多样性与复杂性的权衡：生态系统通过降低复杂

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

导语

罗伯特 · 梅的稳定性理论一直是理论生态学的核心范式。该理论指出：大的生态系统能够在达到特定临界复杂度前保持稳定，这是生态系统中的物种数量及物种间相互作用强度的产物。也就是说，为了保持稳定，高度多样化的生态系统一定减少了复杂性。然而，到目前为止验证这一假设仍然十分困难。因为这涉及到如何重建庞大的生态相互作用网络，并测量其复杂性。最新发表在 Nature Ecology & Evolution 的一篇文章介绍了一个计算框架，该方法并没有直接测量生物之间的互动关系，而是试图通过对比许多生态系统的剖面（snapshot），计算生态系统的平均复杂度。作者通过计算微生物群落的复杂性，为罗伯特 · 梅的经典理论提供了的证据，即只要具有较低的复杂性和较弱的相互作用，具有较高多样性的微生物群落就会保持稳定。

研究领域：生态网络，复杂性，系统稳定性，理论生态学

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Akshit Goyal | 作者

郭瑞东 | 译者

刘志航 | 审校

邓一雪 | 编辑

多样性与复杂性的权衡：生态系统通过降低复杂

论文题目：

Complexity – stability trade-off in empirical microbial ecosystems

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41559-022-01745-8

1. 多样性的生态系统

通过降低复杂性保持稳定？

当我们漫步于森林之中，或在礁石周围潜水时，会惊讶于生活在我们周围生物群落的惊人多样性。尽管存在对食物、阳光和其他资源的竞争，但包含数百个物种的生态系统仍然可以保持惊人的稳定。为了让生态系统的稳定共存成为普遍现象，理论生物学家罗伯特 · 梅（Robert May）认为，高度多样化的生态系统一定减少了复杂性——也就是说，更少或更弱的物种间相互作用 [ 1 ] 。

虽然这是该领域的核心原则，但通过实证检验生态系统是否遵守这一约束一直很困难，部分原因在于，衡量一个生态系统中的所有相互作用是一项艰巨的任务。由于缺少实证证据支持，同时还存在各种各样替代的理论，该领域对罗伯特 · 梅所描述的约束的有效性产生了很多争论。在 Nature Ecology & Evolution 发表的论文中，Yonatan 等人 [ 2 ] 使用计算手段直接测量一个生态系统的整体复杂性，而不必知道底层相互作用结构。论文指出，生态系统可能真的像罗伯特 · 梅的理论描述的那样运转：更多样化的生态系统通过更少的复杂性来保持稳定。

2. 如何衡量生态系统复杂性？

迄今为止，生态学家衡量生态系统的复杂性时，考虑的是食物网，即对生态系统中某种生物以另一种生物为食的关系汇总。但基于食物网的定性信息，很难转换为罗伯特 · 梅的理论中可直接测量的、对复杂性的量化评价 [ 3-6 ] 。此外，测试复杂性是否随着多样性的减少而减少，需要比较不同的食物网，这可能是存在问题，因为这些食物网来自不同的实地研究，并且是用不同方法重建的。

Yonatan 等人 [ 2 ] 采取了一种不同的、相当有创意的计算方法，在以前的方法基础上分析了生态系统的动力学 [ 7 ] 。该方法并没有直接测量生物之间的互动关系，而是试图通过对比许多生态系统的剖面（snapshot），计算生态系统的平均复杂度。这类似于比较巨大森林中的两片区域。

多样性与复杂性的权衡：生态系统通过降低复杂

图 1. 更大的生态系统，复杂度更低。漫画说明了 Yonatan 等人衡量生态系统复杂性的想法。作者对比具有相似物种集合的生态系统的两个剖面（物种丰度的堆积柱状图，A-D 为四个物种）。（a）如同比较两个生态系统的剖面，发现一个生态系统中缺少黄色的标记为 D 的物种，在其他物种丰度上相似，那么这样的生态系统存在较少的相互作用，复杂度更低。（b）如果生态系统的两个剖面看起来不相似，那么黄色的物种很有可能和其他物种存在强相互作用，生态系统的复杂度高。因此，生态系统的复杂度，可以通过对多组生态系统剖面对比的平均来衡量。（c）作者使用已发表的人体不同位置的微生物群落数据，以及海洋里海绵的微生物群落，来衡量微生物群落的复杂性和多样性。（d）复杂性和多样性的散点图，其中每个点代表从相似环境中采样的生态系统。作者发现复杂性和多样性之间存在负相关：更多样的系统，复杂度更低。这一结论和罗伯特 · 梅关于生态系统稳定性的理论是一致的，该理论推断这样的负相关使得多样性更高的生态系统能够保持稳定。