Учёные создали алгоритм, который с точностью 80% раскрывает пищевые цепи океана.
Исчезновение в океане крошечного рачка может ударить по морским хищникам, а в конечном счёте — и по человеку. Ведь морские экосистемы напрямую влияют на продовольственную безопасность.
Учёные давно изучают пищевые цепи в океане традиционными методами — медленно и с большим трудом. Но взаимосвязи «хищник — жертва» похожи на очень сложную сеть, а исследователи во время экспедиций наблюдают за ограниченным количеством видов.
На помощь в изучении пищевых цепей неожиданно пришла математика.
Инженер‑математик доктор Этторе Барбьери и эколог доктор Наото Ф. Исикава создали алгоритм, который рассчитывает, кто кого ест. Система использует научные данные о трофических уровнях животных, то есть о ранге организмов в пищевой цепи.
Классические математические методы, при которых получается единственный правильный ответ, не подходили. Ведь в природе очень много комбинаций хищников и жертв.
Исследователи пошли другим путём — они отказались от поиска единственного идеального ответа и сосредоточились на вероятностях.
Учёные применили изящный приём: вместо того чтобы пытаться описать всю сложную сеть сразу, они разбили её на простые пары «хищник — жертва».
Математика плохо справляется, когда хищник ест десятки видов одновременно, но отлично работает в случае парных взаимодействий. Из рассмотрения сразу исключались заведомо невозможные варианты — например, что сардины едят акул. Для оставшихся пар применили теорему Байеса, которая позволяет рассчитать вероятность события на основе имеющихся данных.
помогает ответить на вопрос: какова вероятность того, что верно некое предположение, если мы уже наблюдали определённый результат? То есть вместо расчета вероятности результата при заданных условиях можно рассчитать вероятность причины при наблюдаемом результате.
Наложив тысячи парных вероятностей друг на друга, команда получила целостную картину экосистемы. Алгоритм протестировали на 158 полностью задокументированных экосистемах из глобальной базы данных, не имея изначально никакой информации об их реальных пищевых сетях.
Результат оказался впечатляющим: невидимые океанические связи реконструировались с точностью более 80%. Погрешность в расчёте рациона хищников составила менее 5%. Даже при использовании «зашумлённых» или неполных полевых данных алгоритм работал стабильно.
Доктор Барбьери планирует повысить точность алгоритма.
Новый метод позволяет быстрее и точнее оценивать последствия вмешательства человека: например, прогнозировать, как повлияет на экосистему вылов определённого вида рыбы. Это особенно важно в условиях изменения климата и растущего давления на морские ресурсы.
Новый математический инструмент объединяет океаническую физику, экологию и науку о данных. Он открывает путь к более точным прогнозам и эффективным мерам по восстановлению и сохранению океанов.
Проект реализован специалистами из Высшего института изменений морских экосистем (WPI‑AIMEC), Университета Тохоку и Японского агентства науки и технологий по изучению земных недр (JAMSTEC).
