Учёные обращают внимание на тревожный сигнал, возникающий в таких сложных системах, как экологические пищевые сети, мозг и климат Земли. Может ли он помочь предотвратить будущие катастрофы? Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Расположенное в лесах северного Висконсина, озеро Питер когда-то кишело золотистыми блестянками, толстоголовками и другими пескарями, которые выщипывали из мутной воды блох, питающихся водорослями. Затем, семь лет назад, группа экологов начала увеличивать популяцию хищного большеротого окуня в озере. К уже имеющимся 39 окуням они добавили 12, затем еще 15 годом позже, и еще 15 месяцем позже. Окунь охотился на пескарей и вытеснял выживших к каменистому берегу, что давало блохам свободу размножаться и очищать воду. Тем временем мальки окуня, которых раньше пожирали пескари, процветали, и в 2010 году популяция окуня резко возросла до более чем 1000. Первоначальная экосистема, заросшая водорослями и доминировавшая пескари, исчезла, и началось царство окуня в чистой воде.
Сегодня большеротый окунь по-прежнему процветает. «Как только этот хищник становится доминирующим, его очень трудно вытеснить», — сказал Стивен Карпентер, эколог из Висконсинского университета в Мадисоне, руководивший экспериментом. «Это возможно, но это будет дорого стоить».
Эксперимент Питера Лейка продемонстрировал хорошо известную проблему сложных систем: они — существа чувствительные. Подобно тому, как Земля периодически погружается в ледниковый период, или когда луга превращаются в пустыню, рыболовство внезапно рушится, или человек впадает в глубокую депрессию, системы могут приближаться к невидимой грани, где достаточно лишь небольшого изменения, чтобы вызвать драматическую и часто катастрофическую трансформацию. Но системы, демонстрирующие подобные «критические переходы», как правило, настолько сложны и пронизаны петлями обратной связи, что эксперты не могут рассчитывать заранее рассчитать, где находятся их критические точки — или сколько дополнительных воздействий они могут выдержать, прежде чем безвозвратно перейти в новое состояние.
Однако на озере Питер Карпентер и его команда предвидели приближение критического перехода. Ежедневно переходя от ловушки к ловушке, подсчитывая извивающихся пескарей и собирая другие данные в течение трёх лет, исследователи получили первое полевое свидетельство раннего сигнала предупреждения, который, как предполагается, возникает во многих сложных системах, когда они дрейфуют к неизвестным точкам невозврата.
Этот сигнал, явление, называемое «критическим замедлением», представляет собой увеличение времени, необходимого системе для восстановления после небольших возмущений, таких как болезнь, сокращающая популяцию пескарей, вблизи критического перехода. Это происходит потому, что внутренние стабилизирующие силы системы, какими бы они ни были, ослабевают вблизи точки, в которой они внезапно переводят систему в другое состояние.
После исследования Питера Лейка интерес к критическому замедлению распространился на другие дисциплины, принеся с собой надежду на предвидение и предотвращение множества катастрофических сбоев. По мере того, как теоретики углубляют своё понимание этого явления, экспериментаторы собирают новые доказательства его существования в различных реальных системах.
«У нас есть все эти сложные системы, такие как мозг, климат, экосистемы, финансовый рынок, которые действительно трудно понять, и мы, вероятно, никогда не поймём их полностью», — сказал Мартен Шеффер, специалист по теории сложных систем из Вагенингенского университета в Нидерландах. «Поэтому это своего рода маленькое чудо, что в этих совершенно разных системах мы смогли найти универсальные индикаторы того, насколько они близки к пороговому значению».
Эксперты подчёркивают, что изучение критического замедления находится на ранней стадии и пока не готово служить сигналом к действию в управлении реальными системами. В некоторых случаях реагирование на сигнал может спасти вымирающий вид, психическое здоровье пациента или целую отрасль. Но в других типах сложных систем, изученных математически, например, в пищевых сетях, которые, в отличие от сети Питера Лейка, настолько хаотичны, что вообще не демонстрируют критических переходов, тот же сигнал может оказаться ложной тревогой. Карпентер, вернувшийся в Питер Лейк для нового эксперимента, говорит, что для выяснения этих различных случаев необходимы гораздо более глубокие исследования. Пока же, по его словам, «не пытайтесь повторить это дома».
