В статье обсуждается специфика подхода экологической биофизики к исследования экологических систем и земной биосферы в целом. Рассмотрены характерные для этого раздела биофизики проблемы и возможные подходы к их преодолению. В частности, проблема уникальности экологических систем может быть существенно ослаблена, если удастся разработать теорию экологического подобия. Проблема разнонаправленной зависимости устойчивости реальных экосистем и их моделей от количества входящих видов может быть снята путем перехода к моделям, так называемого, гибкого метаболизма. Необозримая сложность биосферы побуждает обращаться к концептуальным моделям, построенным по принципу наихудшего сценария, которые позволяют, хотя бы в общем виде, оценить действие и возможный вклад тех или иных механизмов в глобальную динамику.
экологическая биофизика, экосистема, аутостабилизация, биосфера
1. Моровиц Г. Исторический очерк. Теоретическая и математическая биология. М.: Мир, 1968, с. 34-48. [Morowitz G. Historical sketch. Theoretical and mathematical biology. M.: Mir, 1968, pp. 34-48. (In Russ.)]
2. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. Айрис-пресс, 2012, 576 с. [Vernadsky V.I. Biosphere and noosphere. Iris press, 2012, 576 p. (In Russ.)]
3. Degermendzhi A.G. New directions in biophysical ecology. Chapter 14 Ch 10. In: Global Climatology and Ecodynamics: Anthropogenic Changes to Planet Earth (Springer Praxis Books/Environmental Sciences), 2009, pp. 379-396.
4. Барцев С.И., Барцева О.Д. Симметрии структуры и эквифинальность эволюционных исходов в простых нейросетевых моделях. ДАН, 2002, т. 386, № 1, с. 114-117. [Bartsev S.I., Bartseva O.D.Structure symmetries and equifinality of evolutionary outcomes in simple neural network models. DAN, 2002, vol. 386, no. 1, pp. 114-117. (In Russ.)]
5. Барцев С.И., Барцева О.Д. Функционально-инвариантный подход к проблеме уникальности биологических систем: простая нейросетевая модель. ДАН, 2005, т. 405, № 4, с. 1-4. [Bartsev S.I., Bartseva O.D. Functionally invariant approach to the problem of the uniqueness of biological systems: a simple neural network model. DAN, 2005, vol. 405, no. 4, pp. 1-4. (In Russ.)]
6. Барцев С.И., Барцева О.Д. Эвристические нейросетевые моделив биофизике: приложение к проблеме структурно-функционального соответствия. Красноярск: Сибирский федеральный ун-т, 2010, 115 с. [Bartsev S.I., Bartseva O.D. Heuristic neural network models in biophysics: application to the problem of structural and functional correspondence. Krasnoyarsk: Siberian Federal University, 2010, 115 p. (In Russ.)]
7. Свирежев Ю.М. Нелинейные волны, диссипативные структуры и катастрофы в экологии. М.: Наука, 1987, 386 с. [Svirezhev Yu.M. Nonlinear waves, dissipative structures and catastrophes in ecology. Moscow: Nauka, 1987, 386 p. (In Russ.)]
8. Адамович В.В., Дегерменджи А.Г. Статистические закономерности организации маловидовых стационарных сообществ микроорганизмов. Ж. Общей биологии, 1985, т. XLVI, № 4, c. 527-532. [Adamovich V.V., Degermendzhi A.G. Statistical regularities of the organization of small-species stationary communities of microorganisms. J. General Biology, 1985, vol. XLVI, no. 4, pp. 527-532. (In Russ.)]
9. Дегерменджи А.Г., Абакумов А.И. Принцип конкурентного исключения в двухвидовом сообществе с одним метаболическим фактором регуляции. ДАН, 2018, т. 480, № 4, с. 495-498. [Degermendzhi A.G., Abakumov A.I. The principle of competitive exclusion in a two-species community with one metabolic regulation factor. DAN, 2018, vol. 480, no. 4, pp. 495-498. (In Russ.)]
