Как мы привыкли думать о внедрении новых решений в сложную систему? В идеале — сначала проектируем, моделируем, тестируем на ограниченном окружении, отслеживаем реакцию, смотрим логи, оцениваем риск. И только потом, обретя уверенность, выходим в продакшн.  Если что-то пошло не так — откатываем изменения. Но что будет, если таких механизмов нет и каждая фича сама себя воспроизводит, меняет окружение и влияет на тысячи взаимосвязей?

Речь идет о природных экосистемах. Любой инжект нового вида животного или растения — это потенциальный запуск каскада изменений. Хрестоматийный пример  — Австралия. На этот континент было завезено множество «чужеродных» ему видов: кролики, лисы, кошки, верблюды, жабы. Никто не проводил полноценного «тестирования» и не задумывался о том, как новая «фича» впишется в природный «код».

В природе нет Canary deployment. Когда вид попадает в экосистему, он размножается, мигрирует, взаимодействует со множеством факторов, и вы не можете просто взять и «открутить» все назад. Как итог — Австралия столкнулась с чередой экологических проблем, которые обходятся в миллиарды долларов ежегодно, угрожают биоразнообразию и напоминают о том, что внедряя что-то без тестирования, можно получить хаос континентальных масштабов. Чтобы понять, почему так происходит, обратимся к математическим моделям популяционной динамики.

Формулы, хаос, фракталы: когда популяция описывается математикой

Одна из классических моделей, позволяющая предсказать изменение популяции, — логистическое уравнение: Pₙ₊₁ = r × Pₙ (1 – Pₙ) где P — нормированная численность (доля максимально возможной вместимости среды), r — параметр, характеризующий скорость роста популяции. При небольших значениях r популяция стабилизируется, но если r увеличить, начинается серия бифуркаций (качественных изменений поведения): сначала появляются колебания, потом циклы удваиваются, а далее «включается» режим хаоса. На бифуркационных диаграммах видно фрактальное ветвление: малейшее изменение параметра может привести к кардинально иному поведению системы.

На лекциях по теории хаоса часто приводят в пример популяции животных (в том числе кроликов), демонстрируя, как небольшое изменение условий способно ввергнуть систему в состояние, где предсказать численность невозможно. При этом любая попытка стабилизировать ситуацию «снаружи» может лишь усложнить картину.

Когда в Австралии кролики, лишенные естественных хищников, начали бесконтрольно размножаться, коэффициент r зашкалил. Решение, казалось бы, простое: надо завезти животных для охоты на них. Но без проверок, без понимания сложных связей это привело к нарушению всей структуры биоценоза.

Глобальный контекст и оценка IPBES о биологических инвазиях

Проблема актуальна не только для Австралии. В сентябре 2023 года Межправительственная научно-политическая платформа по биоразнообразию и экосистемным услугам (IPBES, часто называемая «МГЭИК по биоразнообразию») опубликовала свою первую глобальную экспертную оценку инвазивных чужеродных видов, подготовленную 143 странами-участницами (IPBES, 2023). По данным отчета, биологические инвазии ответственны за 60% всех вымираний видов и в 2019 году нанесли мировой экономике ущерб в размере 423 млрд долларов США. Прогнозы показывают, что к 2050 году число инвазивных видов вырастет на 36%, а расходы будут увеличиваться вчетверо каждое десятилетие.

Ключевые выводы IPBES:

1. Инвазивные виды — серьезная глобальная угроза для природы, экономики, продовольственной безопасности и здоровья человека.

2. С расширением торговли, путешествий, изменением землепользования и климата масштабы и воздействие инвазий будут увеличиваться.

3. У человечества достаточно опыта, инструментов и знаний для борьбы с инвазивными видами, если мы будем делиться ими и сотрудничать на международном уровне.

Для Австралии это особенно актуально. По словам доктора Энди Шеппарда, главного научного сотрудника по биобезопасности в CSIRO (национальном научном агентстве Австралии), инвазивные виды обходятся стране примерно в 25 млрд австралийских долларов в год (начиная отсюда все цены мы будем указывать в этой валюте). Они являются главной причиной утраты австралийского биоразнообразия. 

