麻省理工学院研究人员表明，只需两项信息，就能预测复杂生态群落的行为。
在实验室培养细菌的研究中，研究人员界定了生态群落的三种状态，并据此绘制出生态系统的“相图”。
绘制这类相图有助于生态学家预测自然生态系统中可能发生的情况。
试图弄清影响复杂生态群落行为的所有因素，可能是一项艰巨的任务。不过，麻省理工学院研究人员现已表明，只需两项信息——群落中的物种数量以及它们之间相互作用的强度——就能预测这些生态系统的行为。
在实验室培养细菌的研究中，研究人员界定了生态群落的三种状态，并计算出群落从一种状态转变为另一种状态所需的条件。这些发现使研究人员得以绘制生态系统的“相图”，类似于物理学家用来描述控制水从固态转变为液态再到气态的条件的图表。
“相图令人惊叹之处在于，它能以非常简单的形式概括大量信息，”麻省理工学院物理学教授杰夫·戈尔说。“我们可以勾勒出一条边界，预测稳定性丧失和种群波动开始的时点。”
戈尔是这项研究的资深作者。该研究于今日发表于《科学》。麻省理工学院研究生胡继亮是论文第一作者。其他作者包括麻省理工学院前博士后丹尼尔·阿莫尔；法国蒙彼利埃大学植物健康研究所研究员马蒂厄·巴比耶；以及以色列理工学院物理学教授盖伊·布宁。
种群动态
自然生态系统的动态难以研究，因为科学家虽能观察物种之间如何相互作用，却通常无法在野外开展受控实验。戈尔的实验室专门利用细菌、酵母等微生物，以受控方式分析物种间相互作用，希望借此进一步了解自然生态系统的行为。
近年来，他的实验室展示了竞争和合作行为如何影响种群，并识别出了种群崩溃的早期预警信号。在此期间，他的实验室逐步扩大研究范围，从一次研究一两个物种，发展到研究规模更大的生态系统。
随着研究对象扩大到更大的群落，戈尔开始有兴趣检验理论物理学家对大型复杂生态系统动态所作的一些预测。其中一项预测认为，生态系统会依据群落中的物种数量以及物种间相互作用的程度，经历稳定性各异的不同阶段。在这一框架下，相互作用的类型——捕食、竞争或合作——并不重要，重要的只有相互作用的强度。
为检验这一预测，研究人员创建了包含两至48种细菌的群落。对于每个群落，研究人员通过组合不同物种，构建不同的合成群落，从而控制物种数量。他们还通过增加可供食物的数量来增强物种间的相互作用；这会促使种群规模扩大，也可能引发环境变化，例如酸化加剧。
戈尔说：“要在实验室观察到相变，确实必须建立实验群落，让你能亲自调节条件，并对正在发生的事情进行定量测量。”
这些实验操作的结果证实，理论对结果作出了正确预测。起初，每个群落都处于一种称为“稳定的完全共存”的阶段，所有物种共存且互不干扰。
随着物种数量或它们之间的相互作用增加，群落进入第二阶段，即“稳定的部分共存”。在这一阶段，种群保持稳定，但部分物种灭绝。整个群落仍处于稳定状态，也就是说，部分物种灭绝后，种群会恢复到平衡状态。
最后，随着物种数量或相互作用强度进一步增加，群落进入第三阶段，种群波动更加剧烈。生态系统变得不稳定，也就是说，种群会随时间持续波动。尽管发生了一些灭绝，但这类生态系统中存活物种所占的总体比例往往更高。
预测行为
利用这些数据，研究人员绘制出一张相图，说明生态系统如何仅依据两个因素发生变化：物种数量和物种间相互作用的强度。这类似于物理学家仅根据两个条件——温度和压力——描述水的行为变化，而无需详细了解每个水分子的确切速度和位置。
胡说：“虽然我们无法掌握复杂生态系统中的所有生物机制和参数，但我们证明，其多样性和动态可能是涌现现象，可以根据生态群落的少数综合属性加以预测：物种库规模以及物种间相互作用的统计特征。”
绘制这类相图有助于生态学家预测森林等自然生态系统中可能发生的情况，即使掌握的信息很少也可以做到，因为他们只需了解物种数量及其相互作用的强度。
戈尔说：“即使不了解正在发生的事情的详细情况，我们也能预测或说明群落将会如何变化。我们甚至不知道哪些物种在帮助或损害其他物种。这些预测完全基于这个复杂群落内部相互作用的统计分布。”
研究人员目前正在研究，在原本彼此隔离的种群（类似岛屿生态系统）之间，新物种的流入如何影响这些种群的动态。这有助于阐明即使发生灭绝，岛屿为何仍能维持物种多样性。
这项研究部分由阿尔弗雷德·P·斯隆基金会、施密特博学者奖和以色列科学基金会资助。
