Evolutionary food web model based on body masses gives realistic networks with permanent species turnover
生态系统中的捕食者-被捕食者相互作用网络是非常复杂的，但就整个系统的长期持续性而言，却令人惊讶地稳定。为了理解这种食物网的复杂性和稳定性的驱动机制，我们开发了一个生态进化模型，其中新种〈动〉<动>作为现有物种的修改而出现，动态的生态相互作用决定了哪些物种是可行的。因此，食物网的结构是从物种形成和营养相互作用之间的动态相互作用中产生的。所提出的模型是抽象的比早期的进化食物网〈动〉<动>模型在这个意义上，所有三个进化性状有一个明确的生物学意义，即平均体重的个人，首选的猎物体重，和他们的潜在猎物体重谱的宽度。我们观察到的网络具有广泛的大小和结构，与自然食物网高度相似。模型网络表现出连续的物种更替，但没有观察到大规模的灭绝波，影响超过$50 \%$的网络。
2015-04-17 q-bio.PE
Many-species ecological fluctuations as a jump process from the brink of extinction
本研究发现在小迁移率下，多物种生态系统呈现大波动和长时间尺度的标度区间，物种丰度轨迹遵循非马尔可夫跳跃扩散过程，可作为高多样性生态系统内源性波动的指纹。
2024-01-08 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech q-bio.PE
An analytically tractable model for community ecology with many species
群落生态学的一个基本问题是理解生态过程，如选择，漂移和移民如何引起物种组成和多样性的观察模式。在这里，我们提出了一个简单的，易于分析的，存在-不存在（PA）模型的社区大会，并用它来询问生态特征，如竞争的强度，多样性的数量，以及人口和环境的随机性影响物种组成的社区。在PA模型中，物种被视为随机二元变量，可以存在或不存在于一个社区：物种可以从一个区域物种库移民到社区，并可能由于竞争和随机性而灭绝。尽管它的简单性，PA模型再现了更复杂的社区组装模型的定性特征。在最近的大型，竞争性的Lotka-Volterra系统的工作，PA模型表现出独特的生态行为组织在一个特殊的（“临界”）点对应于哈贝尔的生物多样性的中性学说〈动〉<动>。这些结果表明，生态“阶段”和相图的概念，可以提供一个强大的框架，思考社区生态和PA模型捕捉到社区组装的基本生态动态。
2015-11-30 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Quantifying uncertainty and dynamical changes in multi-species fishing mortality rates, catches and biomass by combining state-space and mechanistic multi-species models
在海洋管理中，鱼类种群往往采用单一物种模式逐个种群管理。这些模型中的许多都是基于统计技术，擅长评估当前状态和做出短期预测;然而，由于它们不模拟股票之间的相互作用，它们缺乏对较长时间尺度的预测能力。此外，还有机械多物种模型，代表关键的生物过程，并考虑种群之间的相互作用，如捕食和资源竞争。由于这些模型的复杂性，它们很难拟合数据，因此许多机械多物种模型依赖于单物种模型，或者当它们不存在时，对于诸如年度捕捞死亡率之类的参数进行特别假设。在本文中，我们表明，通过采取状态空间的方法，许多不确定的参数可以动态处理，使我们能够适应，可量化的不确定性，机械多物种模型直接的数据。我们证明了这一点，通过拟合不确定的参数，包括每年的捕捞死亡率，一个基于大小的多物种模型的凯尔特海，物种与和没有单一物种的股票评估。因此，单物种模型中的错误不再通过多物种模型传播，并且基本假设更加透明。建立内部一致的、具有可量化不确定性的多物种机制模型，将提高其管理的可信度和实用性。这可能导致它们被用于证实单一物种模型;直接在咨询过程中对未来进行预测;或用于提供管理数据有限的种群的新方法。
2020-08-06 q-bio.PE stat.AP
Detecting patterns of species diversification in the presence of both rate shifts and mass extinctions
