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:

Должность, степень	Ф.И.О.	Тел.: +7(391)
г.н.с., д.ф.-м.н.	Барцев Сергей Игоревич	249-43-28
н.с., к.м.н.	Базарин Кирилл Петрович
н.с., к.т.н.	Иванова Юлия Дмитриевна	249-43-28
н.с., к.б.н.	Семенов Денис Александрович	249-43-28
лаборант	Маркова Галия Муратовна

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.