Динамика взаимодействия планктона и кислорода при изменении климата: катастрофы, вымирания и длительная переходная динамика

Влияние изменений климата на динамику популяций хорошо известно, и обычно проявляется неблагоприятными эффектами: исчезновением видов и уменьшением биологического разнообразия. В свою очередь, динамика популяций также влияет на климат, однако последствия этого влияния всё ещё мало изучены. В этом докладе будет рассмотрено влияние глобального потепления на планктон, а именно, на способность планктона производить кислород. Существуют оценки, что более чем половина атмосферного кислорода производится в результате фотосинтеза планктона. В результате, любое значительное уменьшение количества кислорода, производимого планктоном, скорее всего приведёт к истощению кислорода в атмосфере и массовому вымиранию животных и людей. Скорость производства кислорода зависит от температуры воды и, следовательно, подвержена влиянию глобального потепления. В работе этот вопрос исследуется теоретически с помощью новой математической модели взаимодействия планктона и кислорода, в которой скорость производства кислорода изменяется со временем, что описывает влияние глобального потепления [1]. В начале будет показано, что эта модель, несмотря на свою простоту и «концептуальность», предоставляет верхнюю границу для класса сложных реалистичных моделей океанической (био)динамики [2, 3]. Далее будет показано, что при достаточно большом увеличении температуры, происходит смена режимов модели: устойчивое производство кислорода становится невозможным и динамика системы приводит к вымиранию планктона и истощению кислорода. Также рассматривается сценарий, при котором после определённого увеличения температура останавливается на новом, более высоком, но, по-видимому, всё ещё «безопасном» значении, т.е. перед тем, как произойдёт катастрофическое истощение кислорода. Показано, что в этом случае система может демонстрировать долгосрочное квазиустойчивое поведение, которое всё ещё может привести к смене режима, но только после значительной задержки – эффект, известный как длительная переходная динамика [4, 5]. Наконец, утверждается, что такое катастрофическое глобальное истощение кислорода могло быть фактором, который привел к нескольким массовым вымираниям в геологическом прошлом Земли.
[1] Sekerci Y, Petrovskii SV. (2015) Mathematical modelling of plankton-oxygen dynamics under the climate change. Bull. Math. Biol. 77, 2325-2353. [2] Petrovskii SV, Sekerci Y, Venturino E. (2017) Regime shifts and ecological catastrophes in a model of plankton-oxygen dynamics under the climate change. J. Theor. Biol. 424, 91-109. [3] Sekerci Y, Petrovskii SV. (2018) Global warming can lead to depletion of oxygen by disrupting phytoplankton photosynthesis: a mathematical modelling approach. Geosciences 8, 201. [4] Hastings A, Abbott KC, Cuddington K, Francis T, Gellner G, Lai YC, Morozov A, Petrovskii SV, Scranton K, Zeeman ML. (2018) Transient phenomena in ecology. Science 361, eaat6412. [5] Morozov A, Abbott KC, Cuddington K, Francis T, Gellner G, Hastings A, Lai YC, Petrovskii SV, Scranton K, Zeeman ML (2020) Long transients in ecology: Theory and applications. Physics of Life Reviews 32, 1-40.