Одна рыба, две рыбы
Любитель активного отдыха, любитель рыбалки, охоты и стрельбы из огнемета по неместным растениям вокруг своего коттеджа на юго-западе Висконсина, Карпентер «видит общую картину быстрее и лучше большинства ученых», — сказал Майкл Пейс, эколог из Университета Вирджинии и его коллега. Карпентер в течение 35 лет с перерывами работал в экспериментальном заповеднике, где расположено озеро Питер, используя относительно закрытые системы, которые предоставляют озера, для проверки важных идей в теории сложности. Критическое замедление, как идея, можно проследить по крайней мере до 1950-х годов, когда физики выдвинули теорию о том, что оно возникает при определенных свойствах материи вблизи фазового перехода. Но, как рассказывает Карпентер, потенциальная полезность критического замедления оставалась незамеченной до пьяной беседы в 2003 году в баре-ресторане на Тобаго, где он и несколько коллег собрались на конференцию.
Закрывать
Кроуфорд «Базз» Холлинг, выдающийся канадский эколог-теоретик, начал вспоминать о знаменитом объяснении вспышек численности насекомых, которое он и двое его коллег разработали в 1978 году. Они показали, что в математической модели эволюционирующей лесной экосистемы, когда условия были идеальными, небольшое изменение этих условий могло спровоцировать внезапный взрыв насекомых, убивающих деревья, как это происходит каждые несколько десятилетий в ельниках и пихтах восточной Канады и Америки. Но был один аспект модели, который, по словам Холлинга, он никогда не понимал: перед вспышкой, когда насекомых было еще мало, но модельный лес приближался к своей критической точке, популяция насекомых начинала все более и более хаотично меняться от одного места к другому по всему лесу.
Напротив него сидел Уильям «Баз» Брок, математик-экономист, специализирующийся на динамических системах в Мэдисоне. Брок сразу понял, почему дисперсия популяции насекомых увеличилась на грани вспышки. Он выхватил жёлтый блокнот и за парой бутылок вина объяснил своим товарищам-экологам, что такое критическое замедление. Карпентер сказал, что «сразу» понял, что это явление может служить экологическим сигналом тревоги. Оказалось, что немецкий эколог Кристиан Виссель высказал ту же мысль 20 лет назад, но мало кто это заметил. «Работа, которую мы начали проводить после того разговора 2003 года, действительно дала толчок развитию целой отрасли в экологии», — сказал Карпентер.
Пищевая сеть озера Питер имеет два устойчивых состояния, которые на математическом жаргоне называются «аттракторами». В одном из возможных состояний озеро изобилует водорослями, а большеротый окунь встречается редко. Это даёт пескарям полную свободу действий. Они пожирают водяных блох (что способствует процветанию водорослей), а также большую часть недавно вылупившихся окуней. Эта обратная связь поддерживает состояние озера, корректируя небольшие отклонения от равновесия. Например, когда пескари заболевают, избыток блох позволяет их численности быстро восстановиться.
Но озеро Питер также стабильно, когда оно чистое и полно окуня. В этом альтернативном состоянии хищники высоки, поэтому численность пескарей ограничена; это позволяет водяным блохам процветать (что подавляет водоросли), а малькам окуня достигать зрелости. И снова, экосистема управляется самоусиливающимся циклом обратной связи.
