Understanding evolutionary and ecological dynamics using a continuum limit
这份手稿没有什么新的内容，但综合了已知的结果：对于具有概率背景的理论种群遗传学家，我们提供了随机微分方程的一些关键结果的总结。对于进化博弈论，我们给出了一个新的视角时，使用离散的生灭过程得到的结果的推导。对于熟悉确定性建模的理论生物学家，我们概述了如何推导和处理经典生态和进化过程的随机版本。
2020-08-24 q-bio.PE
The modellers' encounter with ecological theory. Or, what is this thing called `growth rate'?
从实地数据确定人口增长率的尝试揭示了其定义中的几个模糊之处，这似乎使人对这一概念本身产生了疑问。然而，另一种观点提出，不仅保留了身份的概念，但也有助于区分竞争模型捕获的数据。
2013-08-28 q-bio.PE
Synchronization in ecological systems by weak dispersal coupling with time delay
种群生态学中最显着的时空模式之一是波动的地方种群在广阔的空间范围内的同步。在一系列空间尺度上广泛观察到与离散种群扩散率有关的丰度同步现象。然而，在异质景观的斑块运动模式的同步性的依赖已在很大程度上被忽视。在这里，我们考虑了两个捕食者-猎物社区之间的运动持续时间连接弱扩散，以及它对人口同步的影响。更具体地说，我们引入时间延迟扩散，将有限的传输时间之间的离散人口在一个连续的景观。利用弱连接网络理论将系统简化为相位模型，发现时滞是决定锁相状态性质和稳定性的重要因素。我们的分析预测增强收敛到稳定的同步波动一般，并降低系统的能力，产生在延迟扩散的存在下，在相位同步动态。这些结果引入延迟扩散作为一种工具，了解分散时间的重要性，在整个景观矩阵影响metacompatibility动态。他们进一步强调了景观和传播模式的重要性，用于预测弱耦合种群之间的同步性。
2013-01-27 q-bio.PE
Linking evolutionary and ecological theory illuminates non-equilibrium biodiversity
生物多样性动态是否趋向于稳定的平衡仍然是生态学和进化中未解决的问题，对我们理解多样性及其保护具有重要意义。系统/种群遗传模型和宏观生态学理论代表了我们看待生物多样性的两个主要视角。虽然phylo/群体遗传学提供了一个平均的人口变化和多样性的时间尺度上的代地质时代，宏观生态学提供了一个非历史的描述的共性和稀有性在当代共同发生的物种。我们的目标是将这两种方法结合起来，以获得新的见解生物多样性的非平衡性质。我们帮助指导不久的将来的研究，呼吁生物信息学的进步和定量预测的大纲，使我们的方法成为可能。
2017-05-12 q-bio.PE
Inferring birth versus death dynamics for ecological interactions in stochastic heterogeneous populations
本文针对随机异质群体提出一种基于种群规模时间序列的推断方法，用于区分出生与死亡动态中的生态相互作用类型，并利用随机波动估计确定性模型中不可识别的额外参数。
2025-06-03 math.PR q-bio.PE
Emergent frequency-dependent selection predicts mutation outcomes in complex ecological communities
MIT Center for Theoretical Physics - a Leinweber Institute（麻省理工学院理论物理中心（莱因韦伯研究所））；Department of Physics, Boston University（波士顿大学物理系）；International Centre for Theoretical Sciences, Tata Institute of Fundamental Research（塔塔基础研究院国际理论科学中心）；Faculty of Computing and Data Sciences, Boston University（波士顿大学计算与数据科学学院）
研究通过动态平均场理论将生态学整合到经典群体遗传学模型中，揭示生态互作导致的频率依赖选择如何影响突变结果，并展示了生态反馈对突变固定概率的抑制作用。
2026-04-15 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Effect of delay on the emergent stability patterns in Generalized Lotka-Volterra ecological dynamics
