Ученые узнали, как шум влияет на время жизни химерных структур

Ученые СГУ имени Н.Г. Чернышевского совместно с коллегами из Индии обнаружили, что с помощью внешних шумовых воздействий возможно управлять некоторыми проявлениями динамики сложноорганизованных систем. По словам авторов исследования, полученные результаты применимы в управлении режимами функционирования различных структур, например энергосетей. Результаты работы опубликованы в журнале Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science.

Большинство реальных объектов (от клеточных тканей и популяций бактерий до энергетических и транспортных систем или компьютерных сетей) представляют собой сложные сети взаимосвязанных систем, рассказали ученые Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского (СГУ).

Режимы функционирования систем зависят от свойств отдельных элементов, структуры связей между ними и от наличия случайных воздействий.

Чтобы исследовать влияние этих факторов на явления, происходящие в реальных системах, исследователи СГУ совместно с индийскими коллегами применили технологию динамики сложных систем простыми математическими моделями нелинейной динамики, которые демонстрируют реально наблюдаемые явления и структуры.

Одно из ключевых явлений динамики сложных сетей – синхронизация, то есть согласованное поведение связанных систем, объяснила заведующая кафедрой радиофизики и нелинейной динамики Института физики СГУ имени Н.Г.Чернышевского Галина Стрелкова.«

"Без учета эффекта согласованности невозможно создать устойчивые конструкции, современные механизмы, энергетические, телекоммуникационные и прочие сети. В то же время синхронизация может приводить и к нежелательным последствиям. Например, синхронизация некоторых групп нейронов головного мозга ведет к возникновению ряда патологий, таких как болезнь Паркинсона и эпилепсия", – рассказала Стрелкова.

В качестве одного из проявлений частичной или кластерной синхронизации ученая назвала химерные состояния.

По словам Стрелковой, одно из важных практических приложений исследования таких структур относится к области нейродинамики и нейрофизиологии.

С химерами могут быть связаны некоторые стрессовые состояния человеческого мозга, а также феномен медленного сна одним полушарием головного мозга у птиц и водных млекопитающих. Кроме того, возникновение химерных структур является предвестником приступов у больных эпилепсией.

«С помощью компьютерного моделирования, проведенного совместно с Еленой Рыбаловой (СГУ) и Сишу Муни (IISER Kolkata), мы продемонстрировали многообразие динамических пространственно-временных структур (химер и мультихимер, уединенных состояний, бегущих волн и их комбинаций), формирующихся в ансамбле связанных дискретных моделей осциллятора ван дер Поля при изменении параметров. Было установлено, что большая часть режимов являются переходными и в итоге сводятся к режиму бегущих волн», – рассказала завкафедрой.

Она отметила, что временем жизни состояний систем, как и длительностью процессов перехода, можно управлять, в частности, с помощью внешних шумовых воздействий. Этот результат авторы исследования считают особенно важным, так как он отражает конструктивную роль шума в динамике сложных систем.

Научный коллектив продолжит исследования в этом направлении, поскольку реальные системы различной природы неизбежно подвергаются влиянию внутренних и внешних шумовых источников.

Исследования выполнены при поддержке грантов РНФ.