Моделирование симбиотической азотфиксации: от системно-динамической к агентной модели

Содержание

Введение        3

Глава 1. Материалы и методы        5

1.1        Модель системной динамики        5

1.2 Детерминистическая агентная модель        6

1.3 Агентная модель с «мошенниками» (активные агенты – ризобии)        7

1.4 Агентная модель с санкциями (активный агент – растение)        7

Заключение        11

Введение

Магистральная тенденция развития современных методов имитационного моделирования связана с появлением мультипарадигменных или гибридных моделей. Наряду с традиционными формами описания динамики нестационарных систем в дискретном и непрерывном времени – системами дифференциальных и разностных уравнений – все большее распространение получает подход, связанный с построением агентных или индивидуально-ориентированных алгоритмов [1, 2, 3]. Принципиальная идея этого подхода заключается в том, что поведение целостной сложной системы моделируется как интегральное проявление совокупности поведений составляющих ее и взаимодействующих между собой отдельных элементарных активных сущностей – динамических агентов. При этом каждый агент в отдельности обладает способностью к независимому изменению своего состояния в соответствии с предопределенными правилами и алгоритмами. Характеристики агента могут также меняться в ходе его взаимодействий с другими агентами, функционирующими в единой топологической сети или непрерывной среде, формируя сложное поведение объединяющей системы.

С гносеологической точки зрения системно-динамические модели отвечают дедуктивному, а агентные модели – индуктивному методу познания действительности [4, 5]. Базовыми концепциями системно-динамического описания выступают накопители (компартменты, пулы, динамические переменные состояния) и потоки вещества и энергии. Агентные модели обычно оперируют понятийным аппаратом диаграмм состояний-переходов и конечных автоматов.

Безусловно, агентно-ориентированный подход к моделированию зачастую привносит дополнительные сложности, главными из которых являются нетривиальность интерпретации и воспроизведения получаемых результатов и потребность в существенных вычислительных ресурсах для расчета. С другой стороны, в качестве преимуществ использования данной методологии в научных исследованиях можно привести следующие соображения:

• приближенность модели к реальности;
• возможность учета внутренней структурной неоднородности объекта моделирования;
• уход от неестественного описания счетных множеств индивидуальных организмов непрерывными величинами;
• возможность получения нетривиального и сложного поведения комплексной системы из простых и естественных законов поведения составляющих ее элементарных агентов (эмержентный эффект);
• естественный учет стохастических процессов;
• перспективы перехода к описанию активного (адаптивного) поведения агентов со сменой парадигмы моделирования. Раскрытию последнего тезиса на примере описания процесса симбиотической азотфиксации посвящается настоящая статья.

Глава 1. Материалы и методы

Биологическая фиксация атмосферного азота клубеньковыми бактериями в симбиозе с корневой системой бобовых растений – уникальный механизм и потенциально практически неисчерпаемый естественный источник минеральных соединений азота – важнейшего питательного элемента сельскохозяйственных посевов. Сущность процесса азотфиксации заключается в восстановлении молекулы азота и включения её в состав своей биомассы прокариотными микроорганизмами.

Решающий вклад в азотный баланс многих природных и антропогенных экосистем вносят бобовые растения. Это связано с их способностью объединяться со специфическими клубеньковыми бактериями (традиционно называемых «ризобиями»). Инфицирование корней бобовых растений ризобиями вызывает деление клеток и образование новых органов – клубеньков, в которых ризобии фиксируют азот из атмосферы. Симбиотические отношения подразумевают обмен между обоими симбионтами: растение в свою очередь обеспечивает бактерий необходимыми им углеводами, белками и кислородом. Такое взаимодействие позволяет растениям адаптироваться к условиям дефицита почвенного азота. В сельскохозяйственной практике создание специфических севооборотов с участием бобовых культур за счет использования бобово-ризобиальных систем составляет основу «биологического земледелия». Поэтому включение алгоритмов симбиотической азотфиксации в математические модели продукционного процесса бобовых культур, а следовательно, и в «моделецентрические» системы расчета сельскохозяйственных севооборотов с участием бобовых культур, представляется совершенно необходимым [6, 7].