當(dāng)生態(tài)學(xué)在 19 世紀(jì)第一次被確認(rèn)為一門正式的科學(xué)時，一種普遍的假設(shè)是，自然遵循著簡單的且容易理解的規(guī)則，就像一個由嚴(yán)絲合縫的齒輪驅(qū)動的機(jī)械鐘。如果科學(xué)家能夠測量正確的變量，就可以預(yù)測結(jié)果，比如，更多降水就意味著更好的蘋果收成。

但隨著認(rèn)識的深入，人們越來越意識到，混沌在自然中無處不在，天氣系統(tǒng)中，水流渦旋里，行星軌道上 ……

混沌系統(tǒng)是一種在短期內(nèi)或許可以預(yù)測，但長期無法預(yù)測的系統(tǒng)，它們由對事件的非線性反應(yīng)所主導(dǎo)，對初始條件的微小差異非常敏感。

在過去幾十年間，生態(tài)學(xué)家也試圖將混沌的概念引入生態(tài)學(xué)。然而，到了 20 世紀(jì) 90 年代，一些評估自然界種群中混沌普遍性的元分析卻表明，混沌在自然種群中似乎不存在，或者非常罕見，大約只有一成的種群似乎發(fā)生著混沌變化，其余的則是以某種穩(wěn)定循環(huán)的方式變化，或者發(fā)生隨機(jī)波動。這好像有些出乎意料。

近日，一項新的分析顛覆了原先的觀點(diǎn)。更詳細(xì)的研究認(rèn)為，自然種群中的混沌比之前認(rèn)為的要普遍得多。論文已發(fā)表在《自然 · 生態(tài)與進(jìn)化》上。

有規(guī)律、隨機(jī)還是混沌？

在生態(tài)系統(tǒng)中，生物種群的波動通常也很大。對種群變化來說，生態(tài)學(xué)家思考的一個關(guān)鍵問題是，這些波動是有規(guī)律的，也就是圍繞一些理論上 " 穩(wěn)定 " 的平衡點(diǎn)變化，還是隨機(jī)、完全不可預(yù)測的，抑或是，它們是混沌的？

雖然先前的研究表明混沌在生態(tài)種群中非常罕見。但在新研究中，團(tuán)隊在評估后認(rèn)為，先前元分析中的方法學(xué)假設(shè)對檢測混沌存在偏見。這可能是由于有限的數(shù)據(jù)量，并且使用了不恰當(dāng)?shù)姆椒ǎ鹊慕Y(jié)論并不是來自生態(tài)系統(tǒng)固有的穩(wěn)定性。

在新的分析中，科學(xué)家有了更多可用的數(shù)據(jù)。團(tuán)隊使用了更新的混沌檢測新算法，并在模擬數(shù)據(jù)集上對它們進(jìn)行了嚴(yán)格的測試。隨后，他們將三種最好的方法應(yīng)用于全球種群動態(tài)數(shù)據(jù)庫的 172 個種群時間序列的數(shù)據(jù)集。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在分析的生態(tài)數(shù)據(jù)庫中，超過 30% 的種群存在混沌動態(tài)的證據(jù)。

這項新的分析還揭示了混沌動力學(xué)、壽命和體型之間有趣的聯(lián)系。混沌在浮游生物和昆蟲中最為普遍，在鳥類和哺乳動物中則最不普遍，魚類相對居中。

也就是說，很多短壽命的物種傾向于有混沌的種群動態(tài)，它們也是傾向于有 " 大起大落 " 變化動態(tài)的物種。

預(yù)測的內(nèi)在局限性

了解種群波動的模式，對預(yù)測種群大小，以及它們對管理干預(yù)措施的反應(yīng)有著深遠(yuǎn)的影響。

這些結(jié)果表明，生態(tài)預(yù)測可能存在著一種內(nèi)在局限性。這也提醒了人們，在對生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)和管理中，不應(yīng)該使用基于平衡的方法，特別是針對那些短壽命的物種。

比如，從漁業(yè)管理的角度來看，研究人員希望能預(yù)測魚類種群，以便為漁業(yè)捕撈設(shè)定限制。如果人們沒有意識到混沌的存在，可能就會失去使用適合混沌系統(tǒng)的方法進(jìn)行短期預(yù)測的可能性，而對我們進(jìn)行長期預(yù)測的能力過于自信。