Вопрос о том, насколько быстро животные, растения или микроорганизмы могут колонизировать новые территории, интересует не только экологов - распространение инвазионных видов может иметь и экономические последствия, т.е. в сельскохозяйственном секторе. Ученые из Eawag и EPF Lausanne усовершенствовали существующую модель и впервые использовали лабораторные эксперименты для проверки ее способности предсказывать динамику биологической инвазии.
В современном глобализированном мире, где люди и товары свободно перемещаются по всему миру, животные, растения и микроорганизмы также могут быть перенесены практически в любое место за короткое время и, таким образом, колонизировать новые места обитания за тысячи километров от своей первоначальной территории. Меры контроля могут быть реализованы в нужном месте в нужное время только в том случае, если можно надежно предсказать скорость и закономерности таких вторжений.
Широко применяемая модель
Для прогнозирования средней скорости фронтов вторжения экологи используют модель, первоначально разработанную в 1937 г. биологом Р. А. Фишером и математиком А. Н. Колмогоровым. В основе этой модели лежат процессы реакции (размножения организмов) и диффузии (перемещения особей в пространстве); подобные модели также применяются в таких областях, как онкология (для описания роста опухоли), а также в физике и химии. Для такого моделирования требуется всего два параметра, которые легко определить: коэффициент диффузии и скорость размножения рассматриваемых организмов.
Хотя сильные стороны экологической модели признаны, она страдает от двух решающих недостатков: она ранее не тестировалась в контролируемых условиях и не могла объяснить изменчивость скорости распространения, наблюдаемую в природе. Группа исследователей во главе с биологом Eawag Флорианом Альтерматтом и физиком из EPFL Андреа Джометто добавила в модель новые элементы и провела лабораторные эксперименты, чтобы проверить ее предсказания.
Рассеивание в линейных ландшафтах
Колебания в демографических процессах не объясняются исключительно факторами окружающей среды - в одинаковых условиях не каждый человек будет производить одинаковое количество потомства. Соответственно, ученые модифицировали математическую модель, включив стохастическое дифференциальное уравнение для учета случайных индивидуальных различий в воспроизводстве внутри популяции. С помощью этой модифицированной модели также можно предсказать изменчивость скорости фронтов вторжения.
Данные моделирования затем сравнивались с результатами экспериментов микромира, в которых двухметровый «линейный ландшафт» (плексигласовый канал, заполненный питательной средой) использовался для изучения расселения пресноводных инфузорий. Движения отдельных организмов фиксировались видеокамерами, что позволяло рассчитать коэффициент диффузии. Скорость распространения к неколонизированному концу канала определяли путем измерения профилей плотности клеток.
Результаты лабораторных экспериментов хорошо согласуются с моделированием. Ученые надеются, что благодаря этим экспериментам, используя усовершенствованную модель, вскоре можно будет делать быстрые и надежные прогнозы динамики колонизации в естественной среде с помощью всего нескольких простых измерений. Их выводы были опубликованы 7 января th 2014 года в Proceedings of the National Academy of Sciences.