試圖破譯影響復(fù)雜生態(tài)群落行為的所有因素，是一項艱巨的任務(wù)。然而，一組科學(xué)家如今已經(jīng)表明，這些生態(tài)系統(tǒng)的行為可以根據(jù)兩個信息來預(yù)測，它們分別是群落中的物種數(shù)量，以及它們之間相互作用的強度。

在對實驗室中生長的細(xì)菌的研究中，研究人員能夠定義生態(tài)群落的三種狀態(tài)，并計算出它們從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài)的必要條件。這些發(fā)現(xiàn)讓研究人員能夠為生態(tài)系統(tǒng)創(chuàng)建一幅 "相圖"，也就是類似物理學(xué)家用來描述控制水從固體到液體再到氣體轉(zhuǎn)變的條件的圖譜。

相圖的神奇和美妙之處在于，它以一種非常簡單的形式總結(jié)了大量的信息。它可以追蹤出一條邊界，能預(yù)測穩(wěn)定性喪失和種群波動的開始。這項研究已發(fā)表在《科學(xué)》上。

種群動態(tài)

自然生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)很難研究，這是因為，雖然科學(xué)家可以觀察物種之間的相互作用，但一般無法在野外進(jìn)行控制實驗。

一些實驗室團(tuán)隊轉(zhuǎn)而使用微生物，比如細(xì)菌和酵母，以可控的方式分析物種間的相互作用，從而更進(jìn)一步了解自然生態(tài)系統(tǒng)的行為方式。

近年來，已經(jīng)有研究證明競爭和合作行為會如何影響種群，并確定了種群崩潰的早期預(yù)警信號。隨著探索的深入，一些實驗室已經(jīng)逐漸從一次研究一兩個物種，發(fā)展到了針對更大規(guī)模的生態(tài)系統(tǒng)的研究。

當(dāng)科學(xué)家努力研究更大的群落時，他們希望開始檢驗一些理論物理學(xué)家對大型復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)做出的預(yù)測。其中一個預(yù)測便是，根據(jù)群落中的物種數(shù)量和物種之間相互作用的強度，生態(tài)系統(tǒng)會經(jīng)歷不同的穩(wěn)定性階段。在這個框架下，相互作用的類型，比如捕食、競爭還是合作，并不重要。只有相互作用的強度才重要。

為了檢驗這一預(yù)測，研究人員創(chuàng)造了許多不同的細(xì)菌群落，這些群落涵蓋的細(xì)菌種類從 2 到 48 種不等。針對每個群落，他們用由不同的物種集形成的不同的合成群落，來控制物種數(shù)量。他們還能夠通過增加食物數(shù)量來加強物種之間的相互作用，這導(dǎo)致種群增長，也可能帶來環(huán)境的變化，比如酸化加劇。

這就好比擁有了一個可調(diào)節(jié)的旋鈕，可以定量測量和分析生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生的細(xì)節(jié)。

（圖／William Lopes, Gore Lab）

這些實驗操縱的結(jié)果證實，理論正確地預(yù)測了會發(fā)生什么。起初，每個群落都存在于一個被稱為 "穩(wěn)定的完整存在" 的階段，在這個階段中，所有物種可以共存，而互不干擾。

隨著物種數(shù)量或者它們之間的相互作用增加，群落進(jìn)入了第二階段，被稱為 "穩(wěn)定的部分共存"。種群仍然會保持穩(wěn)定，但一些物種也會滅絕。整體群落仍然處于一種穩(wěn)定的狀態(tài)，也就是說，在一些物種滅絕后，種群又回到了平衡狀態(tài)。

（圖／William Lopes, Gore Lab）

最后，隨著物種數(shù)量或者相互作用的強度進(jìn)一步提高，群落進(jìn)入第三階段，這一階段的特點是種群波動更為劇烈。生態(tài)系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，意味著種群隨著時間的推移持續(xù)波動。雖然一些滅絕發(fā)生了，但這些生態(tài)系統(tǒng)往往有整體存活物種的更大的一部分。

預(yù)測行為

利用這些數(shù)據(jù)，研究人員能夠畫出一張相圖，用來描述生態(tài)系統(tǒng)如何基于兩個因素發(fā)生變化，也就是物種數(shù)量和它們之間相互作用的強度。這很像物理學(xué)家能夠僅僅根據(jù)兩個條件（溫度和壓強）來描述水的行為變化，而不需要對每個水分子的確切速度和位置進(jìn)行更詳細(xì)的勾勒。

雖然科學(xué)家無法獲得復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)中的所有生物機制和參數(shù)，但研究證明，它的多樣性和動態(tài)可能是涌現(xiàn)現(xiàn)象，這些可以從生態(tài)群落的幾種集合屬性中預(yù)測出來。

這種相圖的建立可以幫助生態(tài)學(xué)家在信息量有限的情況下，對森林等自然生態(tài)系統(tǒng)中可能發(fā)生的情況進(jìn)行預(yù)測，因為需要知道的只是物種的數(shù)量和它們的互動程度。這些預(yù)測純粹是基于這個復(fù)雜群落內(nèi)相互作用的統(tǒng)計分布。

研究人員現(xiàn)在正在研究新物種在原本孤立的種群（類似于島嶼生態(tài)系統(tǒng)）之間的流動，如何影響這些種群的動態(tài)。這可能有助于闡明，即使在滅絕發(fā)生時，島嶼如何能夠保持物種多樣性。