理解生态系统的可行性和稳定性条件是理论生态学的一个重大挑战。开创性的工作5月在1972年和最近的事态发展的基础上理论的随机矩阵已经表明存在的紧急普遍模式的稳定性和可行性的生态动力学。然而，只有少数研究调查的作用，延迟加上种群动力学的出现可行的和稳定的状态。本文研究了时滞对封闭生态环境中多个相互作用种群的广义Loka-Volterra种群动力学的影响。首先，我们调查的可行性和稳定性之间的关系，在没有延迟的情况下，模拟的生态社区，并找到一个简单的分析关系时，种内相互作用占主导地位。然后，我们展示了如何，通过增加时间延迟，有一个过渡的稳定阶段的种群动力学：从平衡状态到一个稳定的非点吸引相。我们分析计算的临界延迟的过渡，并表明它是在很好的协议与数值模拟。最后，我们引入了一个措施的稳定性，保持了平衡动力学，我们表明，在振荡制度引起的延迟稳定性增加增加生态系统多样性〈动〉<动>。
2021-10-22 physics.bio-ph q-bio.PE
The Time Invariance Principle, Ecological (Non)Chaos, and A Fundamental Pitfall of Discrete Modeling
本文旨在说明生态学中用于种群动力学的大多数离散模型都是病态的，因为它们违反了一个基本的物理学原理，所以它们的预测不能被实验独立地验证。这一结果被用来解决一个关于生态混乱的持续争议。结果的另一个含义是，所有连续动力系统必须由微分方程建模。因此，它建议，基于离散建模的研究必须仔细审查和微积分和微分方程的教学必须重视生物学生。
2007-03-09 q-bio.PE
Ecological and genetic effects of introduced species on their native competitors
物种引入新的栖息地可能会导致竞争的本地物种的种群规模下降，从而也会导致其遗传多样性〈动〉<动>。我们感兴趣的是，为什么这些不利影响在某些情况下是微弱的，而在其他情况下，本地物种下降到灭绝的地步。虽然引进率和增长率的引入种在新的环境中显然有一个积极的关系，入侵的成功和影响，竞争的影响是知之甚少。在这里，我们调查种间竞争的强度如何影响本地物种的持续时间，面对重复和持续引进的非本地物种。我们分析了两个随机模型：一个模型的种群动力学的两个物种和一个模型，另外包括本地物种的群体遗传学在一个位点参与其适应不断变化的环境。与直觉相反，这两个模型预测，本地物种的持久性时间是最低的中间竞争强度。这种现象的结果从竞争的相反的影响在不同阶段的入侵过程：随着竞争强度的增加，需要更多的引进事件，直到一个新种〈动〉<动>可以建立，但增加竞争也加快了本地物种的排斥已建立的外来竞争对手。通过比较生态和生态遗传模型，我们检测和量化的生态和遗传效应之间的协同反馈。
2013-01-02 q-bio.PE
Ecologically Sustainable Partitioning of a Metapopulations Network
一个稳定的种群网络很难在没有任何生态后果的情况下被中断。斑块之间的通讯障碍可能会使生态网络中的种群不稳定。这项工作涉及建设一个安全的削减通过集合种群栖息地，使人口保持稳定。我们结合动力系统的稳定性分析与图分割算法在我们的方法来解决这个问题。它发现这样一个安全的结构，当一个存在，提供的代数连通性的图形组件是强于所有的空间局部不稳定性在各自的组件。种群在空间离散斑块（图节点）上的动态及其与其他斑块的空间通信被建模为反应扩散系统。通过颠倒图灵不稳定性的思想，发现分区系统的稳定性条件取决于集合种群的局部动态和图的拉普拉斯矩阵的Fiedler值。这就得到了图的分块网络的稳定性是图的去边的充要条件。提出了一种启发式的二分图划分算法，并通过实例验证了理论结果。
2018-04-24 math.DS q-bio.PE
Population size in stochastic discrete-time ecological dynamics
研究环境随机性对生态模型长期种群大小的影响，通过平稳人均增长率为零的性质及小噪声分析，证明环境波动可增减或维持期望种群大小，且结果取决于受影响参数和基准选择。
2025-07-12 math.PR q-bio.PE
Ecological feedback in quorum-sensing microbial populations can induce heterogeneous production of autoinducers
自诱导物是介导微生物群体中的细胞间通讯并通过“群体感应”触发协调的基因表达的小信号分子。因此，阐明控制自诱导物产生的机制与理解集体微生物行为（如毒力和生物发光）有关。最近的实验表明，一个异质性的启动子活性的自诱导物合酶基因，这表明在人口中的一些同基因细胞可能会产生自诱导物，而其他人可能不会。然而，在群体感应微生物种群中这种表型异质性的机制仍然难以捉摸。在我们的理论模型中，细胞合成并分泌自身诱导物到环境中，在这种自我塑造的环境中上调它们的生产，非生产者比生产者复制得更快。我们表明，生态和种群动力学之间的耦合，通过群体感应可以诱导微生物种群的表型异质性，提出了一种替代机制，随机基因表达的基因调控电路。
