食物网和生态系统稳定性的逆模型

在《国家科学院院刊》 上发表的一项新研究中 ，圭尔夫大学的作者 Gabriel Gellner 和 Kevin McCann 以及 SFI 外部教授 Alan Hastings (加州大学戴维斯分校)颠覆了食物网建模的经典方法。作者的新颖逆向方法没有尝试使用物种相互作用的简单表示来复制稳定、复杂的生态系统，而是假设生态系统存在，并逆向描述支持该假设的食物网。他们的工作代表了解决生物多样性如何促进生态系统稳定性这一基本生态问题的重要一步。这些发现提供了关于大自然如何应对日益严重的人为干扰的见解。

黑斯廷斯说：“我们不是从难以衡量的东西——物种如何相互影响——开始，而是从每个物种的数量开始，找出它们如何相互作用，从而解释它们的共存。”

地球的生态系统表现出令人惊讶的稳定动态，但试图理解这种稳定性却让几代生态学家感到困惑。SFI 科学委员会前任主席罗伯特·梅勋爵 ( Lord Robert May)从经济理论中引入了群落矩阵，这是一种描述生态系统中物种关系的数学工具。该矩阵以物种相互作用为基础来解释多样性和复杂性在生态系统稳定性中的作用。该方法很有用，因为它考虑了所有食物网相互作用;它的不足是因为这样做需要对生物体如何相互关联做出过于简单化的假设。许多基于该技术的模型显示稳定性随着生物多样性的增加而降低，这与可观察到的稳定生态系统相矛盾。

但了解大型复杂生态系统如何持续存在是一个至关重要的问题。如果我们不能理解稳定生态系统的机制，我们就无法在面对恶劣天气事件、肆虐的野火或猖獗的入侵物种等日益严重的混​​乱时保护它们。

逆向方法之所以成功，是因为它在模型中包含了生物学约束。可行性约束规定模型中只能表示真实的交互。此外，能量约束规定一顿饭产生的能量不能多于狩猎所需的能量，因为在食物链中，只有 10-20% 的资源能量转移给消费者。

“我们看到世界上有许多不同的生态系统，”黑斯廷斯说。“我们表明，如果将适当的生物信息放入模型中，我们就可以模拟大型、多样化的生态系统并了解它们为何稳定。”

作者强调，与 40 多年前推出的 May 经典方法相比，逆向方法具有重大理论优势。“虽然罗伯特·梅的方法是在统计宇宙中运作的……但逆向方法具有新颖的特性，它允许我们只查看与现实可行的解决方案相对应的网络集合。”

梅的群落矩阵催化了生态理论近半个世纪。正如梅从经济学中重新思考多样性与稳定性的关系一样，黑斯廷斯和他的合著者也从基因组学的最新研究中汲取灵感。作者相信，他们的逆向方法同样“具有丰富的理论进步潜力”。