Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Математическое моделирование динамики численности популяций иксодовых клещей в экосистемах

ВАК РФ 03.01.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Математическое моделирование динамики численности популяций иксодовых клещей в экосистемах"

005059374

На правах рукописи

ВШИВКОВА Ольга Антоновна

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИЮВАНИЕ ДИНАМИКИ ЧИСЛЕННОСТИ ПОПУЛЯЦИЙ ИКСОДОВЫХ КЛЕЩЕЙ В ЭКОСИСТЕМАХ

03.01.02 - биофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 6 МАЙ 2013

Красноярск - 2013

г-

V:

005059374

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» Федерального агентства по образованию (г. Красноярск)

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, профессор Хлебопрос Рема Григорьевич

Официальные оппоненты:

Белолипецкий Виктор Михайлович, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБУН Институт вычислительного моделирования СО РАН, отдел вычислительных моделей в геофизике, заведующий отделом

Фрисман Ефим Яковлевич, член-корреспондент РАН, доктор биологических наук, ФГБУН Институт комплексного анализа региональных проблем ДВО РАН, директор института

Ведущая организация

ФГБУН Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, г. Пупщно

Защита состоится «28» мая 2013 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д003.007.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте биофизики СО РАН по адресу: 660036, г. Красноярск, ул. Академгородок, д.50, строение 50. "' Факс: (391)2433400 E-mail: ibp@ibp.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУН Института биофизики СО РАН.

Автореферат разослан «л£» ClUjJIUJL- 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

Л.А. Франк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Описание и интенсивное изучение популяций

иксодовых клещей (особенно видов Ixodes Persulcatus и Ixodes Ricinus) началось в

начале XX века. Это связано с установлением их роли как переносчиков

возбудителей многих природно-очаговых заболеваний человека и животных

(Зильбер, 1939, 1945; Зильбер и др., 1938; Павловский, 1939, 1964; Чумаков, 1940,

1944; Коренберг и др., 1986; Алексеев, 1993; Шагинян, Гинцбург, 1995 и др.).

Полученные по динамике популяции клеща данные (Шилова, I960; Лыков и др., 1964; Колмакова, 1965; Беляева, 1966; Золотев, Кузнецова, 1967; Килина, Пустовойт, 1971; Верета, 1975; Волков, Ершов, 1979; Бойко и др., 1982; Окулова и др., 2001; Gorchakovskaya, Korotkov, 1971, Романенко, 2007; Хазова, 2006) используются для решения ряда практических задач, связанных с разработкой эпидемиологических прогнозов, профилактикой природпоочаговых заболеваний, разработкой методов снижения численности клещей в экосистемах.

Во всех перечисленных направлениях были достигнуты значительные успехи, за исключением вопросов исследования популяцио ппой динамики, поскольку ряды натурных измерений численности клеща и его прокормителей на большинстве исследуемых территорий для анализа недостаточно длинны. Однако популяционную динамику клеща представляется возможным исследовать с применением математического моделирования. В доступной нам литературе работы, связанные с математическим моделированием динамики популяций клеща, отсутствуют. Теоретическое описание и математическое моделирование дают возможность оптимизировать поиск решения задач управления для эффективного снижения численности клещей.

Математическая модель позволяет выявить наиболее важные факторы, влияющие на динамику той или иной популяции, наметить направление исследований и составить план необходимых натурных наблюдений. Имитационное компьютерное моделирование позволяет анализировать особенности взаимодействий популяции и факторов окружающей среды, рассматривать различные сценарии изменения этих факторов, давать прогнозы

динамики численности популяций.

Цель исследования:

Выявить закономерности популяционной динамики иксодового клеща в экосистемах с использованием статистического анализа натурных данных и математического моделирования межвидовых взаимодействий.

Основные задачи:

1. Провести анализ динамики численности популяции таежного клеща в экосистемах Красноярского края и г. Новосибирска, выявить закономерности, обусловливающие его повышенную устойчивость к изъятию.

2. Построить математическую модель, позволяющую оценить ареалы распространения популяций иксодовых клещей в экосистемах Евразии.

3. Построить имитационную клеточно-автоматную модель динамики численности популяций клеща в экосистемах средних широт.

4. На основании моделей рассмотреть варианты эффективного снижения численности иксодового клеща в экосистемах.

Положения, выносимые на защиту:

Математическая модель динамики численности иксодового клеща позволяет оценить ареал распространения популяции по значениям мальтузианского параметра размножения клеща. Весь ареал представим как совокупность экотопов: со значением мальтузианского параметра существенно больше 1 (благоприятные для клеща экогопы) или существенно меньше 1 (неблагоприятные экотопы).

