Новый метод прогнозирования переломных моментов - момента, когда в сложных сетевых системах происходят внезапные изменения - может дать информацию, которая предотвратит расстройство коллапса колонии (CCD), явление, при котором большинство рабочих пчел в колонии исчезает, угрожая сельскохозяйственной экономике на глобальном уровне.
В 2015-2016 годах пчеловоды США потеряли 44 процента своих пчелиных семей, согласно опросу, частично финансируемому Министерством сельского хозяйства США.
Документ «Предсказание переломных моментов в мутуалистических сетях посредством уменьшения размерности», опубликованный на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences в виде расширенной исследовательской статьи (PNAS Plus), был разработан группой исследователей из Университет штата Аризона и университеты Китая, США. S. и Великобритания
Исследователи использовали в качестве своей модельной системы 59 эмпирических сетей опылителей и растений (взаимодействия опыления между пчелами и растениями) с различных континентов и климатических зон и пришли к двумерной модели, которая может точно предсказать возникновение переломные моменты в каждой сетевой системе. Переломным моментом в сети опылителей и растений является момент, когда все популяции опылителей (пчел и растений) уменьшаются до нуля.
Сетевые системы варьируются от экосистем и климата Земли до экономических, социальных и инфраструктурных систем, таких как энергосистема. Переломные моменты, или «фазовые изменения», возникают, когда компоненты системы начинают взаимодействовать по-другому, проявляясь в виде внезапных изменений в общесистемном поведении.
Обычные примеры переломных моментов включают в себя момент, когда нагретая вода достигает температуры, при которой она начинает кипеть, или когда вещество плавится из твердого состояния в жидкое.
В сети опылителей-растений переломным моментом является критическое значение определенного параметра, такого как количество удаленных видов пчел или уровень смертности видов пчел, при котором популяции всех пчел и виды растений резко уменьшаются почти до нулевых значений», - объяснил ведущий автор статьи Ин Ченг Лай, профессор электротехники, вычислительной техники и энергетики в АГУ.«Происходит одновременный коллапс всех популяций пчел и растений, потому что они взаимно связаны и взаимодействуют друг с другом крайне нелинейным образом».
Как только переломный момент предсказан, можно разработать стратегии контроля, чтобы отсрочить или даже предотвратить его наступление. «Например, мы можем сосредоточиться на определенном виде пчел и защитить его численность, вводя больше пчел, чтобы поддерживать популяцию на постоянном уровне», - сказал Лай. «Или мы можем принять меры по отказу от использования определенных пестицидов, которые вредны для этого вида пчел».
Для каждой реальной сети команда рассчитала две типичные функции устойчивости и сравнила их с функциями соответствующей сокращенной 2D-модели. «Мы обнаружили повсеместное хорошее согласие для всех 59 эмпирических мутуалистических сетей, что привело к выводу, что наша 2D-модель может точно предсказать возникновение переломного момента даже при наличии случайных возмущений», - сказал Лай.
Сокращенная модель может служить парадигмой для понимания и прогнозирования динамики переломных моментов в реальном мире для защиты опылителей, а общий принцип широко применим для решения проблем устойчивости и устойчивости в других дисциплинах науки и техники..
«Наступление переломного момента вызывает серьезную озабоченность, поскольку может привести к внезапному и полному краху системы», - пояснил Лай. «Предсказать переломный момент и понять ответственные динамические процессы необходимо для разработки эффективных стратегий контроля, чтобы отсрочить или даже предотвратить его возникновение. Это будет иметь большое значение для защиты и поддержания сложных систем, которые имеют решающее значение для современного общества и человеческих жизней."