PNAS：生态系统稳定性依赖于营养级之间的多样性差异

文摘 2024-12-18 09:02 瑞士

生态学中一个经典而复杂的问题：生物多样性如何影响生态系统的稳定性。生态系统的稳定性与人类福祉密切相关，既影响个体健康（例如微生物群落的稳定性），也关系到关键生态服务的可持续性。然而，多样性与稳定性的关系一直存在争议。一部分生态学家认为，物种多样性的减少会破坏生态系统稳定性，导致物种灭绝和系统崩溃；而另一些研究则提出，过高的多样性可能引发更复杂的物种间竞争，从而导致系统不稳定。

这一争议可以追溯到50多年前Robert May的理论研究。May通过数学模型表明，物种间的强相互作用或系统内物种数量的增加会使生态系统趋于不稳定。这一理论引发了广泛的讨论，后续的生态网络研究更深入地探讨了物种间相互作用的模式，如合作、竞争和捕食等对稳定性的影响。然而，尽管理论预测指出多样性通常会引发系统的不稳定性，实际生态观测却显示出多样性可以在某些情况下增强系统的稳定性，这与理论结果存在明显冲突。特别是，对于具有营养级结构的生态系统（例如捕食者与被捕食者之间的关系），其多样性-稳定性关系的机制仍然缺乏系统的理解。在自然界中，生态系统的动态往往表现为捕食、资源竞争、交叉喂养等复杂的相互作用，这些作用跨越不同的营养级并形成多层次的食物网结构。然而，已有的模型大多关注单层物种网络，对营养级之间的多样性差异如何影响系统稳定性了解较少。因此，本文的目标是揭示生态系统稳定性如何受到不同营养级之间多样性差异的影响。

文章主要内容

文章从一个简单的两层生态系统模型出发，其中包含捕食者与被捕食者（或消费者与资源）的关系。通过模拟与分析，研究者发现增加任意一层（捕食者或被捕食者）的多样性时，系统的稳定性会经历一个“先失稳、后重新稳定”的现象，这被称为“重入稳定性转变”（reentrant stability transition）。这一现象揭示了系统的稳定性不取决于单层的多样性，而取决于不同营养级之间的多样性差异。

多样性差异的关键作用

研究进一步指出，当不同营养级的多样性接近时（例如捕食者与被捕食者物种数量相当），系统最不稳定。而随着两层之间多样性差异的增加，生态系统趋于稳定。这一结论通过数学分析得出，具体稳定性准则与捕食者和被捕食者之间的相互作用相关，并且稳定性边界由两者之间的相互影响的相关性（correlation）决定。

随机矩阵理论与稳定性准则

为了深入理解系统稳定性，文章通过随机矩阵理论（非厄米Marchenko–Pastur定律）分析了捕食者和被捕食者之间的相互作用矩阵。研究者发现，当物种间的相互作用相关性较低时，系统更容易失稳；而在适度的多样性差异下，系统能够维持稳定。这一理论不仅适用于两层生态系统，还能够推广到多层食物网，例如三层生态系统中，最不稳定的情况发生在中间层多样性接近上下层多样性之和的情况下。

理论验证与现实意义

文章通过数值模拟验证了上述理论结论，进一步展示了稳定性转变现象在三层及更复杂的生态系统中的适用性。最后，作者强调了研究结果对现实生态系统管理的重要意义，提出维持不同营养级之间适当的多样性差异可能是保持生态系统稳定的关键。例如，在水产养殖或废水处理系统中，管理者可以通过控制不同营养级的多样性比例来增强系统的稳定性。

总结

这篇文章挑战了传统对绝对物种多样性的关注，明确指出生态系统稳定性取决于不同营养级之间的多样性差异。通过数学模型和随机矩阵理论，研究者揭示了“重入稳定性转变”现象，并提供了一个普适的稳定性准则。这一发现为多样性-稳定性关系的长期争议提供了新的解释，同时也为生态系统保护与管理提供了重要的理论指导。