最近方法上的进展使人们能够更好地研究物种形成和灭绝的过程和模式。一个主要的未决问题是相同年龄组之间物种数量差异的起源。现有的框架来模拟这种多样性，要么专注于血统之间的变化，忽视全球影响，如大规模灭绝，或专注于随着时间的推移，将影响所有血统的变化。然而，血统差异和群体排斥似乎都可能影响同一群体。在这里，我们使用模拟来测试两种广泛使用的方法在复杂场景下的性能。我们报告了良好的性能，尽管在增加场景的复杂性时有过度预测事件的倾向。总的来说，我们发现，血统的变化更好地检测比大规模的排斥。这项工作具有重要意义，评估目前使用的方法，估计多样化的变化，使用遗传学和开发新的测试。
2015-08-31 q-bio.PE
Seed mass diversity along resource gradients: the role of allometric growth rate and size-asymmetric competition
物种间种子质量的巨大差异激发了大量的理论和实证研究，试图解释这种差异。到目前为止，种子质量变化的研究分为两类：一类侧重于物种在群落内的种子质量变化，而第二个侧重于社区之间的变化，最常见的是相对于资源梯度。在这里，我们开发了一个模型，能够同时解释种子质量的变化内和社区之间。该模型描述了一年生群落的资源竞争（土壤和光资源），并纳入了两个基本方面：光不对称（更高的光获取每单位生物量为较大的个人）和生长异速生长（相对生长率对植物生物量的负依赖性）。结果表明，这两个因素是决定种子质量变化模式的关键。在一般情况下，生长异速生长增加小种子物种的繁殖成功，而光不对称增加大种子物种的繁殖成功。增加土壤资源的可用性增加光的竞争，从而增加大种子物种的繁殖成功，并最终社区（加权）平均种子质量。该模型的一个意想不到的预测是，社区种子质量（功能多样性的措施）的最大变化发生在中等水平的土壤资源。扩展的模型，将大小依赖的种子存活和干扰也显示出与经验观察相一致的模式。这些总体结果表明，该模型捕获的机制是重要的，在确定物种和功能多样性的模式。
2018-07-09 q-bio.PE
When can few-species models describe dynamics within a complex community?
该研究理论分析嵌入稀疏相互作用复杂群落中的焦点物种，给出两种依赖有效参数的少变量近似方法，并阐明其何时可准确还原真实动态。
2024-09-10 q-bio.PE
On the role of Allee effect and mass migration in survival and extinction of a species
我们使用相互作用的粒子系统，以探讨生存和灭绝的一个物种的殖民地位于每个网站的$\mathbb {Z}^d$。在所研究的四种模型中，当地种群中的个体可以繁殖、死亡或迁移到邻近的地点。我们证明，当当地人口密度小（Allee效应）时，死亡率的增加可能对生存至关重要，并且当Allee效应很强时，大群个体的迁移是避免灭绝的一种可能的解决方案。我们使用的吸引力和比较定向渗透，无论是证明灭绝的物种，或构造非平凡的不变测度为每个模型。
2012-05-14 math.PR q-bio.PE
Hard and soft bounds in the evolution of Ubuntu packages. A lesson for species body masses?
开源软件是一个复杂系统，其发展依赖于大量代理的自我协调行动。这项研究遵循了Ubuntu Linux操作系统在其整个历史中的构建块（称为“包”）的大小。分析揭示了一个乘法扩散过程，受大小相关的界限，驱动的包装尺寸分布的动态。将其形式化为定量模型能够在不依赖任何可调整参数的情况下匹配数据，并生成明确的预测。最后，我们提出了一个假设，即一个类似的非平稳机制可以塑造哺乳动物的身体大小的分布。
2013-02-28 physics.soc-ph q-bio.PE
Biodiversity, extinctions and evolution of ecosystems with shared resources
我们研究了许多物种共享同一资源的稳定生态网络的形成。我们表明，这种稳定的生态系统自然发生的结果，预防。我们得到了一个分析关系的共存物种的数量，并找到一个关系描述有多少物种可能会灭绝的急剧环境变化的结果。我们引入了一个特殊的参数，这是一个组合的物种性状和资源特性中使用的模型制定。该参数描述了系统收敛的压力，通过修正。当胁迫参数较大时，物种性状集中在某个值上。因此，这个压力参数是决定系统最终生物多样性水平的参数。此外，我们表明，这个极限系统的动力学可以描述为简单的微分方程。
2017-03-16 q-bio.PE
The statistical mechanics of community assembly and species distribution
