Исследование в Университете Хьюстона направлено на защиту экосистем и очистку от загрязнений

Очистка от загрязнений, защита почвы от эрозии и поддержание видового разнообразия экосистем — одни из целей проекта по вычислительной экологии, который ведет ученый из Университета Хьюстона (UH) и его команда. Работа, недавно опубликованная в ведущем журнале, проливает свет на новый метод ускорения исследований в экологии растений.

Марк Гарби, профессор компьютерных наук и математики в UH, и его коллеги описывают эти результаты в статье «Large scale parameter study of an individual-based model of clonal plant with volunteer computing», опубликованной в недавнем выпуске журнала Ecological Modelling. Этот журнал освещает использование математических моделей и системного анализа в экологических процессах и устойчивом управлении ресурсами.

«Большинство растительных сообществ за пределами лесов доминируют клональные растения, которые, по сути, являются генетическими клонами друг друга», — сказал Гарби. — «Эти растения способны колонизировать пространство вегетативным размножением, и клональные растительные сообщества, такие как луга, имеют огромное значение для человечества».

Подчеркивая их важность, Гарби отмечает, что прерии используются для выпаса скота, могут поддерживать биоразнообразие, а также играют важную роль в регулировании выбросов углерода. Эти экологические функции будут становиться все более важными в будущем в условиях глобальных изменений. Экологи хотят лучше понять, как расположение клональных растений может влиять на эти функции. Здесь в игру вступает опыт Гарби как специалиста по вычислительным наукам.

Исследование его команды изучает взаимодействия между растениями и их динамику, используя «виртуальную прерию», чтобы понять клональные стратегии в сложных экологических системах. Его главный соавтор — его дочь, Сендрин Мони, доцент кафедры экологии в Университете Ренна во Франции. Они опубликовали свою первую совместную статью на эту тему пять лет назад. В то время как Мони и ее коллеги предоставляют экспертизу в экологии растений, группа Гарби обеспечивает возможности в области вычислительных наук.

«Мы выращиваем растения виртуально, имитируя природу, чтобы понять фундаментальный механизм того, как сообщество меняется во времени и пространстве, сравнивая наши компьютерные симуляции с особыми натурными экспериментами, проведенными во Франции», — пояснил Гарби. — «Как только модель работает, мы манипулируем ростом растений в наших компьютерах, симулируя серию "плохих" сценариев, таких как нехватка воды и питательных веществ, интенсивный выпас или покос и добавление виртуального загрязнения. Наши компьютерные симуляции значительно увеличивают наши возможности для тестирования различных сценариев или идей».

Используя этот метод, исследователи в конечном итоге смогут проектировать идеальные прерии, комбинируя правильные виды, которые обеспечат различные экологические преимущества. Среди этих преимуществ — создание прерий, способных очищать загрязнение нитратами, чтобы они не попадали обратно в водную систему; обеспечение стабильности, где уязвимые виды могут сосуществовать; и предотвращение эрозии путем восстановления почвы.

Помимо различных полевых экспериментов, ключевым элементом этого исследования являются тысячи волонтеров по всему миру, которые жертвуют время и ресурсы своих компьютеров. Для эффективного проведения этих трудоемких компьютерных симуляций Гарби и его коллеги полагались на более чем 10 000 волонтеров из 90 стран, участвующих в их программе «виртуальной прерии». Это схема, при которой люди добровольно предоставляют вычислительные ресурсы своих персональных компьютеров для обработки информации, решения задач и хранения работы исследователей. Проект виртуальной прерии активно использует платформу распределенных вычислений с открытым исходным кодом, разработанную Дэвидом Андерсоном, профессором лаборатории космических наук Калифорнийского университета в Беркли и адъюнкт-профессором на кафедре компьютерных наук в UH.

Помимо помощи проекту Гарби, преимущества добровольных вычислений включают поощрение общественного интереса к науке и предоставление общественности возможности влиять на направления научных исследований. Хотя волонтерами обычно являются представители широкой публики, владеющие компьютерами с доступом в Интернет, организации, такие как школы и предприятия, также могут предоставлять свои компьютеры.

«Экология растений важна для нас, а также для следующего поколения, и крупномасштабное компьютерное моделирование с виртуальными прериями изменит способ проведения исследований и планирования экспериментов», — сказал Гарби. — «Это замечательная концепция, позволяющая вовлечь волонтеров со всего мира в этот новый вид науки, и в будущем она может быть использована для улучшения и других типов экосистем».