Лаборатории

ЛАБОРАТОРИЯ ТЕОРИТИЧЕСКОЙ БИОФИЗИКИ

Основана 12 ноября 2002 г. (ранее теоретический отдел)

Заведующий лабораторией: Барцев Сергей Игоревич, д.ф.-м.н.

Сотрудники Лаборатории:

Основная концепция:

Уникальность и сложность локальных экосистем и биосферы делает в принципе невозможным воспроизведение экспериментов - ключевой принцип естественнонаучного исследования. Лаборатория теоретической биофизики создана для организации и проведения фундаментальных исследований по разработке формальных подходов, позволяющих работать с уникальными и сложными объектами.

Направления НИР:

1. построение минимальных биосферных моделей, обеспечивающих описание наихудших сценариев динамики биосферы, знание которых необходимо для принятия практических решений;

2. разработка теоретических подходов к снижению сложности моделей биологических систем, включая искусственные и природные экосистемы и биосферу;

3. развитие стратегических и тактических принципов проектирования оптимальных экологических систем жизнеобеспечения;

4. формулировка необходимых условий запуска химической эволюции, приводящей к возникновению биосфер.

Задачи:

1. Поиск общих симметрий, представляющих инвариантные свойства экосистем, и позволяющих выделять классы эквивалентности на множестве их структур.

2. Построение формальной процедуры, обеспечивать редукцию сложности моделей биологических систем, включая природные экосистемы и биосферу, с сохранением заданного свойства.

3. Построение минимальных биосферных моделей, обеспечивающих адекватное описание различных аспектов динамики биосферы.

4. Выяснение роли замкнутости трофических потоков в динамике экологических систем на основе предельно общих математических моделей.

5. Разработка минимальных моделей и критериев оптимальности применимых для редукции сложности выбора среди множества различных конфигураций систем жизнеобеспечения и сценариев оптимального природопользования.

6. Разработка нейросетевых методов выявления временных и пространственных закономерностей биологических процессов, включая процессы, протекающие в природных экосистемах.

Основные результаты за 2005-2009 гг.:

• На основе принципа наихудшего сценария разработана минимальная математическая модель глобальных потоков углерода в наземном и океаническом компартментах системы "биосфера-климат", учитывающая парниковый эффект потепления и возможную "быструю" положительную обратную связь - почвенную эмиссию СО2 с ростом температуры. Исследование минимальной модели показало, что:

  1. при значениях параметров биосферы в рамках доверительных интервалов существует "дата необратимости", после которой прекращение сжигания ископаемых топлив не останавливает рост атмосферной концентрации СО2 и температуры;

  2. замена сельскохозяйственных угодий лесами, вызванная пандемией чумы 13 века в Европе, могла инициировать «обратный парниковый эффект» и оказать ощутимый вклад в понижение температуры и развитие Малого Ледникового Периода;

  3. вклад океанической биоты в многолетний тренд и сезонные колебания концентрации СО2, по сравнению с вкладом наземной биоты, незначителен и уступает последнему на два порядка;

  4. способность растений (преимущественно древесных) поглощать двуокись углерода и, как кажется, ослаблять остроту проблемы избыточного антропогенного производства СО2 с точки зрения развития катастрофических процессов не является однозначно благоприятной;

  5. глобальное потепление, может смениться глобальным похолоданием, если антропогенная эмиссия углерода прекратиться слишком резко.

• Показано, что в противоположность традиционным моделям экосистем с фиксированной стехиометрией потребляемых субстратов, в моделях, учитывающих адаптивность метаболизма, с ростом количества сосуществующих видов растет величина области сосуществования в пространстве параметров, что характерно для реальных экосистем.

• На примере нейросетевых модельных объектов продемонстрирована принципиальная осуществимость обратимой редукции сложности моделей уникальных систем с сохранением функции или свойства, выбранного для моделирования. Показано, что локальное функционально-инвариантное преобразование, вычисляемое с помощью инфинитезимального оператора Ли, позволяет редуцировать сложность структуры моделей основанных на формализме, отличном от нейросетевого.

