Елена Наймарк

Биоразнообразие, как и народонаселение, растет по гиперболе

Динамика числа родов морских животных (вверху, по горизонтальной оси - миллионы лет до настоящего времени) и населения Китая (по горизонтальной оси - годы). Сходство графиков видно невооруженным глазом.

Рост разнообразия морских животных в течение 550 миллионов лет хорошо описывается гиперболической кривой. Гиперболическая модель предполагает, что рост числа родов связан с текущим разнообразием, возведенным в квадрат. Смысл квадратичного накопления разнообразия заключается в увеличении устойчивости сообществ при росте разнообразия и увеличении эффективности использования ресурсов. Увеличение устойчивости родов при росте разнообразия отражает кооперативный, а не конкурентный характер эволюции. Гиперболические законы развития оказываются приложимы и к демографическим системам, что лишь подчеркивает глубокую осмысленность гиперболических законов при описании развития сложных, иерахически структурированных систем.

В 2005 году в Дубне на конференции, посвященной общим законам исторического развития (Big History – так называется это новое научное направление) были показаны два графика: рост населения в Китае за 2.5 тыс. лет и рост разнообразия морской биоты в течение 550 млн. лет. Сходство этих двух графиков, изображающих развитие разных объектов (население и биота), при разном масштабе времени (сотни лет и миллионы лет), выполненные в рамках разных наук (социология и палеонтология) и по разным методикам (демографические оценки – палеонтологическая летопись), тем не менее, оказалось разительным. Почему оказались похожими столь разные объекты? Тогда же в Дубне и началось обсуждение этого феномена авторами обоих графиков А. В. Марковым и А. В. Коротаевым. Результат двухлетнего обсуждения они обнародовали в совместной статье на страницах ЖОБ.

Конечно, совпадение двух графиков могло быть случайным. Когда речь идет о статистике и количественной обработке разного рода сведений, нас то и дело поджидают опасные своей красотой бессмысленные двойники, внешне привлекательные повторы коэффициентов, фантомы периодичности... Понятно, что и изумительное сходство динамики развития биоты и народонаселения Китая не обошлось без случайных совпадений. Однако здесь случайность всего лишь заставила исследователей пристальней присмотреться к тому, как же устроены связи в живых системах. И вот, в механизмах формирования человеческих популяций и сообществ морских животных обнаружилось много общих закономерностей, и именно они, а не статистические обманки ответственны за появление данных графиков – двойников.

Современные демографические модели суммируют три механизма, формирующих численность народонаселения. Во-первых, мальтузианские законы. В их основе лежит простейшее предположение о том, что ресурсы ограничивают темпы прироста населения. При большом объеме свободных ресурсов население растет в геометрической прогрессии. При возрастании численности населения начинается конкуренция за ресурсы, что в свою очередь приводит к войнам, бедствиям и болезням, в результате численность населения снижается, высвобождается ресурсное пространство и система возвращается к начальному состоянию. Эти законы дают колебательную динамику многих параметров, характеризующих состояние демографической системы. Во-вторых, гиперболические законы роста населения. Они в упрощенной форме сводятся к тому, что объем ресурсного пространства или, точнее, несущая способность Земли не является постоянной величиной. Она постоянно увеличивается за счет изобретения новых технологий добычи продукции и производства мирового валового продукта. Увеличение несущей способности Земли зависит, таким образом, от числа изобретателей и от достигнутого уровня технологий. Чем больше число людей, тем больше изобретателей, тем быстрее увеличивается потенциальный ресурс Земли. В свою очередь возможности изобретателей зависят от технической оснащенности. Вот и получается, что темпы прироста народонаселения пропорциональны не самой численности населения, а ее квадрату, поэтому результирующая кривая отражается гиперболической функцией. Наконец, в третьих, демографические модели учитывают и стохастические колебания.

Какие же аналогии с демографией можно найти в моделях эволюции биоты? Во-первых, колебательные ритмы. На кривой родового разнообразия морской биоты за 550 млн.лет, опубликованной Дж.Сепкоски уже с четверть века назад, выявляются периодические колебания. По последним данным период колебаний разнообразия морской биоты составляет около 62 млн.лет. О причинах периодической динамики таксономического разнообразия пока ничего определенного сказать нельзя. Выдвигаются гипотезы и внешних астрономических событий и внутренних автоколебательных механизмов, и какие из них отвечают за периодичность разнообразия, пока неизвестно. Гиперболическая модель роста разнообразия нетипична при анализе разнообразия вымерших животных. Чаще используется экспоненциальная модель (рост в геометрической прогрессии). Тем не менее гиперболическая модель намного лучше совмещается с фактическими данными палеонтологической летописи, чем традиционная экспоненциальная. Остается только гадать, почему палеонтологи не обратили внимания на этот факт! (разве что демографы предпочитают слушать и читать демографов, а палеонтологи — палеонтологов). Смысл квадратичной зависимости темпов прироста разнообразия от текущего разнообразия может быть таким. Прямая зависимость — чем больше число предковых родов, тем больше число новых потомков. Квадратичная зависимость — устойчивость родов повышается при увеличении разнообразия, что само по себе выражается в накоплении разнообразия. Почему это так? Предположительно, чем больше число родов, тем больше альфа-разнообразие, то есть разнообразие каждого конкретного сообщества, освоившего то или иное местообитание. Альфа-разнообразие отражает освоение сообществом имеющихся ресурсов. Чем больше родов включено в сообщество и чем больше показатель выровненности (схожести частот встречаемости родов в сообществе), тем полнее используются ресурсы среды, а это всегда влечет за собой увеличение устойчивости. Вероятно, в этих рассуждениях имеется некая доля истины, потому что их подтверждают количественные оценки трех ключевых показателей — альфа-разнообразия, продолжительности существования и числа родов. Продолжительность существования прямо зависит от накопленного разнообразия, а рост альфа-разнообразия описывается простой гиперболической зависимостью.

Ну, а что касается наличия стохастической составляющей в моделях разнообразия биоты, то тут вряд ли найдутся несогласные.

Гиперболический характер роста разнообразия морской биоты наводит на размышления о кооперативном характере эволюции. Мы привыкли считать движущей силой эволюции конкуренцию за ресурсы, мол, кто сильнее, быстрее и умнее приладится к ресурсам, тот и победитель в эволюционной гонке. В действительности не менее мощным эволюционным мотором оказывается по всем признакам и кооперация, или взаимодополняющие отношения между эволюционирующими линиями. Кооперация проявляется в повышении устойчивости родов и видов, в результате разнообразие растет быстрее. Кроме того, взаимодействие различных видов прямо или косвенно ведет к возникновению новых экологических ниш, которые заполняются новыми поколениями видов и родов. Кооперация обеспечивает самоускоренное развитие всей системы.

Полный текст статьи

Элементы

© 2005-2017 «Элементы»