Эндрю Сильвер для журнала Quanta Magazine, дизайн Елены Шмахало, фотографии Тодда Пирсона/Engbretson Underwater Photography
На упрощённой диаграмме возможных состояний экосистемы два устойчивых состояния образуют верхнюю и нижнюю части S-образной кривой. Если экосистема отклоняется от этой кривой, она быстро возвращается к ней, оставаясь привязанной либо к верхнему, либо к нижнему состоянию в зависимости от того, какой контур обратной связи доминирует в её динамике. Со временем экосистема может горизонтально перемещаться вдоль кривой, поддаваясь потоку внешних воздействий, к одному из крутых поворотов – переломному моменту. Когда Карпентер и его команда увеличили популяцию окуня в озере, экосистема сместилась из нижней левой части S-образной кривой к первому повороту. По мере приближения к этой переломной точке контур обратной связи, благоприятствующий пескарям, начал терять своё доминирование над конкурирующим контуром обратной связи, благоприятствующим окуню. Эти эффекты практически нейтрализовали друг друга. Следовательно, когда болезни и другие случайные возмущения оттесняли популяции видов от кривой, экосистеме потребовалось гораздо больше времени для восстановления, чем раньше. Это критическое замедление. Замедление позволяет накапливаться нарушениям в экосистеме, поэтому, согласно модели Холлинга, разброс в численности насекомых увеличивается на пороге вспышки. Когда Карпентер и его команда ежедневно подсчитывали количество пескарей в 60 ловушках, разброс в их количестве также увеличивался по мере приближения к критической точке перехода.
Пищевая сеть озера Питер теперь закреплена на вершине S-образной кривой. Удалить достаточное количество окуня, чтобы подтолкнуть систему к левой точке невозврата и вернуть её в состояние доминирования пескарей, вероятно, можно только с помощью безжалостного и беспорядочного применения яда для рыб. «Никому не нравится такой подход», — сказал Пейс. В любом случае, в этом нет необходимости. Для нового эксперимента на озере Питер доминирование окуня или пескаря не имеет значения.
Критические замедления
Критическое замедление должно быть осуществимым, чтобы быть полезным для предотвращения катастроф в реальном мире. Два года назад Карпентер и его команда начали постепенно обогащать озеро Питер питательными веществами, чтобы подвести его к грани другого критического перехода: начала цветения водорослей. Когда они стали статистически уверены в том, что измерили критическое замедление pH и уровня водорослей, они прекратили обогащение озера и стали ждать, произойдет ли цветение водорослей в любом случае или реакция исследователей на сигнал позволит озеру вернуться к нормальному состоянию. «Я могу определенно сказать, что вы получаете очень сильные индикаторы критического замедления по цветению водорослей, и я также могу сказать, что мы добились определенного успеха в его остановке», — сказал Карпентер, подчеркнув, что результаты еще не прошли рецензирование.
По его словам, в конечном итоге специалисты по управлению экосистемами, располагающие ограниченными ресурсами, смогут использовать показатели критического замедления для сравнения относительного благополучия различных озер, классифицируя их на здоровые, ухудшающиеся и обреченные категории и концентрируя свои усилия там, где они могут принести наибольшую пользу.
Лисандро Бенедетти-Чекки, эколог из Пизанского университета в Италии, обнаружил сильные сигналы критического замедления в ответ на ухудшение состояния приливно-отливной морской экосистемы в Средиземном море. Там, в приливной зоне могут преобладать либо разнообразные по видам миниатюрные леса, либо экологически неблагоприятный дерн. По мере того, как Бенедетти-Чекки и его команда ухудшали небольшие участки леса, приближая их к критической точке, в которой дерн берет верх (соблюдая осторожность, чтобы не повредить неэкспериментальные участки), они измерили критическое замедление времени восстановления леса. В отдельном исследовании, которое еще не опубликовано, они обнаружили, что продолжительность восстановления, или расстояние, необходимое для перехода региона с преобладанием дерна обратно в здоровый регион с преобладанием леса, также увеличивается вблизи критической точки. Бенедетти-Чекки надеется, что измерения времени и продолжительности восстановления в конечном итоге станут частью набора инструментов каждого специалиста по управлению прибрежной дикой природой. «Моя идея — создать систему оповещения на побережье цивилизованного мира, позволяющую отслеживать состояние окружающей среды», — сказал он. «Любое изменение условий укажет на то, что что-то идёт не так».
