只用两种参数，预测复杂的生态系统

试图破译影响复杂生态群落行为的所有因素，是一项艰巨的任务。然而，一组科学家如今已经表明，这些生态系统的行为可以根据两个信息来预测，它们分别是群落中的物种数量，以及它们之间相互作用的强度。

在对实验室中生长的细菌的研究中，研究人员能够定义生态群落的三种状态，并计算出它们从一种状态转变到另一种状态的必要条件。这些发现让研究人员能够为生态系统创建一幅“相图”，也就是类似物理学家用来描述控制水从固体到液体再到气体转变的条件的图谱。

相图的神奇和美妙之处在于，它以一种非常简单的形式总结了大量的信息。它可以追踪出一条边界，能预测稳定性丧失和种群波动的开始。这项研究已发表在《科学》上。

种群动态

自然生态系统的动态很难研究，这是因为，虽然科学家可以观察物种之间的相互作用，但一般无法在野外进行控制实验。

一些实验室团队转而使用微生物，比如细菌和酵母，以可控的方式分析物种间的相互作用，从而更进一步了解自然生态系统的行为方式。

近年来，已经有研究证明竞争和合作行为会如何影响种群，并确定了种群崩溃的早期预警信号。随着探索的深入，一些实验室已经逐渐从一次研究一两个物种，发展到了针对更大规模的生态系统的研究。

当科学家努力研究更大的群落时，他们希望开始检验一些理论物理学家对大型复杂生态系统的动态做出的预测。其中一个预测便是，根据群落中的物种数量和物种之间相互作用的强度，生态系统会经历不同的稳定性阶段。在这个框架下，相互作用的类型，比如捕食、竞争还是合作，并不重要。只有相互作用的强度才重要。

为了检验这一预测，研究人员创造了许多不同的细菌群落，这些群落涵盖的细菌种类从2到48种不等。针对每个群落，他们用由不同的物种集形成的不同的合成群落，来控制物种数量。他们还能够通过增加食物数量来加强物种之间的相互作用，这导致种群增长，也可能带来环境的变化，比如酸化加剧。

这就好比拥有了一个可调节的旋钮，可以定量测量和分析生态系统发生的细节。

（图／William Lopes, Gore Lab）

这些实验操纵的结果证实，理论正确地预测了会发生什么。起初，每个群落都存在于一个被称为“稳定的完整存在”的阶段，在这个阶段中，所有物种可以共存，而互不干扰。

随着物种数量或者它们之间的相互作用增加，群落进入了第二阶段，被称为“稳定的部分共存”。种群仍然会保持稳定，但一些物种也会灭绝。整体群落仍然处于一种稳定的状态，也就是说，在一些物种灭绝后，种群又回到了平衡状态。

（图／William Lopes, Gore Lab）

最后，随着物种数量或者相互作用的强度进一步提高，群落进入第三阶段，这一阶段的特点是种群波动更为剧烈。生态系统变得不稳定，意味着种群随着时间的推移持续波动。虽然一些灭绝发生了，但这些生态系统往往有整体存活物种的更大的一部分。

预测行为

利用这些数据，研究人员能够画出一张相图，用来描述生态系统如何基于两个因素发生变化，也就是物种数量和它们之间相互作用的强度。这很像物理学家能够仅仅根据两个条件（温度和压强）来描述水的行为变化，而不需要对每个水分子的确切速度和位置进行更详细的勾勒。

虽然科学家无法获得复杂生态系统中的所有生物机制和参数，但研究证明，它的多样性和动态可能是涌现现象，这些可以从生态群落的几种集合属性中预测出来。

这种相图的建立可以帮助生态学家在信息量有限的情况下，对森林等自然生态系统中可能发生的情况进行预测，因为需要知道的只是物种的数量和它们的互动程度。这些预测纯粹是基于这个复杂群落内相互作用的统计分布。

研究人员现在正在研究新物种在原本孤立的种群（类似于岛屿生态系统）之间的流动，如何影响这些种群的动态。这可能有助于阐明，即使在灭绝发生时，岛屿如何能够保持物种多样性。

参考来源：

https://news.mit.edu/2022/ecosystems-instability-models-1006

封面图&首图：William Lopes, Gore Lab