10. Дегерменджи А.Г., Печуркин Н.С., Шкидченко А.Н. Аутостабилизация факторов, контролирующих рост в биологических системах. Новосибирск: Наука, 1979, 141 с. [Degermendzhi A.G., Pechurkin N.S., Shkidchenko A.N. Autostabilization of factors that control growth in biological systems. Novosibirsk: Science, 1979, 141 p. (In Russ.)]
11. Адамович В.А., Терсков И.А., Дегерменджи А.Г. Эффект ауто стабилизации контролирующих рост факторов и взаимодействия в сообществе. ДАН, 1987, т. 235, № 5, с. 1236-1239. [Adamovich V.A., Terskov I.A., Degermendzhi A.G. The effect of self-stabilizing growth control factors and interactions in the community. DAN, 1987, vol. 235, no. 5, pp. 1236-1239. (In Russ.)]
12. Hutchinson G.E. The paradox of the plankton. The American Naturalist, 1961, vol. 95, no. 882, pp. 137-145.
13. Levine J.M., HilleRisLambers J. The importance of niches for the maintenance of species diversity. Nature, 2009, vol. 461, pp. 254-257.
14. Свирежев Ю.М., Логофет Д.О. Устойчивость биологических сообществ. М.: Наука, 1978, 352 с. [Svirezhev Yu.M., Logofet D.O. Sustainability of biological communities. M.: Nauka, 1978, 352 p. (In Russ.)]
15. Winemiller K.O. Spatial and temporal variation in tropical fish trophic networks. Ecol.Monogr., 1990, vol. 60, pp. 331-367.
16. Polis G.A.Complex trophic interactions in deserts: an empirical critique of food web theory. The American Naturalist, 1991, vol. 138, pp. 123-155.
17. Ives A.R., Carpenter S.R. Stability and diversity of ecosystems. Science, 2007, vol. 317, pp. 58-62.
18. Bartsev S.I. Stoichiometric constraints and complete closure of long-term life support systems. Adv Space Res., 2004, vol. 34, no. 7, pp. 1509-1516.
19. Салтыков М.Ю., Барцев С.И., Ланкин Ю.П. Зависимость устойчивости моделей замкнутых экосистем от числа видов. Журнал СФУ серия «Биология 2», 2011, № 4, с. 197-208. [Saltykov M.Yu., Bartsev S.I., Lankin Yu.P. Dependence of the stability of models of closed ecosystems on the number of species. SibFU journal series "Biology 2", 2011, no. 4, pp. 197-208. (In Russ.)]
20. Saltykov M.Yu., Bartsev S.I., Lankin Yu.P. Stability of CELSS models as dependent upon the properties of methabolism of the described species. Adv. Space Res., 2012, vol. 49, no. 2, pp. 229-223.
21. Saltykov M.Yu., Bartsev S.I. Developing of discrimination experiment to find most adequate model of plant’s multi-nutrient functional response. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2017, vol. 173, p. 012017. doi:https://doi.org/10.1088/1757-899X/173/1/012017
22. Bartsev S.I., Degermendzhi A.G., Sarangova A.B. Closure of Earth’s Biosphere: Evolution and Current State. Journal of Siberian Federal University. Biology, 2019 vol. 12, no. 3, pp. 337-347.
23. Marcott S.A., Shakun J.D., Clark P.U., Mix A.C. A Reconstruction of Regional and Global Temperature for the Past 11,300 Years. Science, 2013, vol. 339, pp. 1198-1201.
24. Neukom R., Steiger N., Gómez-Navarro J.J., Wang J., Werner J.P. No evidence for globally coherent warm and cold periods over the preindustrial Common Era. Nature, 2019, vol. 571, pp.550-572.
25. Drijfhout S. et al. Catalogue of abrupt shifts in Intergovernmental Panel on Climate Change climate models. PNAS, 2015, vol. 112, no. 43, pp. E5777-E5786.
