Переосмысление роли метастабильных состояний в моделировании эко-эволюционных процессов и предсказании вымирания видов

Эко-эволюционные процессы часто моделируются с применением теории эволюционных игр — направления в математической теории игр, которое изучает, как стратегии поведения распространяются и стабилизируются в популяциях с течением времени под действием естественного отбора. Эволюционные игры часто применяют концепцию динамики репликатора — математическую модель, которая описывает, как со временем в популяции меняются частоты разных стратегий (или типов особей). Динамика репликатора отражает принцип естественного отбора: стратегии, которые показывают результат выше среднего, начинают преобладать в популяции, а те, что уступают, — сокращаются. Важно отметить, что большинство предсказаний в эволюционной теории игр основано на предположении, что система близка к равновесной. Между тем окружающая среда обычно нестационарна, а это может означать, что долгосрочное поведение никогда не наблюдается в реальности. В этом случае метастабильные состояния начинают играть роль в предсказании и моделировании экоэволюционных процессов. 

В своей работе старший научный сотрудник Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН (ИПЭЭ РАН) А.Ю. Морозов и его коллеги из Варшавского университета (Польша) показывают, что метастабильные состояния также могут играть существенную роль в эволюционных играх. В таком состоянии система «застревает» на некоторое длительное время, а затем, не изменяя никаких параметров, резко переходит в другое состояние. В качестве показательного модельного примера рассматривается демографическая версия игры «Ястреб-Голубь» (парадигматическая модель эволюции агрессивного поведения), которая помогает понять, как в конфликтных ситуациях животные выбирают между агрессивной («ястреб») и миролюбивой («голубь») стратегиями. 

Математическая модель предсказывает большое разнообразие типов сценариев внезапной смены эко-эволюционных показателей (численности популяции или процента особей с агрессивной стратегией поведения) без изменения внешних условий среды. В частности, рассмотренная модель предсказывает возможность метастабильного состояния, обеспечивающего долгосрочное, но временное спасение от возможного эволюционного самоубийства.

«Внезапный коллапс экосистемы и исчезновение вида может происходить без какого-то влияния внешних факторов. Это происходит как следствие того, что длительный переходный метастабильный режим ошибочно принимается за финальный, тогда как по окончании этого режима экосистема резко переходит в другой режим без всякого внешнего воздействия. Примечательно, что отсроченное вымирание может произойти после тысяч поколений кажущейся безопасной динамики популяций», — рассказал Андрей Морозов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИПЭЭ РАН.