Мартен Шеффер и его коллеги обнаружили, что критическое замедление колебаний настроения может служить индикатором приближающихся депрессивных эпизодов. Сейчас они ищут сигнал в нейронной активности перед приступами мигрени, которые затрагивают 12% взрослых и, как считается, провоцируются критическими изменениями в коре головного мозга. «Многочисленные другие факторы заставляют людей всё больше и больше отдаляться от критической точки [мигрени], но пока у нас нет способа это измерить», — сказал Шеффер. «Если мы сможем объективно измерить, насколько близок мозг к этой критической точке, мы сможем провести гораздо более содержательные исследования потенциальных причинных факторов».
Другие исследователи начали использовать критическое замедление в качестве инструмента для прогнозирования будущего климата Земли. Еще в 2008 году Василис Дакос из Швейцарской высшей технической школы Цюриха в Швейцарии и его коллеги обнаружили в палеоклиматических данных доказательства того, что критическое замедление предшествовало многим резким климатическим сдвигам в истории Земли, таким как окончание ледниковых периодов и опустынивание Северной Африки, что позволяет предположить, что многие крупные климатические системы претерпевают критические переходы. В исследовании текущих данных наблюдений, опубликованном в сентябре, Тим Лентон и Крис Болтон, специалисты по системам Земли из Эксетерского университета в Великобритании, измерили замедление колебаний температуры поверхности моря в модели циркуляции океана, называемой Тихоокеанским декадным колебанием (ТДО). Само ТДО, по-видимому, не претерпевает критических переходов, но ослабление его внутренних стабилизирующих сил может быть плохой новостью для связанных морских экосистем, которые действительно имеют точки невозврата. По словам Лентона, в настоящее время климатологи склонны рассматривать критические изменения климата Земли как события с высокой степенью воздействия, но с низкой вероятностью. Однако, по его словам, «по-настоящему качественная оценка рисков», основанная на критическом замедлении, показала бы, что «если мы продолжим заниматься проблемой изменения климата в обычном режиме, эти события станут событиями с высокой степенью воздействия и высокой вероятностью».
Но, не имея возможности проникнуть в тонкости внутреннего устройства большинства сложных систем, мы часто можем лишь догадываться, есть ли у них несколько устойчивых состояний и критических переходов. Многие реальные системы, по-видимому, следуют схеме озера Питер. Но другие настолько хаотичны, что их переменные непредсказуемо развиваются и вообще не демонстрируют критических переходов. Это может быть верно для некоторых климатических систем и даже для некоторых озер. В 2010 году экологи-теоретики из Калифорнийского университета в Дэвисе показали, что в конкретной модели трёхвидовой пищевой сети озера один из видов может выйти из равновесия и вымереть, не проявив никаких признаков критического замедления. «Это системы, которые просто немного сложнее в своей базовой динамике», — сказал Алан Хастингс, руководитель исследования. В отличие от S-образной кривой, представляющей устойчивые состояния озера Питер, сказал Хастингс, для этих экосистем «невозможно нарисовать картину. Картина не только невероятно сложнее, но её даже не существует».
В других случаях критическое замедление может присутствовать в системе, но слишком слабое, чтобы его можно было легко измерить. Джефф Гор, биофизик из Массачусетского технологического института и соисследователь, работавший над исследованием побережья Средиземного моря, также провёл серию подробных исследований критического замедления в лабораторных культурах дрожжей — экосистемах, которые, по признанию Гора, его совершенно не интересуют, но которые демонстрируют однозначные критические переходы. Команда Гора недавно сообщила, что в культурах дрожжей, стабилизированных одновременно несколькими факторами окружающей среды, сигналы критического замедления могут (при определённых сочетаниях факторов) размываться и их трудно обнаружить.
Недавняя обзорная статья Шеффера, Карпентера, Дакоса и Эгберта ван Неса из Университета Вагенингена суммирует то, что в настоящее время известно о масштабах критического замедления, включая его ограничения.
«Можно взглянуть на стакан наполовину пустым и сказать: да, есть множество ситуаций, в которых мы не можем ожидать критического замедления», — сказал Шеффер. «Но я думаю, это чудо, что стакан на самом деле наполовину полон».
Эта статья была перепечатана на Wired.com и TheAtlantic.com.
Источник: www.quantamagazine.org