Особенности жизненного цикла иксодового клеща в средних широтах обусловливают сверхвысокую устойчивость клещей к элиминации из экосистем.

Клеточно-автоматная модель позволяет исследовать влияние различных факторов на темпы роста численности популяции клещей: при сокращении территории с оптимальными условиями развития популяции иксодового клеща более чем на 60% элиминация клеща происходит уже на первых 5 — 7 шагах

моделирования (соответствующих 5-7 годам реального времени в экосистемах).

Полученные в результате численного моделирования данные позволяют планировать натурные наблюдения и эксперименты для более детального анализа динамики популяции иксодового клеща.

Научная новизна. Впервые проведен статистический анализ рядов данных числе нностей популяции иксодового клеща в экосистемах Сибири, что позволило выявить особенности популяционной динамики клеща, оценить влияние регулирующих и модифицирующих факторов.

Построена дискретная по времени математическая модель динамики численности популяции иксодового клеща, позволяющая оценить ареалы распространения популяций иксодовых клещей в экосистемах Евразии.

Впервые на основе клеточно-автоматнош подхода построена имитационная модель, которая позволяет исследовать влияние различных факторов на темпы роста численности популяции клещей.

Теоретическая значимость полученных результатов состоит в адаптации и развитии математических методов качественного и количественного анализа динамики численности к популяциям иксодового клеща в экосистемах.

Практическую ценность работы составляют построенные модели оценки скорости распространения популяций иксодовых клещей в экосистемах, при этом в имитационной клеточно-автоматной модели реализуется возможность исследования влияния различных факторов на темпы роста численности популяции клещей.

Полученные результаты могут быть использованы для решения практических задач, направленных на снижение численности клещей в экосистемах (вплоть до элиминации).

Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 18 научных конференциях: на XIV, XVI, XVII Всероссийских научных конференциях студентов-физиков и молодых ученых, 2008 г., 2010г., 2011 г.; на XIV, XV Международных симпозиумах «Сложные системы в

экстремальных условиях», КНЦ СО РАН, Красноярск, 2008 г., 2010 г.; Geilo Advanced Study Institute on "Order, Robustness ans Instabilities in Complex Systems", Geilo, Norway, 2009 г.; на XVIII Международном симпозиуме «Экология и безопасность», г. Бургас, Болгария, 2009г.; на Научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых-физиков",Сибирский федеральный университет, Красноярск, 2009 г.; на первой и второй Национальных научных конференциях с международным участием «Математическое моделирование в экологии» (ЭКОМАТМОД-2009, -2011), Пущино, 2009 г., 2011 г.; на Пятой, Шестой, Седьмой Летних Межрегиональных школах физиков, 2009 г., 2011 г., 2012 г.; на Конференции молодых ученых КНЦ СО РАН, Красноярск, 2010 г.; на Всероссийской конференции «Математическое моделирование и Вычислительно-информационные технологии в Междисциплинарных научных исследованиях», г. Иркутск, 2011 г.; на Всероссийской конференции «Равновесные модели экономики и энергетики», нос. Листвянка, 2011 г.; на Российско-Монгольской конференции молодых ученых по математическому моделированию, вычислительно-информационным технологиям и управлению, нос. Ханк, Монголия, 2011 г.; на VI Регаональной школе-семинаре молодых ученых, аспирантов и студентов «Территориальные исследования: цели, результаты и перспективы», г. Биробиджан, 2011 г.

Личный вклад автора состоял в постановке цели и задач, решаемых в диссертационной работе, анализе литературных данных, планировании и проведении численных экспериментов, осуществлении обработки, описания и обсуждения полученных результатов. В совместных работах автор участвовал в построении и исследовании моделей динамики численности иксодового клеща.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных материалов кандидатских диссертаций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников; объем

диссертации 105 страниц, включая 43 рисунка. Список использованных источников состоит из 164 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении дается обоснование актуальности темы диссертации, излагается предмет исследования диссертации, формулируются цель и задачи исследований, перечислены основные этапы и методы работы.

Первая глава диссертации посвящена описанию популяций иксодового клеща (биологии и экологии вида), обзору некоторых моделей, предназначенных для описания динамики численности однородной популяции и популяции с возрастной структурой.

В § 1.1. приведен обзор математических моделей, предназначенных для описания динамики численности однородных популяций (рассмотрены модели Мальтуса, Ферхюльста, Риккера), популяций с возрастной структурой ((Згеептап е1 а1., 2005; Фрисман, Жданова, 2009). Приведены некоторые модели описания динамики численности насекомых, поскольку жизненные циклы описываемых иксодовых клещей и насекомых имеют некоторое сходство (стадийность развития, наличие диапаузы, возрастная структура).

