Российская Академия Наук
Сибирское Отделение
 
 Главная
 История
 Дирекция
 Лаборатории
 Службы
 Конференции
 Отчеты института
 Научные достижения
 Проекты РНФ
 Публикации
 Патенты
 СМИ об институте
 Ресурсы библиотеки
 Научный стационар
 Совет молодых ученых
 Семинары
 Соленые озера (ISSLR)
 Коллекция светящихся микроорганизмов
 Конкурсы
 Диссертационный совет
 Вакансии
 Документы для скачивания
 Поиск по сайту
 Контакты


Rambler's Top100

Поддержка сайта - студия "Сертификат публикации"

 

Лаборатории

ЛАБОРАТОРИЯ ТЕОРИТИЧЕСКОЙ БИОФИЗИКИ

Основана 12 ноября 2002 г. (ранее теоретический отдел)

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

Тел.: +7 (391) 249-43-28

Сотрудники лаборатории:

Основные направления НИР:

  1. Построение малоразмерных 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.

Основные результаты за 2009-2013 гг.:

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:

  1. 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.

  2. При значениях параметров биосферы, входящих в интервалы их существующих оценок, возможна реализации в биосфере триггерного режима, способного привести к кардинальному изменению состояния биосферы даже без дополнительного сжигания ископаемых топлив – достаточно резкого изменения состояния биосферы, например, интенсивных вырубок леса или, наоборот, интенсивных лесопосадок, которые могут ускорить возможное смещение биосферы к новому устойчивому состоянию.

  3. В рамках малоразмерной модели СБК, демонстрирующей возможность существования пороговых и триггерных биосферных режимов при, пусть и маловероятных, но реалистичных комбинациях значений параметров СБК, может быть объяснен так называемый позднепалеоценовый термический максимум, имевший место 55 млн. лет назад, длившийся ~200 тыс. лет и характеризовавшийся повышением глобальной температуры на 8 °C.

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:

  1. 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;

  2. предложена и верифицирована простая континуальная модель трансформации и декомпозиции почвенного органического вещества, позволяющая преодолеть трудности, связанные с необходимостью учитывать огромное количество этапов трансформации почвенной органики, показано, что в рамках модели распределение почвы по скорости трансформации (степени гумификации) формируется путем движения резко выраженного фронта в сторону более устойчивых органических соединений.

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.

В ходе исследований:

  1. 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);

  2. 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.

Оценка последствий антропогенного воздействия на биосферу является одной из задач глобальной экологии. Эти оценки, в конечном счете, предназначены для лиц принимающих решения (ЛПР), которые должны (если их это вообще заботит) принимать практические решения, касающиеся многих людей здесь и сейчас, на основе модельных прогнозов, степень достоверности которых не поддается надежной оценке. Публикации по этой теме неудобны для ЛПР, в силу того, что побуждают учитывать дополнительные ограничения на принимаемые решения, а иногда и принимать совсем не те решения, которые хотелось бы. Вряд ли эти публикации особо интересны и для ученых, работающих в этой области, поскольку высокая неопределенность оценок используемых показателей порождает неопределенность прогнозов, точность и корректность которых оценивать сложно. Тем не менее, работы такого рода по сканированию спектра возможных последствий, как антропогенной активности, так и природных факторов для среды нашего обитания, нужны как информация к размышлению о будущем. В рамках этого направления:

  1. показано, что для понижения вероятности запуска неблагоприятных биосферно–климатических сценариев вклад тепловых машин в производство энергии должен быть существенно (в 10 раз) уменьшен по сравнению с современным уровнем;

  2. произведено обобщение понятий теории межотраслевого баланса (МОБ) Леонтьева, позволяющее найти связь между производством продукции, требуемой для обслуживания косвенных затрат и наносимым в результате производства этой продукции экологическим ущербом;

  3. на основе обобщения МОБ проведены сравнительные расчеты комплексного экологического ущерба от бензиновых автомобилей и электромобилей, при этом было показано, что выбросы углерода в атмосферу, возникающие при обслуживании электромобиля значительно превышают таковые для бензинового автомобиля за счет косвенных затрат ископаемого топлива на производство металла и электроэнергии.

