Том 28. Математика жизни. Численные модели в биологии и экологии | страница 34

где λ — параметр закона распределения вероятностей. Число е также фигурирует в гиперболических функциях, широко применяющихся в биологии.

Представьте себе микробиолога, который хочет провести ряд экспериментов, требующих достаточно много бактерий Escherichia coli. Для этого он выращивает культуру в чашке Петри. Обозначим начальное число бактерий в чашке Петри через y_>0. Благодаря современным теориям математической биологии известно, что рост популяции описывается дифференциальным уравнением у' = r·у. Это означает, что скорость роста численности бактерий у' равна численности бактерий в момент времени t, умноженной на r, где r — мгновенный уровень роста.

Важно отметить, что рост численности бактерий будет описываться этим дифференциальным уравнением при условии, что питательные вещества в среде с бактериями не должны заканчиваться. Похожую ситуацию можно воспроизвести в микробиологической лаборатории с помощью хемостата, о чем мы уже рассказывали. Также рост бактерий не должен быть ограничен физическим пространством. Это означает, что культуре должно быть предоставлено, по меньшей мере в теории, неограниченное пространство для все новых и новых поколений. Если бы эти условия были возможны в природе, мы имели бы дело со сценарием экспоненциального роста, описанным Томасом Мальтусом в 1798 году.

Дифференциальное уравнение у' =  r·у и его ограничения

Решив дифференциальное уравнение у' = r·у, получим следующее выражение:

y = y_>0e^>rt

Это выражение означает, что число бактерий у в определенный момент времени t будет равно начальной численности бактерий у_>0, умноженной на экспоненту. Здесь экспонента — это число е, возведенное в степень, равную произведению r на время t.

Значение параметра r нельзя определить в результате наблюдений, но можно найти путем оценки или по справочнику. Напомним, что приближенное значение числа е равно 2,71828.

Обратите внимание, что число бактерий будет возрастать экспоненциально при соблюдении указанных условий. Зная выражение, приведенное в начале этого раздела, микробиолог сможет определить, сколько времени потребуется, чтобы получить необходимое количество бактерий.

Сканер, показывающий рост группы бактерий Escherichia coli.

Однако он должен обеспечить поступление к культуре Е. coli неограниченного количества питательных веществ и предоставить им необходимое физическое пространство. Для этого микробиолог может подсчитать максимальное число бактерий, которое уместится в лабораторной посуде. Обозначим это параметр через