从理论上讲，处于或接近平衡物种数的群落会抵制新种〈动〉<动>。这种“生物抗性〈动〉<动>”最近受到了质疑，因为外来物种成功地进入了不同的自然群落。分布在全球16个地点的5350个植物物种的10,409个归化数据显示，物种在地点和地点对物种数量的指数分布。这些指数信号的统计力学的物种分布，假设两个条件。首先，物种和地点是等价的，要么是相同的（“中性”），要么是如此复杂，以至于一个物种在正确的时间出现在正确的地点的机会微乎其微（“特异性”）;我们数据中的物种和地点的范围不允许中立的解释。第二，入籍的总人数在任何时代都是由一个“管理者”确定的。以前的物种归化率与净初级生产力随着时间的推移的相关性表明，监管机构与生产力。我们的结论是，生物抗性〈动〉<动>是一个移动的天花板，与生产力控制的阻力。大多数物种只在少数几个地点自然出现，但在许多地点只出现少数物种，这种普遍观察现在具有定量[指数]特征，为物种分布的研究提供了以前无法获得的严格性。
2010-04-13 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
Environmental engineering is an emergent feature of diverse ecosystems and drives community structure
生态学的一个中心问题是理解塑造群落结构的生态过程。生态位理论强调竞争对维持物种多样性<动>的重要作用。这些见解中的许多都是使用麦克阿瑟的消费者资源模型（MCRM）或其概括得出的。大多数关于MCRM的理论工作都集中在具有少数物种和资源的小型生态系统上。然而，从小生态系统中获得的理论见解，许多不能扩展到具有许多资源和物种的大型生态系统，因为具有许多相互作用的组件的大型系统通常会显示新的涌现行为，这些行为无法通过分析较小的系统来理解或推断。为了解决这个缺点，我们开发了一个复杂的统计物理启发腔方法来分析MCRM时，物种的数量和资源的数量都很大。我们发现，在这个限制，物种一般和一贯扰乱他们的环境和显着修改可用的生态位。我们展示了我们的腔方法如何自然地将生态位理论推广到大型生态系统，通过考虑这种新兴的环境工程对物种入侵和生态稳定<动>的影响。我们的工作表明，环境工程是大型自然生态系统的一般特征，在分析和解释群落结构时必须考虑到。它还强调了植物物理学启发的方法在促进我们对生态学的理解方面可以发挥的重要作用。
2017-07-13 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech q-bio.PE
A kinetic description of the body size distributions of species
在本文中，通过诉诸统计力学的经典方法，我们建立了一个动力学模型，能够再现许多不同物种的统计重量分布观察。动力学描述的重量分布的时间变化是基于基本的相互作用，描述在一个定性和定量的方式连续的进化更新，并确定明确的平衡分布。对翼手目真兽目哺乳动物种群的数值拟合说明了该方法的有效性。
2022-06-01 cs.MA q-bio.PE
Many ways to stay in the game: Individual variability maintains high biodiversity in planktonic micro-organisms
与竞争理论明显矛盾的是，已知的、共存的浮游生物物种的数量远远超过了它们可解释的生物多样性--这种差异被称为浮游生物的多样性。我们引入了一个新的竞争微生物的博弈论模型，其中一个球员由一个物种的所有生物。在我们的模型中，种群动力学的稳定点，称为策略行为分布（SBD），是所有生物体行为的概率分布，这意味着整个物种的种群是稳定的。我们发现，种内变异是最终允许共存的关键特征，因为具有可变竞争能力的个体之间的竞争结果是不可预测的。我们的模拟的基础上的理论模型表明，多达100个物种可以共存至少10000代，即使是小的人口规模或竞争能力较差的物种可以生存时，有种内变异。在自然界中，这种变异性可以被观察到为生态位分化、环境和生态因子〈动〉<动>的变异性以及个体行为或生理的变异性。因此，先前对悖论的具体解释与我们的建议一致，并提供了具体的例子，即个体差异是解决悖论的机制。
2020-12-11 q-bio.PE
The effects of ecological selection on species diversity and trait distribution: predictions and an empirical test