Сотрудничество с российскими и зарубежными научными организациями и ВУЗами 2008-2012 гг.

Проведены совместные работы, по результатам которых опубликованы (приняты в печать) статьи со следующими организациями:

  • Сибирский федеральный университет (Красноярск)

  • Сибирская аэрокосмическая академия (Красноярск)

  • Институт леса СО РАН (Красноярск)

  • Институт вычислительного моделирования СО РАН (Красноярск)

  • Институт вычислительных технологий СО РАН (Новосибирск)

  • Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (Пущино, Московская обл.)

  • Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing, China

  • Research Center for Environmental Change, Academia Sinica, Taipei, Taiwan

  • University of Athens, Panepistimiopolis, Athens, Greece

Гранты лаборатории за 2009-2013 гг.

  • РФФИ 11-04-01116-а "Оценка условий и характерных времен возникновения катастрофической динамики системы "биосфера-климат" с помощью минимальных моделей".

  • РФФИ 12-05-00494 "Мониторинг ЧПП (чистой первичной продукции) лесных экосистем юга Красноярского края с помощью наземных и спутниковых измерений".

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

  • Интеграционный проект СО РАН № 21 "Исследование закономерностей и тенденций развития самоорганизующихся систем на примере веб-пространства и биологических сообществ"

Основные публикации лаборатории за 2009-2013 гг.

Монографии

  1. Барцев С.И., Барцева О.Д. Эвристические нейросетевые модели в биофизике: приложение к проблеме структурно-функционального соответствия / Красноярск: СФУ, 2010. – 115 с.

  2. Хлебопрос Р.Г., Тасейко О.В., Иванова Ю.Д., Михайлюта С.В. Красноярск. Экологические очерки / Красноярск: СФУ, 2012. – 130 с.

Главы в монографиях

  1. Bartsev, S.I., Degermendzhi, A.G., Belolipetsky, P.V., 2012. Carbon Cycle Modeling and Principle of the Worst Scenario. In: Jordan, F., Jorgensen, S.E. (Eds), Models of the Ecological Hierarchy: From Molecules to the Ecosphere. Elsevier B.V., pp. 447–458. ISBN: 9780444593962.

  2. Bartsev, S.I., Ivanova, Y.D., Shchemel, A.L., 2012. The Worst Scenario Principle and the Assessment of the Impact of Quality of Life for Biosphere Dynamics. In: Jordan, F., Jorgensen, S.E. (Eds), Models of the Ecological Hierarchy: From Molecules to the Ecosphere. Elsevier B.V., pp. 459–467. ISBN: 9780444593962

Отечественные журналы

  1. Барцев С.И., Белолипецкий П.В., Дегерменджи А.Г. Минимальная модель системы «биосфера-климат» и её компоненты // Вестник НГУ, 2011. Т. 9, вып. 1. С.31–37.

  2. Барцев С.И., Щемель А.Л., Иванова Ю.Д. Минимальная биосферная модель для прогноза наихудшего варианта биосферной динамики в пределах неопределенности оценки параметров // Электронное моделирование. – 2011. – Т. 33. – № 1. – С. 115–124.

  3. Маергойз Л.С., Сидорова Т.Ю., Хлебопрос Р.Г. Математический алгоритм распределения выбросов парниковых газов // Сибирский журнал индустриальной математики. – 2011. – Т. VIX. – № 2(46). – С. 79–83.

  4. Салтыков М.Ю., Барцев С.И., Ланкин Ю.П., Зависимость устойчивости моделей замкнутых экосистем от числа видов» // Журнал СФУ серия «Биология 2» №4, 2011, стр.197–208.