• Сформулированы необходимые условия запуска и протекания химической эволюции, представляющей собой селекцию биохимического базиса будущей жизни. Рассмотрен возможный сценарий возникновения жизни, снимающий ряд принципиальных сложностей в объяснении ключевых этапов химической эволюции и перехода к эволюции биологической.

Законченные разработки:

Программное обеспечение для объединения и обработки данных о ходе процесса выщелачивания золотоносных руд для ЗАО "Полюс".

Международные контакты в 2005-2009 гг.:

• Барцев С.И. с 2000 по 2006 г. являлся Главным Научным Организатором (Main Scientific Organizer) секции F4.3 Научной Ассамблеи COSPAR (Международный комитет по исследованию космического пространства). В настоящее время он заместитель MSO (Deputy Organizer) этой секции.

• В 2007 году Барцев С.И. был приглашен в Пекинский Аэрокосмический Университет в качестве лектора-консультанта по проектированию БиоСЖО.

• Участие в конференциях: COSPAR-2006, Китай; ISEM-2007, Италия; BOE-2007 Греция; IBFRA-2008, Китай; AAS-2009, Китай; ISEM-2009, Канада.

Гранты за 2005-2009 гг.:

• РФФИ 06-04-49016а,

• РФФИ 09-05-98023-р-Сибирь,

• РФФИ 09-04-13686-офи_ц,

• РФФИ 09-04-12022-офи_м,

• Программа №18 фундаментальных исследований Президиума РАН "Происхождение и эволюция биосферы".

• Интеграционный проект СО РАН №50 "Модели изменения биосферы на основе баланса углерода (по натурным и спутниковым данным и с учетом вклада бореальных экосистем)".

Сотрудничество с российскими научными организациями и ВУЗами:

Ведение общих и специальных курсов в СФУ и СибГАУ, участие в грантах.

Основные публикации лаборатории за 2005-2009 гг.

• Барцев С.И., Дегерменджи А.Г., Ерохин Д.В., Глобальная минимальная модель многолетней динамики углерода в биосфере. // Доклады РАН.-2005.-т.401, №2.-С.233-237.

• Барцев С.И., Барцева О.Д. Функционально-инвариантный подход к проблеме уникальности биологических систем: простая нейросетевая модель. // Доклады РАН.-2005.-т.405, №4.-С.1-4.

• Барцев С.И., Барцева О.Д. Эвристические нейросетевые модели в биофизике. Красноярск, СФУ, 2007, 92 С. ISBN 978-7638-0810-0.

• Барцев С.И., Дегерменджи А.Г., Иванова Ю.Д., Щемель А.Л. Влияние неопределенности оценки параметров минимальной биосферной модели на прогноз биосферной динамики. Известия Самарского научного центра РАН, (2009) т.11, №1(7), с.1412-1416.

• Хлебопрос Р.Г., Охонин В.А., Фет А.И. Катастрофы в природе и обществе: Математическое моделирование сложных систем. Новосибирск, ИД "Сова", 2008, С.360.

• Bartsev S.I., Mezhevikin V.V. Theoretical and Computer Modeling of Evolution of Autocatalytic Systems in a Flow Reactor. In book "Biosphere Origin and Evolution", Springer US, p.119-129, 2007.

• Bartsev S.I., Degermendzhi A.G., Erokhin D.V. Principle of the worst scenario in the modelling past and future of biosphere dynamics. Ecological modeling, 2008, 216, P.160–171.

• Bartsev S.I., Mezhevikin V.V. On initial steps of chemical prebiotic evolution: triggering autocatalytic reaction of oligomerization. Adv. Space Res.- 2008.- v.42, №12, .- P.2008-2013.

• Degermendzhi A.G., Bartsev S.I., Gubanov V.G., Erokhin D.V., Shevirnogov A.P.. Forecast of biosphere dynamics using small-scale models. In the book "Global Climatology and Ecodynamics: Anthropogenic Changes to Planet Earth", 2008, Chapter 10, p.241-300, Springer. 400 P.

• Ivanova Yu.D., Bartsev S.I., Pochekutov A.A.,.Kartushinsky A.V., The analysis of seasonal activity of photosynthesis and efficiency of various vegetative communities on a basis NDVI for modeling of biosphere processes. Adv. Space Res.- 2007.- v.39, No.1.- P.95-99.