Science最新研究：复杂生态系统中涌现的相变

作者：杨超月

导语

生态学致力于理解自然生态系统中的多样化的物种和复杂的动力学行为，然而科学家长期缺乏描述和预测生物多样性和生态动力学的统一框架。MIT物理系的胡脊梁和Jeff Gore等科学家结合理论和微生物群落实验，证明只需要掌握少量群落尺度的控制变量，就可以预测复杂生态系统的行为。热力学描述大量气体分子的行为只需要温度和压强等少数涌现的状态变量，而不需要知道每个分子的坐标和速度。Jeff Gore等人在生态网络中发现了类似的粗粒化描述方法，他们的实验和理论结果表明，只需要知道物种数量和平均种间相互作用强度这两个粗粒化参数，就可以预测生态群落中涌现的动力学行为以及相变。物种数量和平均种间相互作用的增加会导致群落在三个涌现的动力学相之间发生相变，从所有物种稳定共存相，转变到部分物种稳定共存相，最终转变到物种数量随时间持续振荡相。他们还发现高物种多样性和群落持续震荡之间存在正反馈。相关成果10月6日发表于Science杂志最新一期。

研究领域：生态学，系统生物学，复杂动力系统

胡脊梁 | 作者

邓一雪 | 编辑

论文题目：

Emergent phases of ecological diversity and dynamics mapped in microcosms

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm7841

官网报道：

https://www.science.org/content/article/powerful-physics-tool-could-help-scientists-understand-complex-ecosystems

1. 生态系统的动力学和物种多样性

大量物种在自然界共存并相互作用，组成复杂的生态群落。生态学的核心挑战之一是理解大量物种如何共存，他们作为群落的复杂动力学行为，以及这些行为如何塑造生态系统的功能。关于物种多样性是增加还是减弱种群稳定性存在长期的争论。生态学家通过观察自然群落，发现很多环境因素可以同时影响物种多样性和群落稳定性，因此很难解析两个变量之间的因果关系。实验室可控环境下的实验可以有效避免环境因素的随机干扰，从而研究群落本征属性，例如种间相互作用对于物种多样性和种群稳定性的影响。科学家在包含少量物种的实验室群落中观察到了可预测的稳态以及周期性震荡，并且分析了不同种间作用关系的功能，例如捕食关系，竞争关系和共生关系。对于大量物种共存在实验室生态群落，由于无法测量所有生物学细节（种间相互作用，生长率和环境容纳量等），一个自然的问题是我们是否可能借助简单少量的粗粒化参数去预测复杂群落的生物多样性和动力学？

Robert May和其他先驱的理论学家探索了通过少量粗粒化参数（例如物种数量和种间相互作用强度的统计分布）去预测复杂生态网络的行为。他们的工作展示大量物种和强烈的种间相互作用会导致群落失去稳定性，但是对于稳定性之外群落的复杂行为还缺乏理解，例如如何理解物种多样性，混沌震荡，以及群落动力学和多样性的相互作用。在这项工作中，胡脊梁和Jeff Gore等科学家试图在理论和实验中控制物种数量和种间相互作用强度，并揭示物种多样性和群落稳定性之间的关系。

2. 群落动力学和生物多样性的相图

作者借助generalized Lotka-Volterra model研究了不同参数下群落动力学行为的变化。模拟的结果显示增加物种数量和平均种间相互作用强度，群落总是会从所有物种稳定共存发生第一次二阶相变，转变到部分物种灭绝的稳定状态，最终群落会发生第二次相变，从稳定态转变到物种数量持续震荡的动力学相。在模拟中作者随机按照一定统计分布随机生成了种间相互作用矩阵，并证明动力学相和相变不随着统计分布的改变而发生改变。借助随机矩阵理论和统计物理的方法，作者可以得到两个相边界的解析解，和计算结果完全吻合。理论分析的结果显示，只需要物种数量，种间相互作用分布的一阶矩和二阶矩这三个粗粒化参数就可以预测复杂群落的多样性和稳定性。作者还进一步验证了动力学相图在不同的模型假设（例如考虑生态网络中的捕食者-被捕食者，互利共生，竞争关系等）下都具有鲁棒性，并呈现出相同的动力学相和相变顺序。作者甚至在其他类型的群落动力学模型（例如基于pH的种间相互作用模型）得到了定性上相同的相图。这些结果证明群落动力学和生物多样性的相图的普适性。

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