矛盾的是在生态模型中，生物物种之间紧密相互作用的丰度通常会诱发灾难，新分析暗示大自然如何挑战数学。茂密雨林、稀树草原、平静湖泊背后隐藏的是一个充满竞争和合作的世界。物种为了争夺有限的生存空间、资源，会互相消耗，利用彼此的特长。当生态学家试图用数学来模拟生态系统时，往往会发现物种间相互作用越多，系统就越发不稳定。简单生态系统模型想要保持稳定，其物种间的所有相互作用必须完全和谐。
博科园-科学科普：然而随着物种数量和物种间相互作用强度的增加，维持平衡变得更加棘手：每对配偶的任何混乱或不平衡都会向外扩散，并会造成整个网络混乱。在这种关系中，物种直接对彼此的生存做出贡献。在数学模拟中，相互依存的生物有时表现得非常好；在极端情况下会呈指数级增长。理论生态学先驱罗伯特?梅曾将这种情况称为“相互恩泽的狂欢”，可能会导致其他生物灭绝。真正的生态系统似乎并非如此脆弱，发表在《自然通讯》上的一篇新论文中，伊利诺伊大学两位理论生态学家更精确地探讨了物种间互惠互利的行为如何影响生态系统的稳定性。以及在合适条件下，互惠互利会如何促进生态系统稳定。
自然界中复杂多样的生态系统通常由物种之间丰富的相互作用保持稳定。然而在模拟中，模型生态系统通常会随着相互作用的增强和增多而变得不稳定。研究人员正逐步开始了解是何种原因导致这一差异。图片：Maxim Usik for Quanta Magazine
研究结果与之前保持一致，表明生态系统比模型所暗示的更有弹性。伊利诺伊大学厄尔分校理论生态学家、副教授詹姆斯·奥德怀尔说：虽然研究人员已经学会了如何解决不一致性问题，以便在建模研究中获得更加现实的结果，但近来，互利共生问题已呈现出新的紧迫性。随着对微生物群落的=普遍性了解的增长，如何对它们进行建模变得更加紧迫。大型微生物群落有很多交叉喂养的相互作用，资源交换应该带来很多强烈的相互作用。在传统的模型中，这将导致系统非常不稳定，稳定性是这些种群存在的标志。肠道微生物群落在健康时期非常稳定，波动则会带来一系列疾病。
伊利诺伊大学分校理论生态学家詹姆斯·奥德怀尔研究了一对物种之间精确的互惠相互作用水平如何影响生态系统的稳定性。 图片：Courtesy of James O’Dwyer
为了进一步研究，先建立了一个模型：在这个模型中，生物体在出生、繁殖和死亡过程中同时消耗和竞争来自别处的资源，这代表了营养物质流入微生物生态系统的过程。芝加哥大学理论生态学家斯蒂法诺艾丽西娜解释说：你可以想象这种细菌在这个碳源上生长得更好，但是在另一个碳源上则生长得更差，所以它更喜欢前者，养分流入和死亡率的价值就是让生态系统稳定。生物体不仅以外部资源为食，还以彼此的副产品为食，而且它们对于这种依附关系十分清楚。正如预期那样，互惠互利对系统产生了不稳定的影响，如果互惠互利过程是平等的。
合作伙伴所付出的与回报等同；在这种情况下，系统也就恢复了稳定。这一发现之所以有趣，是因为在之前的研究中，双方利益不平等的互惠主义通常被认为更加稳定，不会疯狂推动两个物种扩张。互惠主义的完美平衡似乎是对互惠主义不稳定影响的一种苛刻。但研究人员的确发现了一个特殊案例，在这个案例中，可以维持一个多元化、稳定、互惠互利的群体，但这一互动行为有非常严格的要求。在2015年发表在《科学》上的一篇论文中指出，微生物群落中细菌之间的激烈竞争可能本身就是一种稳定力量，检查任何可能会超出系统的物种。
然而并没有排除奥德怀尔和巴特尔所塑造平衡共生的可能性，这样的生物情景是否会变得非常有趣。事实上奥德怀尔和同事们想利用现实生活中的数据来调整模型。从人们的粪便样本中提取肠道微生物群落，经过数月或数年的时间，可能有助于观察这些微生物的饮食习惯；从而缩小模型实际活动参数范围。与此同时，大型微生物群落的建模工作持续吸引着许多研究者的关注。当生物学家们进行实验时，许多细菌生活在一起，相互竞争，相互依存，他们有什么值得期待呢？
目前零假设情况并不多见，在发表在《自然生态与进化》上的一篇论文中，研究人员提出了一个问题：如果将上百种不同的细菌样本扔到繁茂、食物充足的培养皿中，会发生什么样的事情呢？发现当模拟这样一个场景时，许多物种都会灭绝，但最终会形成一个稳定的生态系统；不管物种之间如何联系在一起，都会保持稳定。研究人员希望理论工作最终能够帮助推进实验室工作。如果研究人员能更好地理解培养皿中标准肠道菌群如何活动，这可能会带来更微妙和实用的理论。在最简单的生态系统建模的经典形式下，自然界中所见的真实情况从来不会出现；他们可能会问，在所有这些新模型中，哪一个最接近现实呢？
博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《Nature Communications》,《science》,《Nature Ecology & Evolution》｜文：Veronique Greenwood/Quanta magazine/Quanta Newsletter
DOI：10.1038 / s41467-018-05308-z
DOI：doi.org/10.1038/s41559-018-0603-6
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