Science最新研究：亚线性增长模型揭示多样性与生态系统稳定性的新关系

Science最新研究：亚线性增长模型揭示多样性与生态系统稳定性的新关系

长期以来，生态学家一直困惑于复杂生态系统为何能够保持持久稳定。最近一项发表在《Science》上的研究提出了一个令人信服的解释：亚线性增长模型能够更好地解释生态系统中观察到的多样性与稳定性正相关的现象。这一发现不仅为生态学理论研究提供了新的视角，也为理解生物多样性丧失对生态系统稳定性的影响提供了重要启示。

研究背景

地球上的热带雨林与珊瑚礁不仅是生物多样性与稳定性的奇迹，更是生态学家们理论探索的难题。早期观点认为，物种多样性是生态稳定性的基石，这体现在种群丰度的相对恒定性和对干扰的恢复能力上。然而，这一看法与经典理论和简单的生态模型如广义Lotka-Volterra模型存在冲突。Lotka-Volterra模型以及Robert May从随机矩阵理论中得出的研究都表明，多样性反而可能带来不稳定性。尽管后续研究发现了能够扩展稳定性至更多样化竞争群体的因素，但理论尚未能证明多样性如何正向促进稳定性，从而形成积极的多样性-稳定性关系。这种理论与观察之间的分歧，被称为“多样性与稳定性之争”，在生态模型预测需求最为迫切的时刻，引发了人们对生态模型预测能力的质疑。

研究方法与发现

本研究特别关注种群增长的本质以及物种与自身相互作用的方式。许多模型，包括Lotka-Volterra模型，都假设种群在低密度时呈指数增长，而在高密度时则趋于饱和，遵循Logistic(逻辑斯蒂)函数。然而，时间序列分析显示，许多哺乳动物、鸟类、鱼类和昆虫的种群增长轨迹并不遵循这一模式，而是随着密度以小于1的幂而增长。这种“亚线性”动态与广泛应用的Bertalanffy个体发育成长模型相似。本研究对比了逻辑斯蒂增长模型与亚线性增长模型下的竞争动态，并将亚线性模型的预测与多种宏观生态模式及群落恢复观测结果进行比较。

研究发现，尽管逻辑斯蒂增长和亚线性增长在种群层面展现相似特征，但它们在群落层面的预测却大相径庭。逻辑斯蒂增长预示着多样性将带来不稳定性，而亚线性增长允许一种种群集体调节（collective regulation）形式，因此，亚线性增长的种群之间的竞争性相互作用并不会导致排斥，反而会促进更高的多样性稳定性，进而促进群落共存。此外，多样性的增加增强而非削弱了群落动态的稳定性，从而颠覆了传统的多样性-稳定性关系。

理论意义与现实应用

本研究不仅有助于澄清多样性-稳定性悖论的起源，包括Robert May论证中的隐含假设，而且亚线性增长还再现了生产、生物量和丰度的共同模式，提供了一个简单而普遍的预测框架。尽管目前对亚线性增长的机理起源仍知之甚少，但本研究的模型与早期生态智慧、现代宏观生态学以及对地球上一些最珍贵生态系统的认识是相契合的。

研究还发现，亚线性模型与多种宏观生态学模式相符，能够再现生态系统的生产力-生物量的缩放关系，以及物种丰度分布、均值-方差和大小-密度缩放关系。因此，该模型为不同丰度模式之间的联系提供了桥梁。与Lotka-Volterra模型不同，但与生物多样性-生态系统功能文献一致的是，本研究开发的模型预测，生物多样性的损失往往会破坏群落的稳定，并延长群落在受到干扰后的恢复时间。

结论

鉴于生物多样性丧失的惊人速度，生态学迫切需要能够做出现实预测的理论框架。本研究提出，亚线性模型是描述种群和群落动态的可行方法，它与个体生长动态有着有趣的相似性。种群时间序列分析表明，与广泛使用的逻辑斯蒂函数相比，亚线性增长似乎更能准确描述种群动态。种群增长形式的这一细微差异允许进行集体调节，颠覆了数十年来竞争理论所预测的多样性-稳定性关系。亚线性增长意味着多样性与稳定性之间存在正相关关系，表明多样性可能是稳定性的部分原因。

这一发现不仅为生态学理论研究提供了新的视角，也为理解生物多样性丧失对生态系统稳定性的影响提供了重要启示。在全球生物多样性不断减少的背景下，这一预测具有重要的应用意义，且似乎正得到越来越多观测数据的支持。

从热带雨林到珊瑚礁，地球上一些最多样化的生态系统也是最稳定的。这种惊人的多样性与生态理论背道而驰，几十年来，生态理论一直预测多样性会带来不稳定性。本研究表明，种群增长方式的细微差别就能扭转这些经典预测，使理论与观测结果相吻合。