В 1967 г. приказом директора ИЭФБ АН СССР Е.М. Крепса была создано новое структурное подразделение – группа математического моделирования. Первоначально в группу входили к.б.н. В.В. Меншуткин (руководитель группы), Ю.Я. Кисляков и Т.И. Приходько. Первые работы были выполнены по теме лаборатории Ю.Е. Москаленко и касались моделирования внутричерепного кровообращения. Одновременно велись работы с лабораторией А.И. Карамяна совместно с В.Ф. Толкуновым по моделированию нейронных сетей (Толкунов, Меншуткин, 1995). Эта работа примечательна тем, что на ее выполнение ушло около 30 лет. Созданная в 1966 г. на ЭВМ «Минск-2» модель ретикулярной формации макаки удивила В.Ф. Толкунова тем, что была способна распознавать образы лучше модели Маккалока и Питса. Авторы этому не поверили и тянули с публикацией до тех пор, пока метод искусственных нейронных сетей не стал общеизвестным и применимым в различных областях знания, например, в экономике.
По договору о научном сотрудничестве ИЭФБ и Камчатского отделения Тихоокеанского института рыбного хозяйства (КОТИНРО) В.В. Меншуткин участвовал в моделировании динамики популяций рыб. Эта работа завершилась публикацией книги (Крогиус, Крохина, Меншуткин, 1969). В 1971 г. за эти исследования авторам была присуждена Государственная премия СССР.
Результатом работ сотрудника группы Ю.Я. Кислякова по моделированию внутричерепного кровообращения была защита им кандидатской, а затем и докторской диссертации и публикация монографии (Кисляков, 1976).
А.А. Умнов, принятый в группу в 1969 г. (Лаб. 38. Фото 1), участвовал в работе по созданию модели нервных механизмов взлета и посадки саранчи совместно с В.Л.Свидерским. Об истории создания этой модели академик В.Л. Свидерский написал специальную статью (Свидерский, 2010).
Совместно с Лабораторией физиологии почки была разработана математическая модель водно-солевого обмена лососевых рыб (Меншуткин, Наточин, Вайнюнская,1976). Впоследствии эта работа послужила отправной точкой в серии работ по эволюции системы водно-солевого обмена и, в конечном итоге, к модели возникновения многоклеточности на ранних этапах эволюции жизни на Земле (Меншуткин, Наточин, 2008).
В содружестве с Лабораторией асимметрии головного мозга человека была создана функциональная модель головного мозга (Меншуткин, Суворова. Балонов, 1981). К сожалению, эта работа осталась незаконченной из-за внезапной смерти Л.Я. Балонова. С другими сотрудниками этой лаборатории исследования носили более частный характер. Например, была опубликована статья о различиях в развитии детей (Николаенко, Меншуткин, Афанасьев. 2006).
Идеи о возможности создания моделей биологической эволюции с помощью вычислительной машины возникли у В.В. Меншуткина в экспедиции к Галапагосским островам во время 17 рейса НИС «Академик Курчатов». В первой публикации на эту тему (Меншуткин, 1977, под ред. акад. Е.М. Крепса), уже было все то, что теперь называется методом «генетических алгоритмов» и широко используется в научных исследованиях. Первым конкретным приложением разработанной программы была модель эволюции гаммарид в озере Байкал (Меншуткин, Ащепкова,1988).
Эволюционная тематика продолжалась в совместных работах с профессором МГУ Б.М. Медниковым (Медников, Меншуткин, 1977) и в попытках обнаружения аналогий между эволюцией биологических, технических и других сложных систем (Меншуткин, 1995, 2012).
В 1984 г. в группу был принят В.Ф. Левченко, работавший перед этим астрофизиком в Физико-техническом Институте АН им. А.Ф.Иоффе и имевший дополнительное образование инженера вычислительной техники. Он не только запустил новейшую по тем временам ЭВМ «Электроника-125», но и увлеченно занялся на ней моделированием эволюционного процесса (Левченко, Меншуткин, 1987). Работая в тесном сотрудничестве с видным эволюционистом, профессором Я.И. Старобогоатовым (Зоологический институт АН), В.Ф. Левченко начал активно развивать эволюционное направление исследований, а его инженерный опыт, необходимый при работе с компьютерами, привлек в группу нескольких молодых сотрудников, использовавших ЭВМ для изучения физиологических и биохимических процессов. В дальнейшем трое из них (М.Л. Быховская (Цендина), А.Д. Дитятев и Д.И. Фришман) стали сотрудниками западных университетов и к настоящему времени имеют звания Full Professor.
Существенную роль в жизни коллектива играли океанские экспедиции Академии Наук, участие в которых было инициировано трудами академика Е.М. Крепса (Лаб. 38. Фото 2). Помимо сбора проб из мозга акул и мозга скатов, нужных для лаборатории эволюционной биохимии нервной системы, совместно с сотрудниками Института Океанологии АН (М.Е.Виноградов, В.Б.Цейтлин, Н.М.Воронина, Ю.А.Рудяков) были созданы модели экосистем Японского моря, Тихого океана в районе Перуанского аппвеллинга, а также модели популяции ставриды к берегов Намибии, антарктического криля, вертикальных миграций зоопланктона.
Сотрудничество сотрудников коллектива с Зоологическим институтом АН выражалась не только в написании программных статей (Винберг, Меншуткин, 1974; Старобогатов, Левченко, 1993), но и в работах в области создания банков данных и экспертных систем (Шилов, Петрушевская, Меншуткин, Алексеева, Хесин, 1990). В итоге 23 августа 1971 г. на XVIII Лимнологическом конгрессе в Таврическом дворце В.В. Меншуткин сделал важный пленарный доклад «Математическое моделирование озерных экологических систем».
В совместных работах с Институтом Озероведения АН В.В. Меншуткин был одним из научных руководителей Ладожской экспедиции и создателем ряда моделей. По результатам Т.И. Казанцевой (Приходько) и Е.С. Смирновой в 1995 г. была написана монография «Зоопланктон центральной части Ладожского озера (имитационная модель)» изданная на средства ИЭФБ. Эта монография примечательна тем, что, пожалуй, впервые в мировой литературе в ней рассматривались модели не отдельных популяций, а зоопланктонное сообщество, да еще и с учетом явления диапаузы и сезонных вертикальных миграций на основе конкретного экспедиционного материала.
При тесном сотрудничестве с Институтом Озероведения также была создана модель экосистемы Ладожского озера, начатая работами О.Н. Воробьевой, а затем продолженная другими учеными. Итогом стало написание монографии по моделированию озерных экосистем (Астраханцев, Меншуткина, Петрова, Руховец, 2003).
Существенным этапом работы коллектива было участие в государственной программе «Невская Губа». На долю сотрудников лаборатории выпала обязанность в создании банка данных по Невской губе (Levchenko, Evdokimov, Grishman, Menshutkin, Uralsky 1995). Научное руководство программой осуществлялось В.В. Меншуткиным, который был также ответственным редактором первого тома трудов научного сообщества, состоявшего из 22 участников, выполнявших эту программу (Невская Губа…, 1997). Второй том (Интегрированное управление…, 2001) включал исследования уже 36 участников. Отличительной особенностью этой работы было то, что ее результатом были не только две книги, но и работающая компьютерная программа, объединявшая отдельные модели, созданная малым предприятием «ЭКРОС».
В 1992 г. группа была преобразована в лабораторию моделирования эволюции, а ее заведующим был назначен В.В. Меншуткин, который к этому времени уже стал доктором биологических наук и профессором. В лабораторию были приняты на работу несколько сотрудников, тяготеющих к компьютерному моделированию и теоретическим разработкам в биологии, экологии и физиологии. После того, как В.В. Меншуткин в 1999 г. уехал в Польшу, заведующим лабораторией был назначен д.б.н. В.Ф. Левченко. Связь с В.В. Меншуткиным за время его почти десятилетнего отсутствия в стране никогда не прерывалась и вместе с ним были написаны и опубликованы совместные статьи на эволюционные темы (Меншуткин, Левченко, 2009; Левченко, Меншуткин, 2010).
Основная область исследований лаборатории к настоящему времени – выявление закономерностей биологической эволюции, выяснение роли биоты и факторов среды в эволюции биосферы, а также изучение закономерностей онтогенеза с использованием методов компьютерного и математического моделирования. Одной из последних работ лаборатории является глава в коллективной монографии «Biosphere» (2012). Примерно в это же время были опубликованы и другие важные статьи и монографии сотрудников. Среди них, начатые еще в Польше, книги В.В. Меншуткина «Искусство моделирования (физиология, экология, эволюция)» (2010) и «Эссе об эволюции сложных систем» (2012).
В 2011 г. в немецком издательстве «Lambert» на русском языке вышла монография В.Ф. Левченко «Три этапа эволюции жизни на Земле» (2011). В 2012 г. эта книга получила второе место на конкурсе научных публикаций, организованном Санкт-Петербургским обществом естествоиспытателей (СПбОЕ). В этом же году в Санкт-Петербурге была опубликована ее существенно расширенная версия – «Биосфера: этапы жизни (эволюция частей и целого)» (2012). В монографии последовательно изложены результаты многолетних теоретических исследований по эволюции биосферы, проводимых в лаборатории. Результаты компьютерного моделирования, о чем рассказывается в начале книги, позволили обосновать модель эволюции экосистем, разработанную совместно с профессором Я.И. Старобогатовым (ЗИН АН). Используя последнюю, а также оригинальную физическую модель эволюции биосистем, предложенную еще в то время, когда автор работал астрофизиком в ФТИ, удалось разработать концепцию физической эволюции биосферы. В ее рамках объясняется известный феномен роста энергетического потока через живое вещество планеты в течение ее истории, как следствие адаптаций экосистем к колебаниям условий на Земле (во многом они обусловлены изменениями параметров ее орбиты и галактическим воздействиям). Одна из глав полностью посвящена происхождению жизни и предбиосферы («эмбриосферы»). Обсуждаются кибернетические аспекты функционирования живых систем и проблемы обмена информацией между ними, уточняется термин «мем», вводится понятие этноэкосистемы. По мнению автора, возможность сохранения человеческого опыта, сведений о технологиях вне биологических структур мозга, а в записях, библиотеках или – шире – в культуре знаменует собой третий – техносферный – этап эволюции жизни на Земле.
Конец прошлого и начало нового столетия были насыщены для лаборатории большим числом международных связей, поездок на конференции и симпозиумы в западные страны (Лаб. 38. Фото 3). Два сотрудника лаборатории – А.Б. Казанский и В.Ф. Левченко стали членами международного общества CHAOS (Centre for Hyperincursion and Anticipation in Ordered Systems), основанного в Бельгии лауреатом Нобелевской премии, создателем неравновесной термодинамики И. Пригожиным, а также другом и коллегой А. Эйнштейна Р. Розеном. На секциях общества, среди членов которого несколько нобелевских лауреатов и ряд известных ученых (например, создатель теории нечетких множеств Л. Заде), были представлены более десяти докладов по результатам лабораторных исследований в области эволюции. Все они вызывали широкое обсуждение и опубликованы в журнале общества (Levchenko, 2003; 2014; Levchenko, Khartsiev, 2000).
В дальнейшем эти теоретические разработки привели к созданию концепции управляемой эволюции биосферы во время глобального экологического кризиса, развиваемой в настоящее время (Яблоков, Левченко, Керженцев, 2015).
Важным направлением исследований лаборатории является разработка новых подходов к системному представлению биологических процессов. В частности, Александр Борисович Казанский, один из учеников основателя лаборатории, Владимира Васильевича Меншуткина сконцентрировал усилия на разработке концептуальной системной модели живого организма, основанной на развитии модели автопоэзиса (биологической автономии) У. Матураны и Ф. Варелы, путем включения в нее дарвиновского и целого ряда недарвиновских механизмов эволюции.
Еще одним важным направлением исследований лаборатории является изучение роли генных регуляторных сетей беспозвоночных и позвоночных в онтогенезе и эволюции (область, именуемая ныне как эво-дево, evodevo). Главным идейным вдохновителем этих работ является А.В. Спиров. Работы А.В. Спирова, наряду с рядом других авторов, составили основу одной из активно развивающихся областей современной системной биологии, известной как эволюция генных регуляторных сетей in silico и компьютерный эволюционный дизайн генов (Spirov, Holloway, 2013; 2016). В этой области на стыке биологии развития, эволюционной теории и кибернетики А.В. Спировым с коллегами получены существенные результаты относительно роли флуктуаций и возмущений молекулярных регуляций в эволюционных процессах. В свою очередь, исследование молекулярных механизмов эволюции позволило А.В. Спирову с соавторами сформулировать ряд новых эффективных алгоритмов, имеющих хорошие перспективы приложения в такой области современных компьютерных наук как эволюционные вычисления.
Подводя итоги почти 50-летней истории Группы математического моделирования и выросшей из нее Лаборатории моделирования эволюции можно совершенно определенно утверждать, что в результате создано новое научное направление. Конечно, это не только результат деятельности малочисленного коллектива лаборатории, но и широкой кооперации сотрудников с учеными различных специальностей, причем не только из России, но и ближнего и дальнего зарубежья. С легкой руки Е.М. Крепса в 60-х годах прошлого века в ИЭФБ был приглашен инженер-кораблестроитель В.В. Меншуткин, не имевший ни печатных трудов, ни научных степеней и званий. Но это было время 60-х годов, время больших надежд и бурного развития не только космической, но и вычислительной техники. Усилиями А.И. Берга, А.А. Ляпунова, Н.Н. Моисеева и др., кибернетика, называемая еще недавно «служанкой загнивающего империализма», призывалась к строительству коммунизма. Коммунизма, правда, не построили, но интересного и полезного получилось очень много. Оказалось, что машины умеют не только считать, но и сжимать неподатливое время в миллионы раз. Это как раз то, что нужно было экологии, физиологии и особенно эволюционной физиологии. Опытами в реальном времени нельзя из рыбы получить лягушку, а именно такую задачу в свое время поставил перед сотрудниками лаборатории академик Ю.В. Наточин. За годы трудов лягушку, надо признаться, не сделали, но поняли, что без модели эволюции всей биосферы Земли этой компьютерной лягушки не получить. Вот почему к своему пятидесятилетию Лаборатория моделирования приближается, вооруженная двумя фундаментальными монографиями: В.В. Меншуткин. «Искусство моделирования. Физиология, экология, эволюция». (2010); В.Ф. Левченко. «Биосфера: этапы жизни (эволюция частей и целого)», (2012).
Впереди у сформировавшегося научного направления необозримое поле деятельности. Эффективно управлять сложной системой нельзя без создания надежной модели этой системы. Без модели биосферы не предсказать последствий человеческой деятельности, без модели процесса онтогенеза и, в т.ч. старения нельзя бороться со старостью. Без модели экологической системы озера нельзя сохранить его богатства. История с Севаном и Байкалом – тому примеры. Без модели человеческого организма нельзя эффективно лечить болезни. Только при помощи моделей можно показать правдоподобность (но не доказать истинность) теории эволюции или происхождения жизни.
Нельзя также не сказать о том, что сотрудники лаборатории занимаются педагогической деятельностью, а также организуют семинары. В.В. Меншуткин практически ежегодно читает лекции студентам в различных ВУЗах, В.Ф. Левченко является председателем ГАК-а по специальности «экология и биоразнообразие» на биологическом факультете СПбГУ. А.Б. Казанский – руководитель Санкт-Петербургского междисциплинарного семинара им. В.И. Вернадского (секция СПбОЕ).