Лаборатория теоретической биофизики

Основной задачей лаборатории является построение малоразмерных биосферных моделей, обеспечивающих описание наихудших сценариев динамики биосферы, а также развитие стратегических и тактических принципов проектирования оптимальных экологических систем жизнеобеспечения.

Основные направления исследований

• Построение малоразмерных биосферных моделей, обеспечивающих описание наихудших сценариев динамики биосферы, знание которых необходимо для принятия практических решений.
• Разработка теоретических подходов к снижению сложности моделей биологических систем, включая искусственные и природные экосистемы и биосферу.
• Развитие стратегических и тактических принципов проектирования оптимальных экологических систем жизнеобеспечения.

Основные достижения

• Наблюдаемое за последние 13 лет прекращение роста глобальной температуры противоречит прогнозу, полученному на используемых МГЭИК моделях общей циркуляции атмосферы и океана. Отсутствие прямой связи между растущей концентрацией парниковых газов в атмосфере и глобальной температурой расценивается как проявление собственной динамики системы биосфера-климат (СБК), способной демонстрировать "пороговые" режимы. В результате статистического и модельного анализа современных и палеонтологических данных по климату показано, что: для большинства участков поверхности Земли, динамика температуры может быть представлена в виде суммы двух компонент – океанических осцилляций, и ступенчатой функции со скачками в 1925/26 и 1988/89 годах, причем резкие сдвиги климатического режима в найденных датах совпадают по времени с эффектами другой природы: внезапной синхронизацией температурных кривых различных зон океана и изменением численности рыб.
• В условиях глобального изменения климата прогнозирование реакции почвенного покрова на внешние воздействия приобретает особую актуальность вследствие содержащихся в почве огромных запасов органического углерода. Огромное разнообразие процессов и стадий превращения опада в гумусовые вещества делает актуальной задачу выбора минимально необходимого набора независимых факторов, позволяющего адекватно описывать почвенные процессы. В ходе исследований показано, что реконструкция запасов органического вещества в почве возможна всего по двум-трем показателям, что указывает на возможность представления педотрансферной функции в виде простой математической формулы, и описания динамики формирования почвы с помощью простой модели;
• Описание природных и искусственных (замкнутых экологических систем жизнеобеспечения) многовидовых экосистем сталкивается с неадекватностью традиционных моделей экосистем, выражаемой в виде ряда парадоксов. Среди них: парадокс Хатчинсона (Гаузе) – сосуществование в природных экосистемах видов по численности превышающие число плотностных контролирующих рост факторов; парадокс Мэя – положительная корреляция стабильности природных экосистем с биоразнообразием и отрицательная корреляция в моделях; парадокс ЗЭС – невозможность существования нетривиального стационарного состояния в обычных моделях замкнутых экосистем при учете замыкания по нескольким биогенным элементам. Показано, что вышеперечисленные экологические парадоксы могут быть разрешены с единых позиций при переходе к экологическим моделям гибкого метаболизма, реализующим динамическую настройку пропорций потребления питательных веществ (субстратов, жертв); разработан формальный подход, позволяющий аналитически (без решения системы уравнений или нахождения стационарных значений, что для нелинейных систем возможно только численно) оценивать какого рода модификация исходной модели приведет к повышению ее устойчивости, и будет способствовать сосуществованию видов.

Сотрудники

Заведующий лабораторией Барцев Сергей Игоревич доктор физико-математических наук +7 931 249-43-28 bartsev@yandex.ru