В § 1.2. проведен анализ литературы по биологическим и экологическим особенностям популяций иксодовых клещей, рассматривается их систематическое положение, описываются ареал распространения тех видов иксодовых клещей, которые имеют наибольшее распространение в средних широтах Евразии (таежного и лесного клещей), рассматривается возрастной состав популяции, особенности жизненного цикла вида, трофические связи, приводится динамика численности таежного клеща для нескольких городов Сибири (Красноярск, Томск, Новосибирск).

Во второй главе проведен последовательный анализ динамики численности клеща. Для популяции клеща характерен эруптивный тип динамики численности, который отличают по регулярным переходам от состояния с низкой плотностью к состоянию с высокой плотностью.

В $ 2.1. проведен линейный анализ временных рядов численности популяций таежного клеща, обитающих в экосистемах Красноярского края и г. Новосибирска.

В 8 2.2. проведен нелинейный анализ временных рядов численности популяций таежного клеща. Для этого была введена новая характеризующая плотность популяции переменная, равная логарифму плотности популяции <2 = 1п X. Для описания колебаний ввели нормированную величину г(0 = 6(0-6. В динамике численности клеща можно выделить линейную и колебательную составляющие. Построен фазовый портрет динамики таежного клеща.

Для анализа циклических колебаний были вычислены автокорреляционные функции для многолетних рядов динамики численности таежного клеща в Красноярском крае и г. Новосибирске.

Проведенный корреляционный анализ влияния численности прокормигелей на динамику численности популяций таежного клеща показал, что временные ряды численностей клеща и прокормигелей коррелируют. При этом ряд данных по численности клеща «запаздывает» на год, это позволяет говорить о том, что основной вклад в динамику численности таежного клеща прокормители вносят на стадии нимфы.

Третья глава посвящена построению и описанию математической модели динамики численности иксодового клеща в экосистемах. Присутствие в экосистеме какого-либо нежелательного вида обусловлено целым рядом биотических и абиотических факторов. Для решения проблемы элиминации клещей из экосистемы мы использовали полученные во второй главе закономерности их популяционной динамики и особенности их взаимодействия с популяциями прокормигелей.

В § 3.1. построена модель, описывающая зависимость динамики численности популяций клеща от численности популяции мелких млекопитающих - его прокормигелей на ранних стадиях развития. Все события жизненного цикла клеща можно охарактеризовать соответствующими вероятностями. Вероятность

того, что самка клеща откладывает около 2000 яиц в надпочвенную подстилку, равна цг (0< г/; < 1). Яйца превращаются в личинки с вероятностью ц2 (0< ц3 < 1). Для перехода в следующую фазу (нимфы) личинки должны напитаться кровью ЖИВОТНЫХ, В ОСНОВНОМ, мелких грызунов. Вероятность ЭТОГО перехода Г]з(п), где п - плотность грызунов в экосистеме, (0< Цз(п) < 1). Образовавшиеся нимфы поднимаются по стеблям растений на высоту нескольких сантиметров, прикрепляются к телу животных, напитываются их кровью и уходах в подстилку, где после зимовки переходят в стадию имаго с вероятностью (0< г/,(к) <1), где /', в зависимости от экологических условий местности, равно 4 или 5.

Важно, что взаимодействие теплокровных и клеща имеет узкое звено: на ранних фазах развития клеща (рис. 1) доминирующую роль в его питании играет кровь мелких лесных грызунов.

О

»8

Й,П|" нимфы

&& ------Ш

Ъ « &

Рис.1. Роль мелких млекопитающих в жизненном цике икеодового клеща: кровь лесных грызунов является шпдей для личинок и нимф икеодового клеща.

Присутствие любой популяции в экосистеме характеризуется коэффициентом

ее размножения К. Пусть х - плотность клещей в экосистеме. Тогда коэффициент

Х]+1

размножения: К = ; где j - номер генерации клеща. При х -» 0 К -> аг (рис.

х)

2), где ж - мальтузианский параметр размножения (удельная скорость роста) клещей, зависящий от различных биотических и абиотических факторов: ае = <р(п,у1гу2,..., >>,), (1)

где п - плотность грызунов в экосистеме, у, - биотические и абиотические компоненты экосистемы (у=1,2,...).

На рис.2 представлена зависимость коэффициента размножения популяции К от ее численности х. Кривая К' характеризует зависимость К(х) для реально существующих популяций, для которых характерен ЭС > 1; в случае, когда 33 < 1, популяция в конечном итоге элиминируется из экосистемы (кривая К")\ Хо - плотность популяции, при которой ее численность сохраняется.

