試圖破譯影響復(fù)雜生態(tài)群落行為的所有因素，是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。然而，一組科學(xué)家如今已經(jīng)表明，這些生態(tài)系統(tǒng)的行為可以根據(jù)兩個(gè)信息來(lái)預(yù)測(cè)，它們分別是群落中的物種數(shù)量，以及它們之間相互作用的強(qiáng)度。

在對(duì)實(shí)驗(yàn)室中生長(zhǎng)的細(xì)菌的研究中，研究人員能夠定義生態(tài)群落的三種狀態(tài)，并計(jì)算出它們從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài)的必要條件。這些發(fā)現(xiàn)讓研究人員能夠?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)創(chuàng)建一幅 "相圖"，也就是類似物理學(xué)家用來(lái)描述控制水從固體到液體再到氣體轉(zhuǎn)變的條件的圖譜。

相圖的神奇和美妙之處在于，它以一種非常簡(jiǎn)單的形式總結(jié)了大量的信息。它可以追蹤出一條邊界，能預(yù)測(cè)穩(wěn)定性喪失和種群波動(dòng)的開(kāi)始。這項(xiàng)研究已發(fā)表在《科學(xué)》上。

種群動(dòng)態(tài)

自然生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)很難研究，這是因?yàn)椋?strong>雖然科學(xué)家可以觀察物種之間的相互作用，但一般無(wú)法在野外進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)。

一些實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)而使用微生物，比如細(xì)菌和酵母，以可控的方式分析物種間的相互作用，從而更進(jìn)一步了解自然生態(tài)系統(tǒng)的行為方式。

近年來(lái)，已經(jīng)有研究證明競(jìng)爭(zhēng)和合作行為會(huì)如何影響種群，并確定了種群崩潰的早期預(yù)警信號(hào)。隨著探索的深入，一些實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)逐漸從一次研究一兩個(gè)物種，發(fā)展到了針對(duì)更大規(guī)模的生態(tài)系統(tǒng)的研究。

當(dāng)科學(xué)家努力研究更大的群落時(shí)，他們希望開(kāi)始檢驗(yàn)一些理論物理學(xué)家對(duì)大型復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)做出的預(yù)測(cè)。其中一個(gè)預(yù)測(cè)便是，根據(jù)群落中的物種數(shù)量和物種之間相互作用的強(qiáng)度，生態(tài)系統(tǒng)會(huì)經(jīng)歷不同的穩(wěn)定性階段。在這個(gè)框架下，相互作用的類型，比如捕食、競(jìng)爭(zhēng)還是合作，并不重要。只有相互作用的強(qiáng)度才重要。

為了檢驗(yàn)這一預(yù)測(cè)，研究人員創(chuàng)造了許多不同的細(xì)菌群落，這些群落涵蓋的細(xì)菌種類從 2 到 48 種不等。針對(duì)每個(gè)群落，他們用由不同的物種集形成的不同的合成群落，來(lái)控制物種數(shù)量。他們還能夠通過(guò)增加食物數(shù)量來(lái)加強(qiáng)物種之間的相互作用，這導(dǎo)致種群增長(zhǎng)，也可能帶來(lái)環(huán)境的變化，比如酸化加劇。

這就好比擁有了一個(gè)可調(diào)節(jié)的旋鈕，可以定量測(cè)量和分析生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生的細(xì)節(jié)。

（圖／William Lopes, Gore Lab）

這些實(shí)驗(yàn)操縱的結(jié)果證實(shí)，理論正確地預(yù)測(cè)了會(huì)發(fā)生什么。起初，每個(gè)群落都存在于一個(gè)被稱為 "穩(wěn)定的完整存在" 的階段，在這個(gè)階段中，所有物種可以共存，而互不干擾。

隨著物種數(shù)量或者它們之間的相互作用增加，群落進(jìn)入了第二階段，被稱為 "穩(wěn)定的部分共存"。種群仍然會(huì)保持穩(wěn)定，但一些物種也會(huì)滅絕。整體群落仍然處于一種穩(wěn)定的狀態(tài)，也就是說(shuō)，在一些物種滅絕后，種群又回到了平衡狀態(tài)。

（圖／William Lopes, Gore Lab）

最后，隨著物種數(shù)量或者相互作用的強(qiáng)度進(jìn)一步提高，群落進(jìn)入第三階段，這一階段的特點(diǎn)是種群波動(dòng)更為劇烈。生態(tài)系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，意味著種群隨著時(shí)間的推移持續(xù)波動(dòng)。雖然一些滅絕發(fā)生了，但這些生態(tài)系統(tǒng)往往有整體存活物種的更大的一部分。

預(yù)測(cè)行為

利用這些數(shù)據(jù)，研究人員能夠畫出一張相圖，用來(lái)描述生態(tài)系統(tǒng)如何基于兩個(gè)因素發(fā)生變化，也就是物種數(shù)量和它們之間相互作用的強(qiáng)度。這很像物理學(xué)家能夠僅僅根據(jù)兩個(gè)條件（溫度和壓強(qiáng)）來(lái)描述水的行為變化，而不需要對(duì)每個(gè)水分子的確切速度和位置進(jìn)行更詳細(xì)的勾勒。

雖然科學(xué)家無(wú)法獲得復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)中的所有生物機(jī)制和參數(shù)，但研究證明，它的多樣性和動(dòng)態(tài)可能是涌現(xiàn)現(xiàn)象，這些可以從生態(tài)群落的幾種集合屬性中預(yù)測(cè)出來(lái)。

這種相圖的建立可以幫助生態(tài)學(xué)家在信息量有限的情況下，對(duì)森林等自然生態(tài)系統(tǒng)中可能發(fā)生的情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，因?yàn)樾枰赖闹皇俏锓N的數(shù)量和它們的互動(dòng)程度。這些預(yù)測(cè)純粹是基于這個(gè)復(fù)雜群落內(nèi)相互作用的統(tǒng)計(jì)分布。

研究人員現(xiàn)在正在研究新物種在原本孤立的種群（類似于島嶼生態(tài)系統(tǒng)）之間的流動(dòng)，如何影響這些種群的動(dòng)態(tài)。這可能有助于闡明，即使在滅絕發(fā)生時(shí)，島嶼如何能夠保持物種多樣性。