  5. Барцев С. И., Дегерменджи А. Г., Федотов А.М., Медведев С.Б., Пестунов А.И., Пестунов И.А. Биосферный триггер в минимальной модели углеродного цикла // Доклады РАН, 2012, том 443, № 4, C. 500–503.

  6. Барцев С.И., Иванова Ю.Д., Щемель А.Л. К оценке влияния качества жизни населения на биосферную динамику // Математическая биология и биоинформатика. 2012. Т. 7. № 1. С. 9–18.

  7. Барцев С.И., Почекутов А.А., Припутина И.В. Нейросетевой анализ взаимозависимостей параметров почвенного покрова // Математическая биология и биоинформатика. 2012. Т. 7. № 1. С. 19–29.

  8. Федотов А.М., Медведев С.Б., Пестунов А.И., Пестунов И.А., Барцев С.И., Дегерменджи А.Г. Аналитическое исследование малоразмерной модели динамики углерода в биосфере // Вычислительные технологии. 2012. Т. 17. № 3. С. 91–108.

  9. Суховольский В.Г., Иванова Ю.Д. Оценка чистой первичной продукции лесных насаждений с использованием модели распределения фитомассы по фракциям // Лесоведение, 2013, No 5, с. 20–28.

Зарубежные журналы

  1. Maergoiz L.S., Sidorova T.Yu., Khlebopros R.G. Mathematical Approach to Develop the Distribution of Greenhouse Gas Emissions // Applied Mathematics. – 2010. –V. 1. – No. 6. – P. 515–519.

  2. Biel K.Y., Fomina I.R., Nazarova G.N., Soukhovolsky V.G., Khlebopros R.G., Nishio J.N. Untangling metabolic and spatial interactions of stress tolerance in plants. 1. Patterns of carbon metabolism within leaves // Protoplasma. – 2010. – 245. – P. 49–73.

  3. Hu E., Bartsev S.I., Liu H. Conceptual design of a bioregenerative life support system containing crops and silkworms. Adv. Space Res.– 2010.– v.45,– P.929–939.

  4. Bartsev S.I. Similarity and reduction of complexity of ecosystem models // Procedia Environmental Sciences. – 2012.– V. 13.– P. 316–323.

  5. Bartsev S.I., Degermendzhi, A.G., Okhonin V.A., Saltykov M.Y.An Integrated Approach to the Assessment of an Ecological Impact of Industrial Products and Processes // Procedia Environmental Sciences. – 2012.– V.13.– P. 837–846.

  6. Saltykov M.Yu., Bartsev S.I., Lankin Yu.P., Stability of closed ecology life support systems (CELSS) models as dependent upon the properties of methabolism of the described species // Adv. Space Res., 2012, 49, 2, 229–223.

  7. Belolipetsky P.V., Bartsev S.I., Degermendzhi A.G., Huang-Hsiung Hsu, Varotsos C.A. Empirical evidence for a double step climate change in twentieth century / arXiv:1303.1581 [physics.ao-ph]. 2013. 14 p.

  8. Klyuchevskii A.V., Khlebopros R.G. Coupled large earthquakes in the Baikal rift system: Response to bifurcations in nonlinear resonance hysteresis // Geoscience Frontiers. 2013. № 4. P. 709–716.

  9. Bartsev S.I. Optimal design of biological life support systems: criteria and problems // Current Biotechnology, 2013, 2, P.208–216.

  10. Bartsev S.I., Pochekutov A.A. A continual model of soil organic matter transformations for predicting soil forming dynamics inside higher plant CELSS // Adv. Space Res., 2013, 51, P. 789–796.

  11. Soukhovolsky V.G., Ivanova Yu.D. Estimation of Forest-Stand Net Primary Productivity Using Fraction Phytomass Distribution Model // Contemporary Problems of Ecology, 2013, Vol. 6, No. 7, pp. 700–707.