Рис.2. Коэффициент размножения популяции. По оси абсцисс х - плотность популяции, по оси ординат К - коэффициент размножения.

При заданных значениях у„ в экосистеме выражение (1) принимает вид

эг=ф(п).

Далее в разрабатываемой модели необходимо учесть следующие три характерных размера, описывающих перемещение особей иксодового клеща в экосистеме:

1. Расстояние, на которое могут перемещаться личинки от места кладки -порядка нескольких сантиметров в диаметре.

2. Расстояние, на которое разносятся личинки прокормителями (чаще всего грызунами одной семьи) - диаметр порядка 5-6 метров. Нимфы появляются и разносятся на этой же площади.

3. Расстояние, на которое могут быть унесены имаго клеща крупными млекопитающими - порядка 10 км.

Из сказанного следует, что вероятность перехода «личинка-нимфа» в зависимости от плотности популяции мелких млекопитающих можно описать кривой 8-образного типа, выходящей не из нуля (рис. 3 кривая Ш). Начальное значение кривой при отсутствии в данном месте мелких прокормителей

определяется наличием других видов теплокровных (например, гнездящимися на земле птицами).

Участок кривой при небольшой плотности мелких прокормителей (мышей), на котором вероятность встречи личинки с мышью мало отлична от нуля, обусловлен концентрацией всех личинок на площади, меньшей 1 дм2.

Когда плотность мышей достигает определенного уровня, вероятность встречи личинки и прокормителя, а следовательно и перехода «личинка-нимфа», существенно растет с ростом числа грызунов. Затем на кривой имеет место участок «насыщения» вероятности встречи, что объясняется практически неограниченным количеством прокармливающихся личинок на одной особи грызуна.

Вероятность перехода «нимфа-имаго» также была охарактеризована кривой 8-образного типа, но участок кривой, на котором вероятность встречи нимфы и грызуна близка к нулю, существенно короче (рис. 3 кривая IV). Последнее объясняется тем, что нимфы уже распределены по значительной части территории, занимаемой семейством грызунов.

Произведение вероятностей кладки яиц самкой, переходов «яйцо-личинка», «личинка-нимфа», «нимфа-имаго», умноженное на число яиц в кладке, будем считать вероятностью перехода «яйца одной кладки до имаго» или мальтузианским параметром популяции клеща (2).

Пусть у - доля самок в популяции клеща. Тогда

аз(п)=Муг12Г12-Ъ, (2)

где N - объем кладки,

Зависимость чАп) можно записать в виде системы уравнений:

= , где р1 > а,. (3)

Решениями системы уравнений (3) являются кривые, представленные на рис.3.

& в

о

ёпдо)

Ш (Г

п-плотность меяппс млекогштающтгх

Рис.3. Вероятности перехода между стадиями метаморфоза клеща. Т1,(0) - вклад в динамику численности клеща всех других факторов влияния окружающей среды.

В силу (2) зависимость мальтузианского параметра ав от плотности

мышевидных грызунов и можно выразить кривыми, представленными на рис.4, а - области с к ниже 1 при любой численности грызунов, Ь - области с аг, большим 1 при любой численности грызунов, с - области с переменным аз, проходящим через 1; ппор - пороговое значение плотности мышевидных грызунов, при котором 86=1.

к I

Н 1

& «й й №

11

ь

с

п - плотность мелких млеко пытающих

Рис.4. Зависимость величины мальтузианского параметра популяции клещей ае от плотности мышевидных грызунов в экосистеме.

Приведенная модель, описываемая уравнениями 1 - 3, и предварительные

эксперименты показывают, что существует пороговая плотность мышевидных грызунов, ниже которой клещ исчезает из экосистемы. Математически это выглядит следующим образом: плотность популяции грызунов следует удерживать на уровне ниже порогового значения, т.е. (см. рис.4, кривая с) левее точки пП0р - и таким образом экосистема попадает в область, где мальтузианский параметр размножения клеща меньше 1.

В § 3.2. путем внесения в модель дополнительных параметров описано

влияние популяций муравьев на динамику численности популяций клеща.

«Жертвой» муравья-фуражира может стать и иксодовый клещ на начальных стадиях развития (яйцо, личинка, нимфа).