Австралия как боевой полигон интродукций

Колонистам, прибывшим из Европы, идея завезти кроликов, лис, кошек, верблюдов или тростниковых жаб для решения конкретных задач (охота, транспорт, контроль вредителей) казалась логичной. В Старом Cвете ни один из этих видов не вызвал бы проблем. Хотя бы потому, что большинство из них прекрасно существуют там уже тысячи лет. Однако экосистема Австралии миллионы лет формировалась в изоляции, и новые виды, внедренные в нее, запустили цепную реакцию проблем.

Кролики: как 24 особи превратились в сотни миллионов долларов ущерба

В 1859 году в Австралию завезли 24 кролика. А через несколько десятков лет их численность достигла сотен миллионов. Кролики поедают пастбища, уничтожают корневые системы, повышают эрозию почв, вытесняют аборигенных травоядных. По оценкам DAFF и Invasive Species Council (ISC), ущерб от кроликов превышает 200 млн AUD ежегодно: учитываются потери урожая, затраты на восстановление земель, на барьерные сооружения (Rabbit-proof fence длиной более 3000 км) и расходы на «биовойну».

Лисы: хотфикс, усугубивший баг

Лисы (Vulpes vulpes) были завезены в 1870-х, предполагалось, что они помогут контролировать кроликов. Но они охотно перешли на уязвимых эндемиков, не знакомых с новым хищником. Они способствовали вымиранию или сокращению как минимум 10 видов коренных млекопитающих. Лисы вредят и сельскому хозяйству, нападая на ягнят. Совокупные ежегодные потери от лис и затраты на их контроль (отравленные приманки, отстрел, ограждения) оцениваются в 30–50 млн долларов. Вместо «дебага» кроличьей проблемы лисы породили новые цепочки сбоев.

Хотфикс, который чуть не сломал вообще все

В какой-то момент решили привлечь к борьбе вирусологов (и до сих пор от этих планов не отказались, об этом дальше). Смысл был в том, чтобы «пропатчить» кроличью популяцию миксоматозом. Этот вирус, выявленный XIX веке в Уругвае, на уругвайских кроликов особого влияния не оказывал — сказалась совместная с кроликами эволюция. А вот для кроликов европейских он был смертелен. Казалось бы, что может пойти не так? 

Вначале (в 1950 году) все шло хорошо, и кроличья популяция сократилась на 95%. Однако успешный успех не сумел закрепиться: благодаря тому, что в результате мутаций вирулентность вируса снизилась, а оставшиеся в живых кролики выработали устойчивость, они снова начали активно плодиться. 

Хуже, что спустя всего два года после начала программы вирус попал в Европу. То ли кто-то привез его из Австралии, чтобы «потравить» кроликов на своей земле, то ли его завезли случайно (с блохами, комарами или теми же кроликами). Результат был печален: произошел кроликомор, который схлопнул и разорил целые отрасли. 

С точки зрения экологии все тоже было не очень хорошо. Так как кролики в Европе — неинвазивный вид, нарушились пищевые цепочки хищников, «выстроенные» за сотни лет, что не слишком хорошо сказалось на их популяции. А в некоторых случаях изменился даже растительный покров, который раньше уничтожали ушастые газонокосилки.

В самой же Австралии вся эта борьба привела лишь к тому, что популяция зайцеобразных стала колебаться. Как в логистической модели: поменяли параметр — и система прыгает в другую точку равновесия, порой еще более нестабильную.

При этом программа биоконтроля кроликов в Австралии сохранилась. Она опирается на вирусы RHDV и тот же миксоматоз, но для того, чтобы она работала, приходится отслеживать эволюцию штаммов. Австралийцы со всей страны присылают образцы тканей кроликов в лаборатории, что позволяет ученым в реальном времени отслеживать циркуляцию и генетическое разнообразие вирусов.

Вы рыбов разводите? Нет, вторгаем

Если кролики символизируют неуправляемое размножение на суше, то сазаны, или европейские карпы (Cyprinus carpio), стали их верными последователями в водоемах. Их завезли с европейского континента, в том числе из Германии, еще в XIX веке, и они, недолго думая, успешно прижились.

Но настоящий рыбный беспредел начался после появления новой породы этих рыб (Boolarra strain) в конце 1960-х годов. Эти карпы были завезены для использования в рыбоводных хозяйствах и первоначально их разводили на рыбной ферме в Булларре (отсюда и название породы). Разведение поощрялось на государственном уровне (поскольку ценный промысловый вид) и, вероятно, считалось, что, в отличие от кроликов, рыбы никуда из пруда не денутся. 

Но произошел классический пример Container escape: карпы сбежали (либо по каким-то сообщающимся руслам, либо в результате наводнения), и вразнос пошла уже водная экосистема. 

По данным исследований, опубликованных в журнале Biological Conservation, в обычные годы в австралийских пресных водоемах обитает около 199,2 млн карпов с биомассой 215 450 тонн (это примерно как 43 тысячи взрослых слонов), а в дождливые годы популяция может вырасти до 357,6 млн особей. Плотность карпьей биомассы в некоторых мелких озерах достигает 1800 кг/га, при том что безопасным уровнем считается лишь 80–100 кг/га. Иными словами, там, где должен плавать один карп, их теперь плавает восемнадцать.

Карпы, не встречая особого сопротивления, распространились по водоемам, охватывающим около 17% территории Австралии и Тасмании, преимущественно на востоке континента, где они превышают критический порог более чем на половине водно-болотных угодий и в подавляющем большинстве рек.

Карпы тревожат донные отложения, ухудшают качество воды, меняют структуру растительности и пищевые цепи. Подобно сухопутным инвазивным видам, они увеличивают «сложность уравнения» экосистем, создавая новые проблемы для экологии и экономики. Австралийское правительство, вдохновленное успехом (хотя и относительным) борьбы с кроликами, рассматривает применение герпесвируса карповых III типа (CyHV-3, или KHV) против карпов. По заявлению министра промышленности, инноваций и науки Кристофера Пайна и данным CSIRO, это должно привести к 95-процентному снижению численности за 30 лет.

Однако, как и в случае с вирусами против кроликов, подход несет свои риски. Во-первых, история с миксоматозом наглядно показала, что со временем хозяева и патогены проходят через коэволюцию: кролики стали более устойчивы к вирусу, а сам вирус ослаб. Нет гарантий, что с вирусом CyHV-3 не произойдет то же самое. Во-вторых, есть более прозаичная проблема: массовая гибель карпов может привести к появлению гигантского количества разлагающейся рыбы, которая без своевременной утилизации вызовет настоящий водный коллапс — от вспышек роста микроводорослей до критического снижения уровня кислорода в воде.

Масштабная операция по уничтожению карпов, прозванная в прессе «карпагеддоном», планировалась еще на 2018 год и должна была уничтожить сотни тысяч тонн рыбы. Но за все это время единственным реальным шагом стало создание в марте 2024 года рабочей группы с представителями рыболовства из Виктории, Нового Южного Уэльса, Южной Австралии и Квинсленда для рассмотрения возможности полевых испытаний и контролируемого высвобождения вируса.

Если план будет реализован, и карпы начнут умирать, то в игру вступит еще один фактор — пресноводные черепахи. Исследования показывают, что черепахи — ключевые санитары рек. В их присутствии тушки карпов разлагаются в три раза быстрее, а концентрация кислорода и аммиака в воде скорее возвращается к норме.

Но за последние десятилетия численность черепах в австралийских реках существенно снизилась, что уменьшило устойчивость пресноводных экосистем. Если запустить герпесвирус против сазанов при нехватке черепах, то трупы миллионов рыб могут остаться неутилизированными. 

Кошки: милашки, ставшие хищными машинами-убийцами

Как и многие другие «подарочки» австралийской экосистеме, кошки (Felis catus) прибыли на континент с первыми поселенцами в конце XVIII века. Собственно, это были обычные корабельные кошаки, защищавшие запасы от крыс. После высадки они продолжили работу уже на суше, охраняя амбары и склады.

Кошки оказались СЛИШКОМ эффективными охотниками для местной фауны. И если уж для кроликов не нашлось достаточного количества стабилизирующих популяцию хищников, то для кошек и подавно. Из домов, амбаров и складов они легко перебрались на вольные хлеба и так хорошо на них адаптировались, что к настоящему моменту отправили в Красную книгу как минимум 20 видов млекопитающих.

По данным исследований, сейчас по континенту разгуливает от 2,1 до 6,3 млн одичавших кошек. На новых землях эти бывшие домашние питомцы вспомнили все, чему их учили далекие предки: они уничтожают более 1,8 млрд местных животных в год. 

Традиционные методы борьбы с хищниками работают так же эффективно, как попытки выловить спагетти вилами. Поэтому на помощь снова позвали вирусологов. На этот раз решением должен стать генный драйв с использованием технологии CRISPR-Cas9. План следующий: с помощью него сместить генетический баланс в сторону самцов и таким образом притормозить размножение кошачьей армии.

CRISPR-Cas9 — это что-то вроде генетических ножниц, которые могут целенаправленно вырезать или изменять определенные фрагменты ДНК. Для их доставки используют «специально обученные вирусы», которые разносят генетические инструкции по клеткам. В теории, если правильно запрограммировать эту систему, можно превратить кошачью популяцию в мужской клуб — с очевидными последствиями для демографии. Правда, пока технология новая и работает только в теории. Да и «успех» эксперимента с миксоматозом австралийским ученым повторять, наверное, не очень хочется.

Тем временем около 68% австралийцев говорят «да» генетическим экспериментам над дикими кошками. А пока ученые колдуют над генами, десятки миллионов долларов ежегодно улетают на программы контроля: отлов, стерилизацию, ядовитые приманки и возведение ограждений в заповедниках. Все эти меры напоминают типичную ситуацию в разработке: когда вместо нормального рефакторинга системы мы бесконечно лепим хотфиксы, а баги все равно множатся быстрее, чем мы успеваем их чинить. 

Верблюды: как legacy-решение вышло из-под контроля

Верблюды были завезены, чтобы помочь в освоении засушливых регионов. Они казались удобным транспортным средством для перевозки грузов и людей в засушливом климате. И в 1840-х годах в Австралию прибыли первые «корабли пустыни» вместе с погонщиками из Афганистана и Индии. 

Но потом произошла классическая история: появилось новое решение (железные дороги и автомобили), а старое «забыли» правильно деактивировать. Это как оставить без присмотра устаревший микросервис, который внезапно начинает плодить свои копии и пожирать системные ресурсы. К 2008 году «верблюжий микросервис» разросся до миллиона экземпляров, и некогда удачное транспортное решение превратилось в экологическую катастрофу.

Бесконтрольное размножение «legacy-компонентов» привело к появлению стад одичавших верблюдов, которые начали вытаптывать критически важные ресурсы (водоемы), разрушать инфраструктуру и уничтожать зависимости (местную растительность). В 2009–2013 годах на экстренный «откат системы» потратили более 19 миллионов долларов, устроив масштабный отстрел с вертолетов. Но и это особо не помогло: ежегодный ущерб от горбатых все еще исчисляется десятками миллионов долларов. 

Тростниковые жабы-убийцы

Ну и продолжая тему инвазивных видов, как не вспомнить тростниковых жаб (Rhinella marina), которых в 1935 году завезли для контроля сахарного жука. Звучит как простой план, надежный, как швейцарские часы: добавить хищника, который будет поедать вредителя, — и все, проблема решена.

Вот только жабы показали себя абсолютно неэффективными в борьбе с жуками, поскольку их поведенческие паттерны и ареал не совпадали с местонахождением вредителей. Зато они сами начали стремительно размножаться и распространяться по континенту. Жабы оказались ядовиты, что фактически «отравило» пищевые цепочки. Местные хищники, пытавшиеся на них охотиться, умирали от токсинов. В итоге вид, призванный быть естественным пестицидом, стал масштабной проблемой, охватившей миллионы гектаров земли. 

Жабы размножились до 200 млн особей и уничтожили пищевые цепочки. Программы вроде Cane Toad Challenge (к охоте на жаб призывают всех желающих) обходятся в сотни тысяч долларов, а совокупные косвенные потери — миллионы в год. Попытки контролировать популяцию пока ни к чему не привели, и единственный способ борьбы с земноводными сейчас  — ограждения и отлов.

А еще на них подсели собаки. Оказалось, что если полизать жабу, то от несмертельной дозы жабьего токсина можно поймать приход. 

Я заметил, что Билли, наша помесь бордер-колли и австралийской пастушьей собаки, стала пропадать по вечерам. Она возвращалась домой с виноватым видом и со всеми симптомами рейвера 90-х — расширенные зрачки, слюнотечение, глупая ухмылка. Не потребовалось много времени, чтобы выяснить, куда она ходит. Она «подсела» на земноводных.

Не будем подробно расписывать перипетии борьбы с земноводными и попытки ужиться с ними, про это есть отличная документалка. Обязательно посмотрите, если еще не.

«Война с эму»: пулеметы против птиц

Отдельным трагикомичным примером стала «Война с эму» 1932 года. После Первой мировой многие ветераны получили земельные участки для ведения сельского хозяйства. Но в разгар Великой депрессии и падения цен на пшеницу фермеры столкнулись с внезапной DDoS-атакой: около 20 000 эму мигрировали в их районы, уничтожая посевы и создавая уязвимости в системе безопасности (ломая заборы), через которые проникали уже известные нам вредоносные агенты (кролики).

И тут кто-то в австралийском правительстве предложил гениальное решение, достойное худших практик антикризисного менеджмента: «Давайте забаним птиц... пулеметами!» Примерно как защищаться от DDoS, стреляя по зданию ЦОДа из нагана. Министр обороны Джордж Пирс, видимо, решил, что это отличная идея, и отправил на решение проблемы Anti-DDoS в виде майора Гвинеда Мередита с двумя пулеметами Льюиса и 10 000 патронов (что, собственно, уже вызывает вопросы, учитывая изначальное количество птиц).

К 8 ноября 1932 года, после нескольких дней операций, было израсходовано около 2 500 патронов, но точное число «нейтрализованных нарушителей» остается неизвестным — по разным оценкам, «забанить» удалось от 50 до 500 эму. После негативного освещения в прессе операцию пришлось приостановить. Но атаки продолжались, и в ноябре защитные мероприятия возобновились. К 10 декабря было убито около 986 птиц при расходе 9 860 патронов, то есть в среднем 10 патронов на одну птицу.

Эму проявили неожиданную тактическую смекалку и живучесть. Вместо того чтобы собираться в большие группы и дружно гибнуть, птицы рассредоточились на местности, а военные тратили боеприпасы впустую. Пресса прозвала это «войной», а исход трактовался как позорный проигрыш армии стае птиц. В итоге была активизирована система вознаграждений за уничтожение эму, что оказалось более эффективной стратегией. 

Социально-экономические и политические аспекты

Инвазивные виды — не чисто биологическая проблема. Это и социально-экономический вопрос: фермеры требуют решений, экологи озабочены исчезновением видов, защитники животных против массовых отстрелов, политики ищут популярные меры. Как в сложном программном проекте, где разные стейкхолдеры пытаются найти баланс между эффективностью, безопасностью и этикой.

Потери от инвазивных видов в Австралии — это не просто цифры. Это снижение экспортного потенциала, ослабление пастбищ, необходимость покупать новые средства защиты, ремонтировать поврежденную инфраструктуру.

Ученые и власти Австралии не прекращают попыток решать проблемы, но все это напоминает попытки оптимизировать работающую систему, не имея возможности ее остановить. Есть небольшой прогресс в отдельных регионах, где защитные механизмы позволяют сохранить редкие виды, а точечные меры контроля снижают ущерб.

Тестируйте перед деплоем

Чему нас учит австралийский опыт? При разработке ПО мы можем быстро протестировать и откатить изменения, а в природе такой возможности нет. Это означает, что базовые принципы разработки — тестирование, оценка рисков, анализ зависимостей — актуальны и за пределами программирования.

Сложные системы — будь то программные или биологические — нельзя менять бездумно. Маленькая ошибка может запустить каскад проблем, а ее исправление — потребовать колоссальных ресурсов.

История Австралии показывает: нельзя вторгаться в сложную систему без понимания последствий. Логистические модели, хаос, фракталы — это не абстракции, а реальность, в которой популяции меняются под влиянием нескольких параметров. Малейшее изменение — и система теряет стабильность, требуя постоянных исправлений.