Одним из наиболее эффективных методов прогнозирования катастрофических последствий воздействия человека на природные экосистемы представляется построение и последующее исследование математических моделей соответствующих ситуаций. Бурное развитие вычислительной техники и успехи ее применения в решении различных задач породили естественные надежды на ее применение и в экологической проблематике. Результатом явилось возникновение и интенсивное развитие имитационного моделирования [1].
Имитационные модели созданы для описания физиологических процессов, происходящих в жизненно важных органах, а также для моделирования поведения биологических существ – как флоры, так и фауны. На них «проигрываются сценарии» процессов, протекающих в норме и при различных патологиях, исследуется влияние на процессы различных внешних воздействий. Впервые пространственно-временное распределение генотипов было построено американскими учеными Abrahamson D. и Wilensky U. (2004) в имитационной модели для прогнозирования динамики распределения доминантных и рецессивных генов для различного количества видов рыб [2].
Применительно к трансгенным культурам имитационные модели получили наибольшее развитие в работах американских и европейских ученых (Peck et al., 1999; Guse et al., 2002; Ives, Andow, 2002; Storer et al., 2003; Heimpel et al., 2005). Модели, построенные Пеком [3], Эндоу и др., используют чрезвычайно подробные предположения о популяционной генетике и жизненном цикле видов насекомых. Corinne Vacher[5], Denis Bourguet, Marion Desquilbet, Michael Hochberg [6] и другие в своих моделях опираются на три основные составляющие: среднюю частоту аллелей, зависимость плотности вредителей от погодно - климатических условий и экономическую оценку.
Имитационная модель была составлена для хлопковой совки Helicoverра armigera (Hubner) и близкого к ней вида H.punctigera Wallengren [7]. O6a эти вида являются вредителями хлопчатника в Австралии и США. На основе этой модели учеными компании Monsanto (США) были разработаны имитационные модели поведения вредителей на кукурузе, сое и томатах. Основным отличием этой модели является введенная в компьютер карта местности, разделенная на относительно небольшие ячейки, характеризующиеся своим растительным покровом и почвенно–климатическими условиями. В компьютер вводится отдельно для каждого такого участка информация о состоянии и фазе развития основного растения, о численности и развитии этих совок и метеорологические условия. В модель включены такие этапы роста насекомых, как имитация развития яиц, гусениц и куколок, миграции имаго в зависимости от их физиологического состояния, температуры, направления и скорости ветра, а также откладки яиц в зависимости от привлекательности растений данного вида и на данной стадии их развития.
Модели динамики численности входят как важная часть в коммерческие модели развития агроценоза. Такие модели объединяют как субмодели имитацию развития сельскохозяйственного растения и модели динамики численности наиболее важных вредителей. Кроме этих данных в компьютер регулярно вводится метеорологическая информация. Модель дает информацию о прогнозируемом урожае, а также рекомендации о поливе полей и обработке их химическими средствами защиты растений (на основе порогов вредоносности).
Отличительной особенностью имитационных моделей, разрабатываемых американскими учеными, является их экономическая составляющая.
Работы французских ученых в области имитационного моделирования - D. Bourguet, J. Chaufaux, M. Séguin, C. Buisson, J.L.Hinton, T.J. Stodola, P. Porter, G. Cronholm, L.L. Buschman, D.A. Andow [8], [9] - опираются на половозрастную структуру популяции вредителей и учитывают климатические условия только Западной Европы.
Следует, однако, отметить их вклад в моделирование поведения кукурузного мотылька – основного вредителя кукурузы. В своих работах они показали, что эффективность воздействия трансгенной кукурузы на вредителя зависит от таких факторов как время суток, пол вредителя, погодные условия и размножение вредителей [10].
Множество моделей, имитирующих возникновение локализованных стационарных структур в биологическом морфогенезе реализованы на основе диффузионного механизма, приведено в книге Дж. Марри [11]. Марри рассматривает также моделирование динамики популяций, синхронизации биологических осцилляторов и механохимические модели формообразования. Стохастические реакционно-диффузионные системы учитывают возникновение и усиление флуктуаций (случайных колебаний), что существенно влияет на структурообразование. Практическая значимость его исследований была подтверждена работами его однофамильца С. Марри [12].
Большой вклад в развитие имитационного моделирования внесли Essin, Levchenko [13]. Ими была разработана имитационная модель эволюции MACROPHYLON [14], которая основывается на принципах дарвиновской эволюции; в ней задаются правила для отдельных популяций, исследуются изменения не только на популяционном уровне, но и на всей системе, содержащей множество популяций. Модель была задумана для того, чтобы варьируя ряд параметров, отражающих условия среды обитания, отслеживать динамику роста эволюционных деревьев, а также исследовать главные закономерности этого роста. Это отличает ее от ряда других программ, имитирующих эволюционные процессы, в которых мало использованы биологические закономерности, а, например, просто вводятся некие абстрактные вероятности возникновения и гибели таксонов и средние времена их жизни. В качестве объектов модели выступают популяции, описываемые рядом дискретных признаков и имеющие те или иные экологические ниши. В модели предусмотрены процессы мутаций и размножения, переходы популяций в наиболее благоприятные для них места обитания, учтены взаимоотношения хищник-жертва. Основной недостаток модели в том, что не учитывается взаимодействие мутаций на разных популяционных уровнях.
Следует отметить распространенное в последнее время благоприятное сотрудничество американских и китайских ученых (QiuPing Wu, FanJun Chen, YanLing Chen, LiXing Yuan, FuSuo Zhang, GuoHua Mi); последние занимаются адаптацией известных имитационных моделей под агроклиматические условия стран Азии.
Вывод: при всех своих достоинствах имитационные модели применяются только тогда, когда не разработаны аналитические модели, либо не разработаны методы решения полученной модели, невозможно экспериментировать на реальном объекте; вместе с тем нет имитационных моделей, учитывающих особенности конкретных вредителей и их поведение на поле трансгенными агрокультурами.