Математическую модель взаимодействия популяций иксодовых клещей и муравьев строили в виде разностных уравнений, основываясь на имеющейся модели взаимодействия популяций иксодовых клещей и мелких млекопитающих. При этом рассматривали два вида воздействия муравьев на популяции клещей: прямое влияние - непосредственное выедание отдельных особей (описывается уравнением (4); опосредованное влияние - снижение численности клещей через снижение численности прокормителей (описывается уравнением (5). Были внесены aj, а2, аз - эффективные параметры взаимодействия клеща на определенной стадии развития (яйцо, личинка, нимфа) с муравьями-фуражирами. В линейном приближении ajm, а2т, а&п - соответственно, доли яиц, личинок, нимф, съеденных муравьями {ajm, а$п, а^п«\\ т - плотность популяции муравьев. Наличие и отсутствие иксодового клеща в экосистеме определяется мальтузианским параметром.

ае = ве(гг,т) = Ny^(l-a1m)rj2(\-a^n)ri}(l-aJm)...t]l (4)

аз' = ¡в(п(т),т) =Nyn\(\-а,т)г1\(\-а2т)ч\(\ - (5)

Таким образом, увеличивая численность муравьев в экосистеме, можно снижать значение мальтузианского параметра размножения иксодовых клещей. Графически это выглядит следующим образом: вся кривая опускается ниже, поэтому область, в которой мальтузианский параметр меньше 1, расширяется вплоть до нахождения всей кривой ее (см. рис.5) ниже прямой аг=1 - и, следовательно, популяция клещей в конечном итоге из экосистемы элиминируется.

П' <-------- и II

м 2 п - плотность мелких млекопитающих

Рис.5. Влияние численности популяции муравьев на значение мальтузианского параметра популяции клещей нри различных значениях плотности мышевидных грызунов: 8с-в отсутствие влияния муравьев, ас' — в условиях влияния муравьев.

В § 3.3. приведены имеющиеся в доступе экспериментальные и натурные

данные, полученные новосибирскими учеными - мирмскологами.

Многие авторы в своих работах отмечают активное влияние муравьев на растительный покров, на численность и видовой состав беспозвоночных вблизи муравейников. Большинство исследований долгое время было направлено на выявление связей между муравьями и их конкурентами, их жертвами, их хищниками. Практически не уделялось внимания исследованию сосуществования популяций муравьев и популяций мелких млекопитающих, птиц, ведущих приземный образ жизни, - основных прокормителей иксодового клеща, не исследуется и влияние муравьев непосредственно на популяции иксодового клеща. Подтверждающие нашу гипотезу об опосредованном влиянии популяций рыжих муравьев на динамику численности иксодовых клещей экспериментальные и натурные исследования появились в последние годы (Быкова, Резникова, 2009; Быкова и др, 2009). Проведенные работы свидетельствуют о том, что роющая активность грызунов, отражающая их относительную численность, на территориях, заселенных муравьями, существенно ниже, чем на контрольных участках, где муравейники отсутствуют. При этом на участках, не занятых муравьями, норы грызунов распределены относительно равномерно, а на территориях с муравейниками встречаются в основном отрезки ходов грызунов, видные на поверхности почвы; немногочисленные норы появляются на расстоянии более 10 м от муравейников. Таким образом, появляется возможность

оценить площадь, которую муравейник может сделать неблагоприятной для существования на ней мелких млекопитающих, а опосредованно и иксодовых клещей.

Каждый экотоп можно охарактеризовать биотическими и абиотическими факторами, которые непосредственно и опосредованно через прокормителей влияют на вероятности всех переходов: кладки яиц самкой, «яйцо-личинка», «личинка-нимфа», «нимфа-имаго».

В результате такого анализа экосистемы мы получаем экотопы, в которых значение мальтузианского параметра от кладки яиц до имаго существенно больше 1 (благоприятные для клеща экотопы) или существенно меньше 1 (неблагоприятные экотопы).

Взаимодействие имаго с крупными животными (переход «имаш-яйцо») охватывает большую территорию, которая включает как благоприятные, так и неблагоприятные экотопы. Анализ этого взаимодействия разумно провести, используя клеточно-автоматную модель. Построению и анализу клеточно-автоматной модели посвящена четвертая глава работы.

В четвертой главе приводится построение и описание имитационной клеточно-авгоматной модели динамики численности популяций иксодового клеща в экосистемах.

В § 4.1. приведены алгоритмы модели и последовательность действий модели в течение шага по времени. Каждый вычислительный эксперимент начинается с инициализации модели: происходит случайное (с вероятностью Р,) заселение узлов решетки (ц) яйцами - элементами популяции самого младшего возрастного состояния. Далее описаны последовательные операции, которые повторяются на каждом шаге работы модели по времени.

Операция 1. Возраст каждой особи клеща увеличивается на один шаг (при этом клещи, достигшие предельного возраста, "погибают", освобождая узлы решетки).

