文章研究了微生物通过空气传播的生态影响，特别是细菌和噬菌体（病毒）之间的相互作用。研究使用了一个简单的空间模型，描述了在每个栖息地内的种群动态，并通过经典的Lotka-Volterra方程进行建模。模型考虑了物种在空间上的离散传播，即通过随机空气传播在不同栖息地之间扩散。
局部灭绝和全球多样性：
局部动态：研究发现，在单个栖息地内，由于种群密度的随机波动，种群灭绝事件是不可避免的。模型显示，种群密度会经历持续的振荡，有时这些振荡足够大以致种群灭绝。
全球动态：尽管局部栖息地会经历种群灭绝事件，通过空气传播，物种可以从其他栖息地迁移回来，从而在全球范围内维持其存在。这种迁移过程形成了一种动态平衡，使得多个物种可以在系统层面上共存，即使在局部栖息地内可能会因竞争排斥而灭绝。
模型描述：
层次结构：模型包含两个耦合的层次：一个代表地表栖息地，另一个代表大气层。地表栖息地中的种群按照Lotka-Volterra方程进行互动和生长，而大气层中的种群通过被动对流进行传播，并受到衰变影响。
垂直传输：垂直传输被建模为一种随机过程，模拟了微生物从地表栖息地被携带到大气层，然后通过沉降返回地表。这种过程被参数化为间歇性事件，通过风速和地表粗糙度决定其频率和强度。
迁移和灭绝的影响：
负向传输：当栖息地间断性地失去生物量时，种群密度会在振荡中逐渐趋于灭绝。研究显示，负向传输会引发两种灭绝类型：细菌灭绝（随后导致噬菌体灭绝）和噬菌体灭绝（细菌存活）。
正向传输：当微生物迁移到一个已有种群的栖息地时，取决于迁移种群的数量和种群状态，栖息地可能会经历不同的动态转变。例如，如果细菌栖息地已经达到其承载能力，噬菌体的迁移会导致整个栖息地的灭绝；如果细菌栖息地尚未饱和，噬菌体则有可能成功定殖。
多列系统的集体行为：
连通性效应：在考虑多个栖息地的情况下，生物量的迁移会导致系统自组织为一个统计稳态。研究发现，系统会分裂为三种状态：共存状态（C），无噬菌体状态（F），和灭绝状态（E）。通过模拟不同的系统连通性，发现连通性较高时，共存状态的比例较大。
竞争与多样性：
决定性状的动态角色：研究发现，噬菌体的衰变率等决定性状对栖息地的稳定性有重要影响。竞争力较强的噬菌体（衰变率较低）会导致更大的振荡幅度，增加栖息地灭绝的风险。
竞争的两种噬菌体：当考虑两个竞争能力不同的噬菌体时，研究表明，尽管竞争排斥在局部栖息地内适用，但在全局系统中，两种噬菌体可以共存，甚至较弱的噬菌体在某些条件下会占据优势。通过调整噬菌体的衰变率，发现存在一个最佳值，使得较弱的噬菌体占据更多的栖息地。
结论
通过空气传播的微生物在塑造生态系统的种群结构和多样性方面具有重要作用。这种传播机制不仅影响局部的生物量波动和灭绝事件，还通过在全球尺度上的迁移和重新定殖，促进了生物多样性的维持。研究揭示了微生物扩散在局部灭绝和全球多样性之间的平衡作用，强调了空气传播作为生态驱动力的重要性。这篇文章通过理论模型和数值模拟，系统地分析了空气传播对微生物生态系统的影响，为理解全球微生物多样性的维持机制提供了新的视角。
