大自然如何挑戰數學？而得以保持生態系統的穩定

矛盾的是在生態模型中，生物物種之間緊密相互作用的丰度通常會誘發災難，新分析暗示大自然如何挑戰數學。茂密雨林、稀樹草原、平靜湖泊背後隱藏的是一個充滿競爭和合作的世界。物種為了爭奪有限的生存空間、資源，會互相消耗，利用彼此的特長。當生態學家試圖用數學來模擬生態系統時，往往會發現物種間相互作用越多，系統就越發不穩定。簡單生態系統模型想要保持穩定，其物種間的所有相互作用必須完全和諧。

博科園-科學科普：然而隨著物種數量和物種間相互作用強度的增加，維持平衡變得更加棘手：每對配偶的任何混亂或不平衡都會向外擴散，並會造成整個網路混亂。在這種關係中，物種直接對彼此的生存做出貢獻。在數學模擬中，相互依存的生物有時表現得非常好；在極端情況下會呈指數級增長。理論生態學先驅羅伯特?梅曾將這種情況稱為「相互恩澤的狂歡」，可能會導致其他生物滅絕。真正的生態系統似乎並非如此脆弱，發表在《自然通訊》上的一篇新論文中，伊利諾伊大學兩位理論生態學家更精確地探討了物種間互惠互利的行為如何影響生態系統的穩定性。以及在合適條件下，互惠互利會如何促進生態系統穩定。

自然界中複雜多樣的生態系統通常由物種之間豐富的相互作用保持穩定。然而在模擬中，模型生態系統通常會隨著相互作用的增強和增多而變得不穩定。研究人員正逐步開始了解是何種原因導致這一差異。圖片：Maxim Usik for Quanta Magazine

研究結果與之前保持一致，表明生態系統比模型所暗示的更有彈性。伊利諾伊大學厄爾分校理論生態學家、副教授詹姆斯·奧德懷爾說：雖然研究人員已經學會了如何解決不一致性問題，以便在建模研究中獲得更加現實的結果，但近來，互利共生問題已呈現出新的緊迫性。隨著對微生物群落的=普遍性了解的增長，如何對它們進行建模變得更加緊迫。大型微生物群落有很多交叉餵養的相互作用，資源交換應該帶來很多強烈的相互作用。在傳統的模型中，這將導致系統非常不穩定，穩定性是這些種群存在的標誌。腸道微生物群落在健康時期非常穩定，波動則會帶來一系列疾病。

伊利諾伊大學分校理論生態學家詹姆斯·奧德懷爾研究了一對物種之間精確的互惠相互作用水平如何影響生態系統的穩定性。 圖片：Courtesy of James O』Dwyer

為了進一步研究，先建立了一個模型：在這個模型中，生物體在出生、繁殖和死亡過程中同時消耗和競爭來自別處的資源，這代表了營養物質流入微生物生態系統的過程。芝加哥大學理論生態學家斯蒂法諾艾麗西娜解釋說：你可以想像這種細菌在這個碳源上生長得更好，但是在另一個碳源上則生長得更差，所以它更喜歡前者，養分流入和死亡率的價值就是讓生態系統穩定。生物體不僅以外部資源為食，還以彼此的副產品為食，而且它們對於這種依附關係十分清楚。正如預期那樣，互惠互利對系統產生了不穩定的影響，如果互惠互利過程是平等的。

合作夥伴所付出的與回報等同；在這種情況下，系統也就恢復了穩定。這一發現之所以有趣，是因為在之前的研究中，雙方利益不平等的互惠主義通常被認為更加穩定，不會瘋狂推動兩個物種擴張。互惠主義的完美平衡似乎是對互惠主義不穩定影響的一種苛刻。但研究人員的確發現了一個特殊案例，在這個案例中，可以維持一個多元化、穩定、互惠互利的群體，但這一互動行為有非常嚴格的要求。在2015年發表在《科學》上的一篇論文中指出，微生物群落中細菌之間的激烈競爭可能本身就是一種穩定力量，檢查任何可能會超出系統的物種。

然而並沒有排除奧德懷爾和巴特爾所塑造平衡共生的可能性，這樣的生物情景是否會變得非常有趣。事實上奧德懷爾和同事們想利用現實生活中的數據來調整模型。從人們的糞便樣本中提取腸道微生物群落，經過數月或數年的時間，可能有助於觀察這些微生物的飲食習慣；從而縮小模型實際活動參數範圍。與此同時，大型微生物群落的建模工作持續吸引著許多研究者的關注。當生物學家們進行實驗時，許多細菌生活在一起，相互競爭，相互依存，他們有什麼值得期待呢？

目前零假設情況並不多見，在發表在《自然生態與進化》上的一篇論文中，研究人員提出了一個問題：如果將上百種不同的細菌樣本扔到繁茂、食物充足的培養皿中，會發生什麼樣的事情呢？發現當模擬這樣一個場景時，許多物種都會滅絕，但最終會形成一個穩定的生態系統；不管物種之間如何聯繫在一起，都會保持穩定。研究人員希望理論工作最終能夠幫助推進實驗室工作。如果研究人員能更好地理解培養皿中標準腸道菌群如何活動，這可能會帶來更微妙和實用的理論。在最簡單的生態系統建模的經典形式下，自然界中所見的真實情況從來不會出現；他們可能會問，在所有這些新模型中，哪一個最接近現實呢？

博科園-科學科普｜參考期刊文獻 :《Nature Communications》,《science》,《Nature Ecology & Evolution》｜文：Veronique Greenwood/Quanta magazine/Quanta Newsletter

DOI：10.1038 / s41467-018-05308-z

DOI：doi.org/10.1038/s41559-018-0603-6

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