Операция 2. Клещи, достигшие возраста размножения Тщи^, образуют

потомство, заселяя свои окрестности <210,]) яйцами в возрасте т,.^. В том случае, если узел окрестности занят другой особью или узел располагается на неблагоприятном для существования клеща участке, яйцо "не приживается".

Операция 3. Имитируется перенос крупным млекопитающим напитавшихся самок по всей территории. Свободные узлы решетки с вероятностью Р1 "заселяются" особями клеща в стадии яйца.

Операция 4. Осуществляется (или не осуществляется) случайная элиминация клеща в каждом узле (\, ]) с вероятностью Ре1. Возможны два режима элиминации: на параметрически заданном шаге (однократные катастрофические нарушения) или на каждом шаге (фоновые нарушения). Уничтожение клеща происходит независимо от его возрастного состояния в любых узлах решетки. Вероятность этих событий задается отдельно для каждой стадии онтогенеза.

На этом «шаг по времени жизни формальной популяции иксодового клеща» завершается, и далее модель возвращается к первой операции на следующем шаге по времени.

В § 4.2. приводится структура клеточно-автоматной модели и основные результаты моделирования по приведенным сценариям.

Разработанная программа моделирования процесса оформлена в информационно-вычислительную систему, позволяющую численно анализировать влияние различных природных и антропогенных факторов на численные характеристики популяций иксодового клеща.

Построенная модель включает следующие условия развития популяции клеща:

• Число клеток по горизонтали • Вероятность того, что самка

• Число клеток по вертикали отложит яйца

• Продолжительность жизни • Вероятность перехода яйцо-

• Исходное количество клещей личинка

• Репродуктивный возраст • Вероятность перехода личинка-

• Возраст клеща после размножения нимфа

• Количество откладываемых яиц • Вероятность перехода нимфа-

• Вероятность гибели клеща имаго

• Вероятность заселения по всему полю • Вероятность перемещения

личинок и нимф • Вероятность перемещения имаго

Для простоты анализа динамики в модели рассматривали два типа территорий: а) однородные по благоприятным условиям - территории, где популяция клеща может успешно существовать; б) неоднородные по условиям -территории, на которых встречаются участки, где тот или иной фактор делает невозможным существование популяции клеща. В реальных экосистемах расположение таких участков носит случайный характер.

Анализ поведения модельной популяции проводили при «наихудшем» (для человека) сценарии развития (представляет особую опасность для населения). Для этого в процессе моделирования были подобраны параметры, при которых численности популяции ихсодового клеща были максимальны:

• Количество откладываемых яиц - 4, что соответствует максимальному значению коэффициента размножения клеща, рассчитанному по экспериментальным данным;

• Вероятность гибели клеща - 0,05;

• Вероятность заселения по всему полю - 0,2;

• Вероятность того, что самка отложит яйца - 0,7;

• Вероятность перехода яйцо-личинка - 0,7;

• Вероятность перехода личинка-нимфа - 0,7;

• Вероятность перехода нимфа-имаго - 0,7;

• Вероятность перемещения личинок и нимф - 0,3;

• Вероятность перемещения имаго - 0,8.

S 4.3. посвящен оценке динамики модельной популяции шссодовых клещей

в зависимости от различных параметров экосистемы.

В 4.3.1. проведен анализ зависимости численности популяции от вероятности перемещения имаго. Перемещение имаго иксодовых клещей крупными млекопитающими имеет большое значение в динамике численности популяций клеща. Особенно велика его роль при распространении клеща на незанятые территории.

Обозначим через Xt численность популяции клеща, т.е. число узлов решетки, занятых имаго в момент времени t. Рассмотрены варианты с перемещением имаго при подобранных выше значениях параметров. В экспериментах меняли параметр - вероятность перемещения имаго, для оценки влияния его значения на динамику модельной популяции. Для каждого сценария проводили не менее 150 численных экспериментов, статистические

характеристики полученных распределений [1Ь ¡12, ^з и ¡14 приведены на рисунках 6, 7.

На рисунке 6 приведены графики численности отдельной популяции иксодовых клещей с одними и теми же параметрами при разных вероятностях перемещения имаго Ршф Можно видеть, что при увеличении Р„1я1 средняя численность популяции, обитающей на однородной по условиям территории, монотонно возрастает. В случае неоднородных по условиям существования клеща территорий эти изменения носят немонотонный характер, так в случае, когда =0,9, на неоднородной по условиям территории в 74% численных экспериментов популяция клеща элиминируется.

