j-го субстрата в поступающей в реактор питательной среде, и задается системой уравнений



(Хемостат – непрерывный культиватор, в котором за счет саморегулирующх механизмов популяции поддерживается постоянная плотность популяции.)

В случае взаимозаменяемых ресурсов зависимость  i(s) описывается выражением



или его линейной аппроксимацией

,

где  ij – элементы матрицы приспособленности: , здесь ij = cijYij, где cij – удельная скорость потребления j-го субстрата i-м видом организма, а Yij – экономический коэффициент использования j-го вещества i-м видом (Абросов, Ковров, 1977).

Если ресурсы взаимонезаменяемы, то



или

.

В приведенных выше формулах символ обозначает максимально возможную удельную скорость роста организмов i-го вида; Kij – константа полунасыщения роста i-го вида на j-м субстрате.

В моделях, использующих дифференциальные уравнения, возможен учет лимитирования роста световой энергией. В этом случае предлагается использовать следующую зависимость:



здесь xi – концентрация клеток i-го вида; ?i – удельная скорость роста i-го вида; – максимально возможная удельная скорость роста организмов i-го вида; – процентное содержание хлорофилла в биомассе; li – коэффициент поглощения света i-м видом; – КПД фотосинтеза i-го вида клеток; Yiвеличина, обратная калорийности биомассы i-го вида клеток; E – мощность ФАР (фотосинтетически активной радиации), падающей на поверхность культуры; d – толщина слоя культуры в кювете культиватора (приведено выражение для удельной скорости ?i в случае лимитирования совместного роста двух видов только энергией света) (Абросов, Ковров, 1977).

А.Я.Болсуновским (1999) была предложена следующая математическая модель динамики компонентов сообщества из двух видов (спирулина и хлорелла), рост которых лимитируется интенсивностью света всей области ФАР



где xi – концентрация клеточного хлорофилла; ?i – удельные скорости роста; ai, bi – константы уравнения Михаэлиса-Ментен; – средняя освещенность для всего сообщества; E0 – поверхностная освещенность; D – скорость протока.

Кроме того, в моделях возможно отразить эффекты метаболического воздействия, как, например, это было сделано Ю.А.Домбровским с соавторами (1990). Скорость роста фитопланктона i -го вида описывалась выражением

,

где x1, x2, s – концентрации двух видов фитопланктона и минерального вещества, выраженные в единицах лимитирующего биогенного вещества; – коэффициенты метаболизма; Mi – максимальная скорость фотосинтеза; Hi – параметр насыщения; – эмпирический коэффициент ингибирования i-го вида j-м.

Как уже указывалось выше, при моделировании динамики биомассы фитопланктона, чаще всего используют уравнение Моно (Monod, 1942), описывающее зависимость удельной скорости роста популяции ? от концентрации s лимитирующего рост субстрата

, (3.2)

где максимальная скорость роста; Ks константа полунасыщения при лимитировании данным субстратом. (В общем случае и Ks зависят от вида фитопланктона.) Теоретическое объяснение указанной зависимости обычно основывается на представлениях биохимической кинетики, связанных с концепцией “узкого места” метаболизма (Алексеев и др., 1992). Живая клетка представляет собой строго сбалансированную систему ферментативных реакций, при этом общая скорость прироста биомассы предполагается пропорциональной скорости реакции, которая ограничена недостатком субстрата в среде. В простейшем случае зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата описывается формулой Михаэлиса-Ментен. Поскольку в формуле Михаэлиса-Ментен константы и Ks есть функции от скоростей прямой и обратной ферментативной реакции, то постоянство и Ks предполагает постоянство этих скоростей. Таким образом, в основе использования зависимости Моно лежит неявное предположение об инвариантности во времени соотношения элементов в клетке (так как только при постоянстве состава клетки могут оставаться постоянными скорости ферментативных реакций). Кроме того, при подходе, основанном на зависимости Моно, процессы поглощения питательных веществ и роста фитопланктона не различаются.

Существуют, однако, данные, что представление о постоянстве клеточного состава не является верным. Как показали эксперименты, содержание фосфора в одноклеточных водорослях одного вида может в зависимости от внешних условий различаться в 10-30 раз (Финенко, Крупаткина-Акинина, 1974; Крупаткина, 1978), азота – до 5 раз (Sjoberg, 1980), углерода до 12 раз (Dauta, 1982а). Крайне вариабельно также соотношение элементов в клетках. Так С.Йоргенсен (Jшrgensen, 1979) для естественных озерных сообществ пресноводных микроводорослей приводит диапазон отклонений N:P от 4,1 до 291. Б.Н.Гутельмахер и Н.А.Петрова (Gutelmacher, Petrova, 1982), непосредственными авторадиографическими измерениями обнаружили в пресноводном озерном фитопланктоне изменчивость отношений запасов углерода к запасам фосфора в клетках от 3,3 до 500.

