為什麼當整體環境惡化時，一些規模小的物種反而能逆襲？
穩定的生態系統偶爾也會經歷能導致大範圍死亡的事件。例如，人類腸道中的細菌可能被抗生素消滅，海洋生物可能因為過度捕撈而耗竭。那麼，這樣的事件會如何影響一個群落中的不同物種呢？在一項新的研究中，麻省理工學院的物理學家揭示出了這其中的奧秘。
在這項新的研究中，物理學家使用細菌來進行研究，他們發現當條件惡化時，一個在正常條件下只有較小種群規模的物種的數量可以大量增加。在此之前，已有相關的理論模型預測了這一現象，而如今在實驗中的發現印證了之前的理論模型。他們將這項研究發表了在5月9日的《自然通訊》上。
物理學家Jeff Gore是論文作者之一，他表示：「對於複雜群落中的一種單一物種來說，死亡率的上升，並不一定意味著你最終也會受到傷害。還有一種可能的情況是，雖然死亡本身對你不是什麼好事，但事實上你的競爭物種也在經歷死亡率的上升，它們可能比你更敏感，而這意味著你可能會活得更好。」
這一研究結果可能也適用於真實世界中的那些更大的生物群體，只是我們很難在這些更大的生物體中進行研究測試。因為在試管中培養細菌可以是在高度受控的條件下進行的，而對更大的生物體來說，通常是不可能達到這樣的實驗條件的。
Gore相信，這種事情是可能發生在自然環境中的複雜群落里的，他們只是苦於很難作出可以真正確定這一點的必要實驗。但在實驗室環境中，研究人員是可以作出非常清楚地測量，然後非常明確地看見這種效應的。
競爭資源
在土壤、海洋或人類腸道等很多地方都存在許多的微生物群落，微生物群落通常包含數千個不同的物種。在Gore的實驗室里，他們感興趣的問題是，決定特定環境中存在哪些物種的因素是什麼？這些生物群落的組成又會如何影響它們的功能？
通過在實驗室中進行控制實驗，Gore希望能了解不同物種之間是如何相互影響的，並且測試那些用於預測種群會如何對環境作出反應的假設。2013年，他發現了酵母中種群崩潰的早期徵兆，還研究了不同物種的細菌如何彼此保護，共同抵禦抗生素。Gore說：「我們通過利用那些在實驗里易於處理的簡單群落，找到決定哪些物種可以共存的原則，以及這些原則在不同環境中會如何變化。」
在去年發表的一篇論文中，Gore和同事們探索了這些實驗結果是否有可能適用於更大的生物群落。他們發現，兩個互為競爭關係的物種之間的相互作用，可以被用來預測當有三個物種相互競爭時的結果，其準確度大約為90%。
在這項新的研究中，Gore與該論文的第一作者Clare Abreu決定嘗試看能否利用一對物種間的相互作用來預測當環境條件惡化時，三個相互競爭的物種會如何反應。為了在實驗室中模擬這一過程，研究人員使用了稀釋的方法：在每一天結束時，他們都要丟棄種群的很大一部分（從90%到99.999999%），然後將剩餘部分轉移到新鮮資源中。這或許與現實世界中的過度捕撈或棲息地喪失等情況相類似。
Gore說：「我們正試圖弄清楚一個普遍的問題，那就是死亡率的上升將如何改變一個群落的構成。」研究人員研究了五種土壤細菌的組合。在實驗中，他們每一次會對物種進行兩兩測試，結果發現了一種特定的模式，這個模式與經典的物種相互作用模型——洛特卡-沃爾泰拉模型（Lotka-Volterra model）的預測相符。洛特卡-沃爾泰拉模型描述的是那些只包含兩個物種的生物系統，一個作為掠食者，另一個作為獵物，比如羚羊和豹，然後用方程描述這兩個物種相互作用的動態過程。
根據這個模型的推測，環境條件的惡化應該有利於生長速度更快的物種。研究人員發現，情況確實如此：即使一開始在群落中佔據優勢的是生長速度較慢的物種，只要隨著稀釋率的增加，種群組成就會持續發生變化，到最後，佔據了群落中更大比例、甚至是完全佔據了群落的終究會是生長速度較快的物種。最終的具體結果取決於每個競爭者的實力，以及它們在初始群落中的相對豐富程度。
研究人員還發現，他們可以根據一對物種競爭的結果，來準確預測出三個共同生長的物種在環境惡化的情況下會發生什麼。
系統生物學研究所的助理教授Sean Gibbons說：「對於我們對微生物生態學的理解而言，這是一個令人興奮的進步。非特異性死亡率可以改變競爭的結果——這是令人感到驚訝的觀察結果，儘管我們還需要做更多的工作來了解稀釋是否對環境條件產生了更微妙的影響。」
種群模型
這項研究中分析的洛特卡-沃爾泰拉模型最初是為描述大型生物體之間的相互作用而開發的。這樣的模型更容易在微生物種群中進行測試，因為相比於控制生活在森林中的動物的實驗條件，控制細菌的實驗條件要容易得多。
但是Gore也表示，我們並沒有什麼強烈的理由去認為，這些模型更適用於微生物而適用於大型生物。只是說對於微生物而言，研究人員可以一次研究數百個群落，然後轉動一些實驗旋鈕就能進行清晰的測量。Gore說：「對於大型生物體而言，我們可以清楚地了解到，這些模型什麼時候起作用，什麼時候不起作用。」
Gore和他的學生們目前正在研究的是，特定的環境變化，比如溫度和資源的變化，會如何改變微生物群落的組成。除此之外，他們也在試圖通過實驗來研究包括兩個以上細菌物種的群落。
原文首發於2019年5月13日的MIT News，作者系麻省理工學院新聞辦公室的生命科學作者Anne Trafton，原文標題為「How a declining environment affects populations」，副標題「Study finds that competition between bacterial species can be upended when conditions deteriorate」。 原文鏈接：https://theconversation.com/what-happens-when-a-raindrop-hits-a-puddle-115984. 中文內容略有修改，僅供參考，一切內容以英文原版為準。
TAG:原理 |