шсг чоделироканиа, год

—однор.терркг (11=1256,6;(12=84,1; (13=1,52; (14=0,57 - - неоднор.террит

'шаг !поделщхжающ^год " " " ' '

— однор .территория; (11=913.6; |12=27Д (13=035; (14=0,64

- - неоднор.терригорин: (±1-737Д (12=24,6; (13=4),56; (14=4),06

Рис. 6. Изменение численности модельной популяции иксодовых клещей во времени в зависимости от вероятности перемещения имаго по территории.

А: Р„ц,1 = 0,1; В: Рт1е,- = 0,5; С: Р^щ = 0,9. В 4.3.2. проведен анализ зависимости численности популяции от

вероятности случайной гибели клеща. Для оценки влияния случайной гибели

клеща на динамику его популяции, в модель были введены постоянно

происходящее в природных условиях случайное и независимое уничтожение

отдельных особей популяции на каждом шаге моделирования. Случайное уничтожение происходит с вероятностью Рви т.е. в каждом занятом узле особь клеща может погибнуть случайно, независимо от соседних узлов, при этом соответствующий узел решетки освобождается. Для каждого сценария проводили не менее 150 численных экспериментов.

На рис. 7 приведены графики изменения численности модельной популяции с одними и теми же параметрами при разных вероятностях случайного уничтожения. Можно видеть, что при увеличении Pel скорость роста и средняя численность популяции уменьшаются как для однородных по условиям территорий, так и доя неоднородных. Однако в случае неоднородных по условиям существования клеща территорий эти изменения носят более выраженный характер, так, в случае, когда Pef=0,2, популяция клеща вымирает в 82% численных экспериментов.

— однор.террторшс 111=952,1; (i2=74,4; (.3=1,1; (i4=4U3 -однор.территория: (1.1=546,4; (1.2=24,9; (13=0,47; (|4—0,12

- - нсоднор.территория: (il=591,6; (12=52,7; (i3=-0,34; ji4=0,46 і -- неоднортерриторня: ц1=11б,3;|і2=10,4; |іЗ=^0ДЗ; (і4=0,23

шаг исідспч|) ованпц, год

—однор/геррит - - неоднор.террігшрия

Рис. 7. Изменение численности модельной популяции нксодовых клещей во времени в зависимости от вероитности случайного уничтожения отдельных особей популяции. А: Ре, = 0,05; В: Реї - 0,1; С: Реї = 0,2.

В 4.3.3. была проведена оценка скорости распространения популяции

иксодового клеща на однородной и неоднородной по условиям его существования территории. Построенная клеточно-автоматная модель позволяет ответить на вопрос: за какое время на неоднородной по условиям существования клеща территории, на которую так или иначе были занесены отдельные особи иксодового клеща, его популяция будет элиминирована. В экспериментах меняли долю территории с неблагоприятными условиями существования. Полученные результаты представлены на рисунке 8. Можно видеть, что при сокращении территории с оптимальными условиями развития популяции иксодового клеща более чем на 60%, элиминация клеща происходит уже на первых 5-7 шагах моделирования.

Рис. 8. Время элиминации модельной популяции иксодового клеща в зависимости от доли площади с неблагоприятными условиями его существования.

В реальных экосистемах сокращение доли доступной для иксодового клеща

площади возможно достигнуть посредством изменения одного из необходимых параметров его существования на этой площади, например, уменьшить число мелких или крупных прокормителей, убрать подстилку и др.

Основные результаты н выводы

1. Проведен математический анализ динамики численности популяции иксодового клеща, обитающего на территориях Красноярского края и г. Новосибирска. Показано, что в настоящее время популяции клеща все еще «осваивают» эти территории.

2. Построена дискретная по времени математическая модель динамики численности популяции иксодового клеща, позволяющая оценить ареалы распространения популяций иксодовых клещей в экосистемах Евразии.

3. Построена имитационная клеточно-автоматная модель, позволяющая исследовать влияние различных факторов на темпы роста численности популяции клещей, и подобраны значения параметров имитационной модели, соответствующие «наихудшему» для человека сценарию развития популяции клещей.

4. В процессе моделирования рассмотрены варианты контроля численности популяции иксодового клеща в экосистемах. Оценены параметры модели, при которых клещ может быть элиминирован из экосистемы.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Вшивкова O.A. Элиминация популяций иксодового клеща из экосистем

/Новиков В.Н., Вшивкова O.A., Круппик О.В., Моргулис И.И., Хлебопрос Р.Г.// Доклады РАН. - 2008. - Т. 420, № 6. - С. 1-2.

2. Вшивкова O.A. Контроль численности популяции иксодового клеща в экосистеме /Вшивкова O.A., Кругаик О.В., Моргулис И.И., Новиков В.Н., Хлебопрос Р.Г. // Инженерная экология. - 2009. - №4. - С. 55-62.

3. Вшивкова O.A. Математическая модель влияния муравьев на численность иксодовых клещей в экосистемах Евразии / Вшивкова O.A. // Известия Самарского научного центра РАН. - 2009. - №7. - С. 1631-1633

В материалах конференций:

4. Вшивкова O.A. Моделирование взаимодействия популяций иксодового клеща и

муравьев в экосистемах/ Вшивкова O.A., Абдулин И.А. // тезисы докладов XIV

международного симпозиума «Сложные системы в экстремальных условиях». -Красноярск, 2008. - С. 18.

5. Впшвкова O.A. Математическая модель динамики популяций иксодовых клещей в экосистемах / Впшвкова O.A., Абдулин И.А. // XIV Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-14): тезисы докл./ Екатеринбург - Уфа, 2008. - С.397-398.

6. Vshivkova Olga A. Biological methods of population number control for ixode ticks in an ecosystem / Olga A. Vshivkova, Olga V. Kruglik, Irina I. Morgulis, Vadim N. Novikov, Rem G. Khlebopros. //International Research Publications. - Vol. 3, part. 1. -P. 311-318.

7. Впшвкова O.A. Модель управления численностью популяции иксодовых клещей в экосистеме / Впшвкова O.A., Хлебопрос Р.Г. // Материалы Национальной конференции с международным участием «Математическое моделирование в экологии» - Пущино: ИФХиБПП РАН, 2009.- С. 70 - 72.

8. Впшвкова O.A. Моделирование поведения популяций иксодовых клещей в экосистемах / Впшвкова O.A. // XV Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-15): тезисы докл. - Кемерово -Томск, 2009. -С.431-433.

9. Впшвкова O.A. Динамика популяций иксодовых клещей в экосистемах / Впшвкова O.A. // XVI Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-16): тезисы докл. - Екатеринбург - Волгоград, 2010. -С.405.

10. Впшвкова O.A. Экологические способы управления численностью популяций иксодовых клещей / Впшвкова O.A. // Конференция молодых ученых КНЦ СО РАН: Сборник трудов. - Красноярск, 2010. - С.50 - 52.

11. Впшвкова O.A. О возможности управления численностью популяций иксодовых клещей / Впшвкова O.A. И XV Всероссийский симпозиум с международным участием «Сложные системы в экстремальных условиях»: тезисы докл. -Красноярск, 2010. - С.19.

12. Вшивкова O.A. Математическая модель экологических способов контроля численности популяций иксодовых клещей / Вшивкова O.A. // Российско-Монгольская конференция молодых ученых по математическому моделированию, вычислительно информационным технологиям и управлению: тезисы докладов, -Иркутск, 2011.-С.23

13.Вшивкова O.A. Моделирование динамики численности популяции иксодовых клещей: проблемы элиминации / Вшивкова O.A. // Тезисы VI региональной школы-семинара молодых ученых, аспирантов и студентов «Территориальные исследования: цели, результаты и перспективы». - Биробиджан: ИКАРП ДВО РАН - ГОУВПО «ДВГСГА», 2011. - С. 86-87.

14.Вшивкова O.A. Экологические способы снижения численности популяции иксодовых клещей / Вшивкова O.A. // XVII Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-17): тезисы докл. - Екатеринбург, 2011.-С.383.

15.Вшивкова O.A. Долговременные ориентиры в экономике и экологии / Вшивкова О.А, Хлебопрос Р.Г. //Труды VI Байкальской международной школы-семинара «Методы оптимизации и их приложения», Т. 6: Математическая экономика. -Иркутск: РИО ИДСТУ СО РАН, 2011.- С. 82 - 90.

16.Вшнвкова O.A. Иксодовый клещ: устойчивость популяции и проблемы изъятия из экосистем / Вшивкова O.A., Хлебопрос Р.Г. // Материалы Второй Национальной конференции с международным участием «Математическое моделирование в экологии». - Пущино: ИФХиБПП РАН, 2011. - С. 61-62

17. Вшивкова O.A. Три сценария изъятия популяции иксодового клеща в экосистемах средних широт: анализ математической модели / Вшивкова O.A., Хлебопрос Р.Г. // Всероссийская конференция «Математическое моделирование и вычислительные технологии в междисциплинарных научных исследованиях»: тезисы докладов. - Иркутск, 2011. - С. 37-38.

Подписано в печать 24.04.2013 г. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 0,86. Тираж 120. Заказ № 398 Отпечатано в типографии ИЛ Дворядкин Б.В. 660036, Красноярск, Академгородок 50, стр. 28, оф. 156