26. Lenton T.M. et al. Climate tipping points-Too risky to bet against. Nature, 2019, vol. 575, pp. 592-595.
27. Steffen W. et al. Trajectories of the Earth System in the Anthropocene. PNAS, 2018, vol. 115, no. 33, pp. 8252-8259.
28. Барцев С.И., Дегерменджи А.Г. Ерохин Д.В. Глобальная минимальная модель многолетней динамики углерода в биосфере. ДАН, 2005, т. 401, № 2, с. 233-237. [Bartsev S.I., Degermendzhi A.G., Erokhin D.V. Global minimum model of long-term dynamics of carbon in the biosphere. DAN, 2005, vol. 401, no. 2, pp. 233-237. (In Russ.)]
29. Bartsev S.I., Degermendzhi A.G., Erokhin D.V. Principle of the worst scenario in the modelling past and future of biosphere dynamics. Ecological Modelling, 2008, vol. 216, no. 2, pp. 160-171.
30. Кондратьев К.Я., Крапивин В.Ф. Моделирование глобального круговорота углерода. М.: Физматлит, 2004, 336 с. [Kondratyev K.Ya., Krapivin V.F. Modeling the global carbon cycle. Moscow: Fizmatlit, 2004, 336 p. (In Russ.)]
31. IPCC, 2001. Climate Change. 2001: Scientific aspects, UNEP, 881 p.
32. Brovkin V., Sitch S., Bloh von W., Claussen M., Bauer E., Cramer W. Role of land cover changes for atmospheric CO2 increase and climate change during the last 150 years. Glob. Change Biol, 2004, vol. 10, pp. 1253-1266.
33. Stainforth D.A., Aina T., Christensen C. et al. Uncertainty in predictions of the climate response to rising levels of greenhouse gases. Nature, 2005, vol. 433, pp. 403-406.
34. Fitter A.H., Self G.K., Brown T.K., Bogie D.S., Graves J.D., Benham D., Ineson P. Root production and turnover in an upland grassland subjected to artificial soil warming respond to radiation flux and nutrients, not temperature. Oecologia, 1999, vol. 120, pp. 575-581.
35. Liski J., Ilvesniemi H., Makela A., Westman C.J. СО2 emissions from soil in response to climatic warming are overestimated - The decomposition of old soil organic matter is tolerant of temperature. Ambio, 1999, vol. 28, pp. 171-174.
36. Rochette P., Angers D.A., Flanagan L.B. Maize Residue Decomposition Measurement Using Soil Surface Carbon Dioxide Fluxes and Natural Abundance of Carbon-13. Soil Science Society of America Journal, 1999, vol. 63, pp. 1385-1396.
37. Risk D., Kellman L., Beltrami H. Carbon dioxide in soil profiles: Production and temperature dependence. Geophysical Research Letters, 2002, vol. 29, no. 6, pp. 111-114.
38. Piao S., Ciais P., Friedlingstein P. et al.Net carbon dioxide losses of northern ecosystems in response to autumn warming. Nature, 2008, vol. 451, pp. 49-52.
39. Wang G., Li F., Peng Y. et al. Responses of soil respiration to experimental warming in an alpine steppe on the Tibetan Plateau. Environ. Res. Lett., 2019, vol. 14, p. 10.
40. Brovkin V. Climate-vegetation interaction. J. Phys. IV France, 2002, vol. 12, pp. 52-57.
41. Pritchard S.G., Davis M.A., Mitchell R.J., Prior A.S., Boykin D.L., Rogers H.H., Runion G.B. Root dynamics in an artificially constructed regenerating longleaf pine ecosystem are affected by atmospheric CO2 enrichment. Environmental and Experimental Botany, 2001, vol. 46, pp. 35-69.
42. Morgan J.A., LeCain D.R., Mosier A.R., Milchunas D.G. Elevated CO2 enhances water relations and productivity and affects gas exchange in C3 and C4 grasses of the Colorado shortgrass steppe. Global Change Biol., 2001, vol. 7, pp. 451-466.
43. Gifford R.M. Implications of CO2 effects on vegetation for the global carbon budget. In: The global carbon cycle (ed. M. Heimann). Springer-Verlag, Berlin, 1993, pp. 159-199.
