Беспорядок лежит в основе жизни. Хаотическая динамика отдельных элементов в пределах единого целого — широко распространенное явление в самых разнообразных системах, начиная с биологических и заканчивая социальными. Это происходит в мозге больных эпилепсией и в популяциях живых организмов. Известно также, что сильно осциллирующие, или колеблющиеся, эффекты могут наблюдаться в миротворческих процессах и при разрешении конфликтов в обществе. В этом случае возникают сложные взаимодействия многочисленных индивидуумов и социальных групп с разнообразными и нередко конфликтующими мнениями, идеями и потребностями. Аналогичные процессы в биологических системах также сложны и динамичны, а их результаты зачастую демонстрируют хаотические эффекты. В то же время их преимущество над многими другими состоит в том, что они доступны для экспериментального изучения. Хорошим примером могут служить водные экосистемы.
«В природе водные сообщества животных и растений формируют сложные, многокомпонентные живые системы. Населяющие их организмы обычно живут недолго, постоянно сменяя друг друга, а потому и глобальные преобразования происходят быстро, — рассказывает Ирина Телеш, доктор биологических наук, главный научный сотрудник Зоологического института РАН. — Сообщества планктона состоят из многочисленных мелких, размером менее 2 миллиметров, живых существ, парящих внутри водной толщи. У них быстрый обмен веществ, они эффективно адаптируются к любым изменениям в среде и быстро эволюционируют».
Даже в этом случае раскрытие внутренних механизмов, которые управляют сложной динамикой планктона в природе, требует продолжительных исследований. Поэтому эксперименты с хаотическим поведением в экологических системах исключительно редки. Такие работы трудоемки, и до сих пор они сводились, главным образом, к изучению относительно простых лабораторных моделей, состоящих из популяций лишь нескольких видов организмов.
«Мы впервые исследовали взаимосвязь внешних регуляторов и внутренних механизмов, определяющих динамику сложного планктонного сообщества в условиях строго контролируемого постоянства абиотических факторов, то есть температуры, освещения и тому подобного. Работы проводили в четырех экспериментальных экосистемах на протяжении одного года, — говорит Сергей Скарлато, доктор биологических наук, главный научный сотрудник Института цитологии РАН, руководитель лаборатории. — В эксперименте мы оценивали разнообразие, количество основных компонентов планктона и их взаимодействие. К ним относятся одноклеточные, многоклеточные и колониальные организмы разных трофических (“пищевых”) уровней: производители первичного вещества, хищники и “разрушители”. Сообщество развивалось на основе природного планктона, собранного в прибрежных водах Балтийского моря, и состояло из бактерий, цианобактерий, микропланктонных водорослей и зоопланктона».
В результате был получен большой массив данных. Его обрабатывали методами математической статистики, программирования и расчета характеристик динамических систем. Оказалось, что на всех трофических уровнях происходили хаотические эпизоды. Они не были обязательными, но возникали с некой вероятностью и затем исчезали. То, что такие процессы действительно происходили, ученые доказали при помощи разработанного ими интегрального показателя. Обнаруженное явление названо «парадоксом хаоса». Парадокс заключается в том, что при постоянстве абиотических факторов внешней среды взаимодействия между организмами, казалось бы, тоже должны быть постоянными; но именно они и становились пусковым механизмом для изменения динамики системы.
Картинка: некоторые представители планктона Балтийского моря. Источник: Сергей Скарлато
«Самым удивительным оказалось то, — продолжает Сергей Скарлато, – что хаос чаще всего возникал именно в наиболее стабильных абиотических условиях. Получается, что даже в самых сбалансированных системах жизнь без элементов хаоса невозможна?».
Таким образом, эти исследования показали, что даже хорошо контролируемые биологические системы могут быть подвержены сложным хаотическим преобразованиям, поэтому важно изучать механизмы, лежащие в основе подобных явлений. Непредсказуемость хаотического поведения затрудняет прогнозирование развития глобальных систем на всех уровнях. В экологии отсутствие этих знаний не позволяет успешно моделировать жизненно важные процессы, например уязвимость морских сообществ к стрессовым воздействиям. Понимание основ возникновения хаотических процессов в стабильных системах повысит эффективность мер, принимаемых для предотвращения губительных природных явлений в прибрежных водах морей вблизи густонаселенных территорий в России и по всему миру.
Работа выполнена сотрудниками Зоологического института РАН и Института цитологии РАН совместно с коллегами из университета Ростока (Германия).