微生物生态 iMcro

欢迎关注呀，这里有最新的科研动态。交流、讨论or其它合作请联系小编chujinchujinchujin

最新文章

ISME：病毒-噬菌体感染模式决定了宿主-病毒-噬菌体系统的生态和进化改变

微生物群落的生态依赖性与合作假象

GCB：气候变化如何削弱生物土壤结皮在碳氮循环中的关键作用

mSystems：微生物多样性在合成群落中的维持

PNAS：单层细胞中的细胞间摩擦和运动性驱动取向有序性

PNAS：水稻土壤中噬菌体辅助代谢基因的适应性表达及其对全球碳固存的贡献

PNAS：生态系统稳定性依赖于营养级之间的多样性差异

Nature：为什么基因检测革命让一些人掉队了，以及如何改变这种状况

太卷了！Nature重磅来袭！医学生不发医学顶刊去发生态顶刊，生态学领域迎来激烈冲击！

土壤塑料际：微塑料、细菌和生物膜的联系

PNAS：氧化还原代谢物增强铜绿假单胞菌抗生素耐受

Nature Communications: 南极海洋病毒的季节性动态和多样性研究

Nat Microbiol：病原菌质粒可移动性——oriT序列多样性分析

抗菌肽对细菌生物膜的作用

2024（第十届）肠道微生态与健康研讨会报名即将截止！12月20日上海见！

Current Biology：细菌如何劫持真菌

抗菌肽：应对多重耐药细菌感染的游戏规则改变者

宏基因组全套分析代码、软件、镜像，赠送云服务器

PLOS Biology：利用远红外荧光探针揭示生物膜扩散模式

eLife：环境异质性可以改变区域扩张中的种群遗传学

剑指诺奖！天才博士耗时3天，破解微生物领域历史难题！这次诺奖势在必得！

Nature Biotechnology：研究生心理健康危机的背后

Nature Microbiology：系统发现细菌毒素的抗细菌和抗真菌活性

手把手全流程教你0基础掌握宏基因组高级生信分析，宝藏课程！

Current Biology：剪切流+过氧化氢组合阻碍细菌迁移和生长

ISME J：入侵时间对合成细菌群落入侵效果的影响

Nature News and Views：粘附细菌如何驱动结肠癌的发展

Nature Reviews Microbiology: 微生物硫代谢的多样性与生态学

iScience：口腔共生菌利用六型分泌系统对抗病原菌

Nature Communications: 细菌在面对抗生素时竟主动“送死”

顶尖操作！Nature联合众多学术泰斗,破解微生物领域历史难题！

Nature Microbiology：单细胞成像揭示结核分枝杆菌的线性与异质性生长

Nat Rev Microbiol: 微生物胞外聚合物EPS在环境、技术和医学中的应用

Nature Communications：无荧光标记机器学习追踪动物细胞界面上细菌的运动性

顶刊中的数据分析方法，没有您想象的那么神秘

新型图像分析软件实现微量孔板中早期生物膜生长的定量分析

ISME：海绵共生体揭示微生物间复杂互作

ISME J: 接触多环芳烃会改变皮肤病毒组的组成和病毒-宿主互作

Soil Biol Biochem：外在因素而非内在因素决定了枯木的微生物定殖

Current Biology：生物生物膜一场“Jekyll与Hyde”的生态博弈

Current Biology：土壤细菌与菌根真菌互生关系的生物学与化学奥秘

从噬菌体中提取溶菌肽--对付鲍曼不动杆菌的秘密武器

Nature Physics：细菌生物膜中传播性波纹出现的原因

Nature Communications：尾部组装干扰是细菌抗病毒防御中的常见策略

火爆全球！Nature再创奇迹，微生物领域迎来史上最大突破，太炸裂！

噬菌体防治细菌生物被膜相关感染的研究进展

【专家讲坛】噬菌体与生物被膜：细菌群体抗性机制及潜在策略

Science：DdmDE防御系统介导的质粒消除的分子机制

Nature reviews microbiology: 瞄准抗菌耐药性质粒的传播

mBio：霍乱弧菌与裂解性噬菌体ICP1的免疫对抗

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