Поскольку предположения, лежащие в основе зависимости Моно, часто нарушаются, естественно ожидать, что в экспериментах возможны ситуации, которые принципиально не могут быть описаны моделью вида Моно. И такие ситуации действительно наблюдаются. Неоднократно описаны случаи, когда при почти полном отсутствии минеральных веществ в среде (s = 0 в уравнении Моно) фитопланктон, тем не менее, продуцирует новое вещество (  0) — явление, как пишет Маккарти, на уровне парадокса – “что-то из ничего” (something from nothing). Другим примером является так называемый феномен избыточного потребления, который известен уже давно (Ketchum, 1939) и красочно описан Э.Кензлером и Б.Кетчумом (Kuenzler, Ketchum, 1962). В их экспериментах с морской диатомеей Phaeodactylum tricornutum в ситуации, когда клетки водоросли были помещены в новую среду, наблюдалось, что сначала практически весь фосфор был потреблен клетками из среды, и только потом клетки начали делиться.

Таким образом, процессы поглощения минеральных веществ из среды клетками фитопланктона и его рост – существенно независимые процессы. И, следовательно, модели, игнорирующие этот факт, не отразят, по крайней мере, три явления, наблюдаемые в природе (Кучай, 1985):

  1. скорости роста фитопланктона и потребления питательных веществ могут быть различными и, в частности, скорость потребления может сильно превышать скорость роста;

  2. высокая скорость роста может иметь место при очень низких концентрациях ресурсов в среде;

  3. доля биогенного элемента (азота, фосфора) в клетках фитопланктона может сильно варьироваться на протяжении вегетационного периода.

Основными величинами при описании зависимости скорости роста от клеточных запасов биогенных элементов являются непосредственно содержание элемента в клетке q (“клеточная квота”), а также его минимальное содержание в клетке qmin, при котором скорость роста ? = 0.

Развитие концепции клеточной квоты в исследованиях различных авторов описано в работе Л.А.Кучай (1985). Концепция клеточной квоты берет начало с работ М.Друпа, который предложил зависимость удельной скорости роста от содержания вещества в клетке в виде (Droop, 1973)

. (3.3)

Формула (3.3) упрощается в связи с предположением, подтвержденным экспериментально Г.Ри (Rhee, 1978), что константа полунасыщения и минимальное клеточное содержание соответствующего биогена равны, и принимает вид

.

Дж.Фухсом (Fuhs, 1969) в эксперименте на двух видах диатомовых продемонстрирована связь скорости роста водорослей с клеточной концентрацией фосфора в виде (Обозначения те же, что и в формулах (3.2), (3.3).)

В.Бьерман (Bierman, 1976) в модели внутригодовой сукцессии фитопланктона (четыре группы водорослей, три биогенных элемента – азот, фосфор, кремний) выражал зависимость роста от клеточного фосфора формулой , от клеточного азота – формулой Друпа (3.3), а от клеточного кремния – формулой Моно (3.2).

Кроме минимального содержания элемента qmin в клетке, важной характеристикой вида является величина qmax – максимальное значение элемента питания, которое может накопиться в клетке. Можно привести несколько примеров использования величины qmax в формулах для скорости роста клеток (Кучай, 1985). C.Сьеберг (Sjцberg, 1980) в модели весеннего цветения диатомовых на Балтике применял зависимость



А.Дота (Dauta, 1982б) в модели поликультуры пресноводных водорослей использовал выражение



На непостоянство стехиометрических соотношений углерода, азота и фосфора в составе фитопланктона указывал С.Йоргенсен (1985). Он отмечал, что, как показали лабораторные опыты, развитие фитопланктона происходит в два этапа: на первом идет поглощение биогенных веществ, а на втором – клеточное деление, регулируемое внутриклеточной концентрацией ресурсов. С.Йоргенсен (Jшrgensen, 1976) использует следующую систему уравнений



где – внутриклеточные концентрации биогенных элементов (соответственно, фосфора, азота и углерода), выраженные в мг на 1 л воды; – минимальные и максимальные значения содержания трех биогенных веществ в составе фитопланктона; x – концентрация фитопланктона; – скорости поглощения углерода, фосфора, азота; – соответствующие максимальные скорости поглощения; C, P, N – концентрации биогенных элементов в окружающей среде; – функции, характеризующие зависимости интенсивности фотосинтеза от освещенности и температуры.

Существуют некоторые данные, которые позволяют сравнить результаты моделирования с использованием концепции клеточной квоты и без ее использования. Л.А.Кучай (Кучай, 1985) специально сравнивала модели, описывающие кругооборот биогенных ресурсов (азота или азота и фосфора) в замкнутой системе, включающей одну группу фитопланктона, питательные элементы и детрит. При использовании клеточной квоты удельная скорость роста задавалась формулой Друпа, при этом в случае двух ресурсов использовался принцип минимума Либиха. Оказалось, что модели с использованием клеточной квоты дают большее число возможных сценариев развития фитопланктона и позволяют описывать ситуации, реально встречающиеся в природе, например, ситуацию нарастания биомассы фитопланктона в условиях почти нулевой концентрации биогенного элемента в среде или ситуацию резкого скачка отношения N:P в среде в момент кульминации цветения.

В настоящее время среди исследователей установилось мнение, что модель Моно адекватна при описании устойчивого роста водорослей в стационарных условиях, подобных хемостату, а для описания процесса роста при изменяющихся внешних условиях, например, при моделировании внутригодовой сукцессии фитопланктона, необходима более сложная модель, выбранная в соответствии с предположением зависимости скорости роста от клеточных концентраций ресурсов. Одной из ситуаций, где при моделировании необходимо привлечение концепции клеточной квоты, является накопительное культивирование.
  1   2   3   4   5   6   7   8


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации