介绍
四十多年前,野外生态学家开始量化巴拿马巴罗科罗拉多岛上森林中树木的多样性,巴罗科罗拉多岛是地球上研究最深入的森林地区之一。 他们开始计算每棵树干宽度超过一厘米的树。 他们识别了物种,测量了树干并计算了每个个体的生物量。 他们把梯子架在树上,检查树苗,并将这一切记录在案 庞大的电子表格.
当他们查看年复一年积累的数据时,他们开始注意到其中有些奇怪的地方。 这个 300 平方公里的小岛上有 15 多种树木,其多样性令人震惊。 但这些树种之间的分布也严重不平衡,大多数树只属于少数树种。
自这些早期研究以来,这种过度填充、高度不均匀的模式在世界各地的生态系统中反复出现,特别是在雨林中。 生态学家 史蒂芬·哈伯 巴罗科罗拉多调查背后的团队成员、加州大学洛杉矶分校的教授估计,亚马逊地区不到 2% 的树种占所有树木的一半,这意味着 98% 的树种很少见。
如此高的生物多样性与领先的生态学理论的预测背道而驰,该理论认为,在稳定的生态系统中,每个生态位或角色都应该由一个物种占据。 利基理论 这表明没有足够的生态位来使生态学家看到的所有物种稳定存在。 相似物种之间对生态位的竞争本应导致稀有物种灭绝。
一个新的 生态模型论文 in 自然 by 詹姆斯·奥德威尔 和 肯尼思·乔普斯 伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的教授至少解释了这一差异的部分原因。 他们发现,看似应该是正面竞争的物种可以共享一个生态系统,如果它们的生活史细节——比如它们的寿命有多长以及它们有多少后代——以正确的方式排列。 他们的工作还有助于解释为什么最成功的生态模型方法之一常常能得出准确的结果,尽管它掩盖了我们对生物体如何运作的几乎所有了解。
介绍
早在 2001 年,巴罗科罗拉多岛异常丰富的生物多样性给哈贝尔带来了灵感 建议 开创性的 生态学中性理论。 传统生态学理论强调物种之间对生态位的竞争。 但哈贝尔指出,物种在这个等式中可能并不重要,因为实际上,个体也会与自己物种的成员争夺资源。 他认为生态系统的多样性模式可能很大程度上是随机过程的产物。
对于涉及生物多样性的理论来说,哈贝尔的中立理论很少。 它忽略了寿命的差异、营养特性以及其他区分一个物种与另一个物种的细节。 在基于该理论的模型中,理论生态系统中的每个个体都是相同的。 一旦时钟开始,生态系统就会随机演化,个体随机地竞争和取代彼此。 该理论与基于物种的生态学方法完全不一致,并在生态学家中引发了激烈的争论,因为它看起来非常违反直觉。
然而令人惊讶的是,随着中性模型中随机游走的进展,他们重现了哈贝尔和他的同事在巴罗科罗拉多岛的数据中看到的以及其他人在其他地方看到的关键特征。 在这个几乎反常地承认没有差异的模型中,有现实世界的闪光。
模型与现实之间的紧张关系长期以来一直让奥德怀尔感兴趣。 为什么中立理论看起来如此有效? 有没有办法引入有关物种如何运作的信息,以获得看起来更现实的结果?
奥德怀尔说,中性模型之所以有吸引力的原因之一是,确实存在 深刻的普遍性 许多生物之中。 虽然动物种类并不相同,但它们在循环系统等方面却非常相似。 有关生理学的相同数字在动物和植物中一次又一次地出现,这或许反映了它们共同的进化历史的限制。 例如,根据克莱伯定律,动物的新陈代谢率通常随着其体型的大小而增加,按照幂律缩放——无论物种如何,幂律都相同。 (关于为什么克莱伯定律成立的几种理论已经被提出,但答案仍然存在争议。)
考虑到这些潜在秩序的迹象,奥德怀尔想知道生物体如何生活的一些细节是否比其他细节更重要,可以决定物种在进化过程中如何成功地竞争和生存。 再以新陈代谢为例:如果一个生态系统可以被视为其居民新陈代谢的表现,那么生物体的大小就是特殊的、重要的数字。 个体的体型可能比有关其饮食或物种身份的任何其他细节更有助于模拟其随时间的命运。
奥德怀尔想知道这些关键的、特殊的因素之一是否可以通过生活史来捕捉,生活史是一个结合了物种统计数据的概念,例如后代的平均数量、性成熟前的时间和寿命。 想象一块有 50 株植物的地块。 每个都有自己的寿命,自己的繁殖模式。 三个月后,一株植物可能会产生 100 颗种子,而另一株类似的植物可能会产生 88 颗。也许 80% 的种子会发芽,产生下一代,下一代将经历自己的循环。 即使在一个物种内,单个植物的数量也会有所不同,有时变化很小,有时变化很大,这种现象称为人口统计噪音。 如果这种变化是随机的,按照哈贝尔中性理论的方式,在连续几代中将会出现什么模式?
当乔普斯作为研究生加入他的实验室时,奥德怀尔知道他找到了可以帮助他探索这个问题的人。 乔普斯此前曾研究过使用生命史的模型是否可以预测脆弱的植物物种是否会生存或是否正在消失。 他们一起开始研究数学,以描述当生活史遇到竞争时会发生什么。
在乔普斯和奥德怀尔的模型中,就像在中性模型中一样,随机性——随机因素对物种间确定性相互作用的影响——很重要。 然而,物种的生命史可以放大或减少这种随机性的影响。 “生活史是人口统计噪音发挥作用的一种镜头,”奥德怀尔说。
当研究人员让他们的模型随着时间的推移而发展,让每个模拟个体经历其步伐时,他们发现某些物种可以长期并存,即使它们竞争相同的资源。 乔普斯和奥德怀尔深入研究这些数字以寻求解释,发现一个称为有效种群规模的复杂术语似乎有助于描述物种之间可能存在的一种互补性。 它概括了这样一个事实:一个物种可能在其生命周期的某个时刻具有高死亡率,然后在另一个时刻具有低死亡率,而互补物种可能在第一个时刻具有低死亡率,在第二个时刻具有高死亡率。 这个术语对于两个物种来说越相似,它们就越有可能在竞争空间和营养的情况下彼此共存。
“他们以同样的幅度经历人口统计噪音,”奥德怀尔说。 “这是他们能够长期生活在一起的关键。”
介绍
研究人员想知道现实世界中是否也存在类似的模式。 他们借鉴了 数据库,其中包含从各种研究和来源收集的数千种植物、真菌和细菌物种的详细信息,他们将注意力集中在所有生活在同一研究地块中的多年生植物。 他们发现,正如他们的模型预测的那样,生活在一起的植物物种具有密切匹配的生活史:生活在同一生态系统中的物种对往往比随机抽取的物种更具有互补性。
研究结果表明,不一定处于直接竞争的物种可以在不涉及不同生态位的情况下彼此良好地合作,说 安妮特·奥斯特林德克萨斯大学奥斯汀分校生物学教授。 “最酷的部分是,他们强调这些想法......可以扩展到非常不同但互补的物种,”她说。
至 威廉·库宁英国利兹大学生态学教授,该论文提出了自然世界尽管复杂,却可以类似于中性模型的一个原因:生态过程可能有一种相互抵消的方式,因此看起来似乎是这样的。就像无尽的多样性可以产生一个简单的结果,他将其描述为“紧急中立”。 哈贝尔则赞赏他最初工作的扩展。 “它提供了一些关于如何推广中性模型的想法,调整它们以加入一些物种差异,扩大和缩小,看看当地社区的多样性会发生什么,”他说。
然而,这只是了解生物多样性如何产生及其持续存在的原因的一小部分。 “在生态学中,我们一直在努力解决模式与过程之间的关系。 许多不同的工艺可以产生相同的图案,”奥斯特林说。 奥德怀尔希望在未来几年中,更多关于现实世界的数据可以帮助研究人员辨别有效人口规模是否始终能够解释共存。
库宁希望这篇论文能够激励其他人继续研究中性理论的想法。 在一个个体独特品质而非共性长期占据主导地位的领域,中立理论迫使生态学家发挥创造力。 “它让我们摆脱了思维定势,让我们思考哪些事情真正重要,”他说。
哈贝尔多年前就提出了生态学中立理论,他想知道关于真实森林的真正庞大的数据集是否能够产生使生命史和生物多样性之间的关系更加清晰所需的细节。 “这就是我希望发生的那种建立在中性理论基础上的事情,”他在谈到这篇新论文时说道。 “但这只是真正理解多样性的一小步。”
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