生态选择是群落聚集的主要驱动力。当具有中间性状值的物种获得最高的繁殖成功时，选择被归类为稳定，而当具有极端性状值的物种的适合度最高时，选择被认为是定向的。以往的研究探讨了不同选择类型对性状分布的影响，但选择对物种多样性〈动〉性<动>的影响仍不清楚。在这里，我们提出了一个框架来推断的类型和强度的选择，通过研究物种多样性〈动〉性<动>和性状分布一起对零期望。我们使用一个模拟模型来证实我们的预测，定向选择〈动〉应导致较低的物种多样性〈动〉<动>比稳定选择，尽管性状的社区加权方差有类似的效果。我们应用的框架，一年生植物的中围生态系统，以测试是否在物种多样性〈动〉性<动>两个栖息地之间的生产力不同的种子质量的选择差异。我们发现，在这两个栖息地，物种多样性〈动〉<动>低于零期望值，但物种多样性〈动〉性<动>更低的生产性栖息地。我们将这种差异归因于强定向选择〈动〉<动>的大种子物种在生产栖息地所示的性状社区加权平均值较高，社区加权方差低于零预期。在生产力较低的栖息地，我们发现，社区加权方差高于预期的机会，这表明种子质量可能是在这种条件下的生态位划分的驱动程序。总之，我们的研究结果表明，将物种多样性〈动〉<动>和性状分布视为由同一过程（生态选择）驱动的相互关联的模式，有助于理解群落组装。
2021-05-12 q-bio.PE
Self-organized criticality in complex model ecosystems
Institut de Physique Th\'eorique, CEA Saclay \& CNRS (UMR 3681), Gif-sur-Yvette, 91190, France
研究通过多物种种群动力学模型揭示了复杂生态系统中自组织临界现象，利用平均场理论展示种群波动的无标度特性，其相关性由三维定向渗透的指数描述。
2025-12-07 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Meta-food-chains as a many-layer epidemic process on networks
值得注意的是，最近的工作集中在共同进化疾病的多层特性。我们指出，非常相似的系统在种群生态学中起着重要的作用。具体来说，我们研究了一个Meta食物网模型，最近提出的Pillai等人。该模型描述了一个网络的物种连接的喂养相互作用，蔓延在网络的空间补丁。专注于基本的情况下，其中网络的喂养相互作用是一个链，我们开发了一种分析方法，用于计算链中不同物种的殖民空间补丁的度分布。这一框架使我们能够解决与生态有关的问题。考虑空间网络的配置模型集成，我们发现存在一个上限的补丁，一个给定的物种可以占据的分数，这只取决于网络的平均度。对于给定的平均度，则存在最接近上界的最优度分布。值得注意的是，如果平均度足够高，无标度度分布的表现比更均匀的度分布更差。由于物种对底层网络的体验不同，一个特定物种的最优度分布通常不是同一食物网中其他物种的最优分布。这些结果是保护生态学，其中，例如，任务选择地区的古老的森林保护在农业景观，相当于一个补丁网络的设计。
2016-02-01 nlin.AO physics.soc-ph q-bio.PE
Immigration-induced phase transition in a regulated multispecies birth-death process
幂律分布的物种数或克隆数出现在许多生物学环境中，如多物种细胞群体、群体遗传学和生态学。由$k$个体代表的物种数$c_{k}$是$k$的负幂，这一经验观察也得到了一系列理论出生-死亡-移民（BDI）模型的支持，这些模型一致地预测了许多低种群物种、少数中等种群物种和非常高种群物种。然而，我们展示了一个简单的全球人口依赖的中性BDI模型中的监管破坏的幂律分布。调节BDI模型的模拟表明，观察到一个高人口的物种，占主导地位的总人口的概率很高。进一步的分析表明，这种故障的起源与预期的物种丰度分布的平均场近似的失败。通过将问题映射到低维Moran过程，我们找到了对预期分布$\langle c_k \rangle$的准确估计，从而也可以直接计算协方差$\langle c_k c_\ell \rangle$。最后，我们利用与能源景观的概念来解释失败的平均场假设，通过确定一个相变的准稳态物种计数所引发的移民率下降。
2018-08-27 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
The Species Abundances Distribution in a new perspective
物种的分布、丰富度和多样性研究揭示了宏观生态学中迷人的普遍性。其中许多模式，如物种-面积和分布区-丰度关系或种群大小的逐年波动，都表示为幂律分布，因此表明尺度不变性。物种多度分布（SAD）显然只对稀有物种显示了这种无标度性质，其数学形式备受争议。在目前的工作中，我们提出了一个新的SAD的数学表达式，它合理地描述了目前可用的大规模实验数据和中性模型的结果。该分布函数导致个体总数、物种总数和元社区中最丰富物种的大小之间的有趣关系。中性模型的计算机模拟证实了这种新的标度关系。
2005-02-23 q-bio.PE q-bio.QM
Generalised correlations in disordered dynamical systems: Insights from the many-species Lotka-Volterra model
