Распознавание режимов эволюционно устойчивого движения зоопланктона — это создание модели эволюционно устойчивого поведения зоопланктона с применением технологии, связанной с распознаванием образов.
Общие сведения об эволюционно устойчивом поведении
Сегодня методы информационных технологий повсеместно применяются при моделировании биологических процессов. Например, широкое распространение получили искусственные нейронные сети. Одной из самых важных проблем эволюционного моделирования является прогнозирование результатов биологической эволюции, а также решение вопроса, какие наследуемые признаки могут остаться в популяции в ходе борьбы за существования, а какие могут потеряться. Причём большим значением обладает проблема обнаружения эволюционно устойчивого наследственного поведения живых организмов. Эволюционно устойчивым считается такое поведение (движение), которое способно сохраняться неограниченно долгое время среди разнообразных исходных методов поведения или случайных мутационных стратегий. Подобное поведение может стать доминирующим в ходе эволюции. Оно выступает как приспособительная реакция, которая является адаптивным откликом на влияние окружающей действительности.
Методологической основой для поиска эволюционно устойчивой стратегии может считаться идея Дарвина о том, что выживают самые приспособленные. Математическое обоснование данной идеи может потребовать введения функции приспособляемости (фитнеса), которая характеризует эффект приспособления по всем наследственным стратегиям. Со временем в популяции способна остаться лишь та стратегия, для которой функция приспособленности обладает наибольшим значением.
Эволюционно устойчивым может считаться такое поведение, при котором обеспечивается максимальное значение функции фитнеса. Если известна функция фитнеса, то возможно определить эволюционно устойчивую стратегию классическими методиками вариационного исчисления или оптимального управления.
Сегодня для математического моделирования эволюционно устойчивого поведения повсеместно применяется методика адаптивной динамики. Помимо этого, известен несколько более общий подход, опирающийся на изучение долговременной динамики распределения численности популяции по пространству наследственных стратегий. Исследование свойств приведённого распределения при неограниченно больших временных интервалах даёт возможность введения порядка предпочтительности, который отражает селективные преимущества разных стратегий, и задания функции фитнеса, соответствующей введенному порядку.
Специалисты вывели аналитическое выражение функции фитнеса для ряда релевантных моделей динамики популяции. Задача идентификации эволюционно устойчивого поведения обладает большим значением при изучении механизма каждодневных вертикальных суточных миграций зоопланктона.
Распознавание режимов эволюционно устойчивого движения зоопланктона
Явление регулярных вертикальных перемещений, которые совершают самые разнообразные виды пресноводного и морского зоопланктона в течение суток, известно учёным уже почти двести лет. Подобные перемещения являются эволюционно устойчивой стратегией поведения, а также механизмом адаптации к условиям окружающей среды. Они выступают как одно из самых значительных синхронных движений биомассы на Земле, и по этой причине являются существенным фактором, потенциально влияющим не климат Земли.
Наблюдение подобных явлений, объяснение причин и механизмов их появления является актуальной задачей современной экологии. Учёные выявили главные факторы внешней среды, которые влияют на поведение зоопланктона, а именно:
- Уровень плотности насыщения слоя воды пищей (фитопланктоном).
- Уровень плотности хищных рыб в слое воды.
- Степень активности хищников в зависимости от времени суток.
- Температура воды.
- Уровень радиации.
- Уровень насыщенности кислородом слоя воды и тому подобное.
Экспериментальным путём были установлены определённые закономерности изменения данных факторов в зависимости от вертикальных координат и времени суток. Однако эффект приспособления вертикальных миграций по отношению к факторам внешней среды пока ещё не считается окончательно прояснённым. Уровень сложности проблемы усугубляет большое разнообразие режимов наследственного поведения зоопланктона. Например, общеизвестно, что одни виды способны осуществлять выраженные вертикальные миграции, а другие на это не способны.
Разные математические модели, которые позволяют дать описание эффекта ежедневных суточных миграций зоопланктона, рассматривались обширным кругом специалистов. В одной из работ эволюционно устойчивое поведение зоопланктона было смоделировано при помощи численных методов путем максимизации функции фитнеса. Это предоставляет возможность распознавания режима вертикального перемещения по заданным факторам окружающей среды, которые влияют на поведение зоопланктона. Для реализации численной модели использовался один из возможных методов аппроксимации факторов окружающей среды, применяющий логистические зависимости (гиперболические функции). При этом не закрыт вопрос об идентификации параметров модели, позволяющих получить релевантные результаты математического моделирования.
До сих пор актуальной также является проблема предсказания самых важных качественных характеристик эволюционно устойчивого поведения по неполной и приближенной информации о факторах окружающей среды. Эти факторы всегда являются неточными и обладают дискретным выборочным характером, а также они доступны только для их оценки в некотором диапазоне. Однако при этом и синхронное движение популяции всегда предполагает только статистическое описание. При этом неизбежно возникает случайный разброс в поведении отдельных особей. С этой позиции является интересным не формирование точной функции эволюционно устойчивого движения, а только прогнозирование её основных качественных характеристик.