本研究通过动态平均场分析，以广义Lotka-Volterra方程为模型，揭示了单索引关联（行内及转置行列关联）对无序系统动力学、噪声水平、反馈效应、物种存活率及生态平衡稳定性的影响。
2024-09-19 cond-mat.dis-nn q-bio.PE
Weighted Statistical Binning: enabling statistically consistent genome-scale phylogenetic analyses
由于生物过程可以使不同的位点具有不同的进化历史，物种树估计需要来自整个基因组的多个位点。虽然许多过程可以导致基因树和物种树之间的不协调，不完整的谱系排序（ILS），多物种合并建模，被认为是基因树异质性的主要原因。基于合并的方法已经被开发来估计物种树，其中许多方法通过合并估计的基因树来操作，因此被称为汇总方法。由于总结方法通常是快速的，他们已经成为非常流行的技术，估计物种树从多个位点。然而，最近的研究已经确定，在存在基因树估计误差的情况下，汇总方法可能具有降低的准确性，并且许多生物数据集具有大量的基因树估计误差，使得汇总方法在生物现实条件下可能不是高度准确的。Mirarab等人（Science 2014）提出了统计分箱技术，以改善多位点分析中的基因树估计，并表明它提高了MP-EST的准确性，MP-EST是最流行的基于合并的汇总方法之一。统计分箱，其使用简单的统计测试用于可组合性，然后使用较大的基因集合来重新计算基因树，具有良好的经验性能，但是在基因组学流水线内使用统计分箱不具有统计上一致的期望特性。我们发现，加权重新计算的基因树的bin大小，使统计分箱统计一致下的多物种合并，并保持良好的经验性能。因此，“加权统计分箱”能够实现高度准确的基因组规模的物种树估计，并且在多物种合并模型下也是统计一致的。
2015-06-03 q-bio.PE q-bio.QM
A differential equation for the asymptotic fitness distribution in the Bak--Sneppen model with five species
Bak-Sneppen模型是根据达尔文的随机突变和选择原则进化的生物系统的抽象表示。系统中的物种的特征在于在0和1之间的数值适应度值。我们表明，在五个物种的情况下，稳态的适应度分布可以得到一个线性微分方程的五阶超几何系数的解决方案。在更大的系统中，渐近适应度分布的类似表示可能有助于为解决以下问题铺平道路：在无限多个物种的限制下，适应度是否在区间[f，1]上渐近均匀分布，其中f近似等于2/3。
2015-06-20 math.PR q-bio.PE
No substitute for real data: phylogenies from birth-death polytomy resolvers should not be used for many downstream comparative analyses
系统发育的统计估计总是伴随着不确定性，适应这种不确定性是现代系统发育比较分析的重要组成部分。出生-死亡多项分解器（英语：birth-death polytomy resolver）是一种解释系统发育不确定性的方法，它仅使用分类学信息将缺失（未采样）的分类单元放置到系统发育树上。最近的鸟类和哺乳动物的研究已经使用这种方法来生成伪后验分布的系统发育树是完整的物种水平，即使在遗传数据的情况下，许多物种。许多研究人员已经使用这些分布的遗传学下游的进化分析，涉及的表型进化，地理和社区集会的推论。我证明，使用以这种方式构建的遗传学是不合适的许多问题，涉及性状。由于物种被随机放置在树上的性状值，出生-死亡多分割分解器打破了性状系统发育结构的自然模式。基于这些树的推论是可预测的，并且通常会严重偏向于一个方向，这个方向取决于性状中系统发育结构的潜在（真实）模式。我说明了连续和离散性状的现象的严重性，使用的例子从全球鸟类遗传学。
2015-03-17 q-bio.PE q-bio.QM
Large ecosystems in transition: bifurcations and mass extinction
我们提出了一个多物种种群在分布式资源上生存的模型。系统动力学研究的变化下的非生物因子，如气候，通过环境温度参数化。特别是，我们通过非生物因子引入物种丰度和资源之间的反馈。这个模型显然是第一个包含气候和种群动力学耦合的反馈机制的模型。此外，我们还考虑了自我限制效应。该模型解释了许多物种的共存，但也显示了灾难性的分叉的可能性，在那里所有物种成为灭绝的影响下，非生物因子。我们表明，这些因素的变化有不同的制度的生态系统行为，包括可能的混乱政权时，非生物的影响是足够强。
2017-01-08 nlin.AO q-bio.PE