2017-07-25 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
Fractality in a delayed-prey-predator ecological system with Allee effects
定义了一个具有Allee效应的时滞离散食饵-捕食者模型，并计算了该模型的动力学性质.给出了平衡点局部渐近稳定的参数条件，并给出了几个例子。此外，还得到了几个周期解。此外，当系统具有足够的时滞时，食饵-捕食者种群轨迹具有高度的分形性。该系统是一个合作系统，它是用分形维数描述。
2021-06-24 math.DS q-bio.PE
Metapopulation dynamics in a complex ecological landscape
本文提出了一个研究集合种群动态中空间扩散与环境时空波动相互作用的一般模型。有利斑块的生态景观就像Lévy灰尘一样产生，它允许建立一系列模式，从分散到聚集。在本地，动力学是由一个典型的人口密度的演变模型，包括一个逻辑表达式加上乘性噪声驱动。空间耦合是通过两种传播机制引入的：扩散扩散和选择性迁移驱动的补丁适合性。我们专注于长期的人口规模作为一个功能的栖息地配置，环境波动和耦合方案。我们得到了有利斑块的空间分布和耦合机制必须满足的条件，以保证种群的生存。我们观察到的基本现象是环境波动和防止灭绝的空间传播之间的正反馈。
2015-03-27 nlin.AO q-bio.PE
Human judgment vs. theoretical models for the management of ecological resources
尽管在自然资源管理的量化方法方面取得了重大进展，但在管理生态种群的实际实践中使用这些工具一直存在阻力。给定一个管理系统和一组假设，转化为一个模型，优化方法可以用来解决最具成本效益的管理措施。然而，当基本假设不满足时，这种方法可能会导致糟糕的决策。管理者根据过去的经验和判断制定决策，而不需要数学模型的帮助，可以潜在地了解系统并制定灵活的管理策略。然而，这些战略往往是基于主观标准和同样无效的，往往是未说明的假设。鉴于这两种方法的缺点，目前还不清楚是否简单的定量模型改善环境决策专家的意见。在本文中，我们探讨如何以及学生，利用他们的经验和判断，管理模拟渔业种群在网上电脑游戏，并比较他们的管理成果的性能模型为基础的决策。我们认为收获决策产生四种不同的定量模型：1。用于产生游戏中观察到的模拟种群动力学的模型，所有基本参数值已知[对照]，2.相同的模型，但参数值未知，必须在游戏期间根据观察到的数据进行估计，3.结构上不同于用于模拟种群动力学的模型; 4.一个忽略年龄结构的模型在案例1 - 3中，人类的平均表现比模型差得多。当模型忽略年龄结构时，他们产生了表现不佳的管理决策，但在66%的时间里，他们仍然优于使用经验和判断的学生。
2016-03-15 q-bio.PE
Quantitative Genetics Meets Integral Projection Models: Unification of Widely Used Methods from Ecology and Evolution
1)微观进化预测因密度依赖等生态反馈而复杂化，而生态预测则因进化变化而复杂化。在微观进化中广泛使用的方法，数量遗传学，努力将生态过程纳入预测模型，而结构化种群建模，广泛用于生态学的工具，很少明确纳入进化。2)在本文中，我们开发了一个灵活的，通用的框架，连接数量遗传学和结构化的人口模型。我们使用数量遗传学方法将表型写成加性图。然后，我们构建积分投影模型的每个组成部分的表型。表型分布的动态是通过组合其每个组成部分的分布而产生的。人口预测模型可以按每代或更短的时间步长来制定。3)我们先介绍框架，然后再开发示例模型，模型中的参数被选择来展示特定的动态。这些模型揭示了（i）表型的进化如何导致种群从一个动态状态转移到另一个动态状态（例如，从平稳性到周期），（ii）如何加性遗传方差和协方差（G矩阵）预计将在多代中进化，（iii）随着年龄的变化遗传力如何在面对选择时保持加性遗传变异，以及（iii）生活史〈动〉，种群动力学，生态学模型中的表型特征和参数会随着适应的发生而发生变化。4)我们的方法统一了种群生态学和进化生物学，提供了一个框架，允许一个非常广泛的问题得到解决。下一步是将该方法应用于各种实验室和现场系统。一旦做到这一点，我们将有一个更深入的了解生态演化动力学和反馈。
2015-09-04 q-bio.PE
How do simple evolutionary strategies and investment optimizations affect ecological patterns? The case of generalized Taylor's Law
泰勒定律（TL）通过幂律将方差与随机变量的均值联系起来。在生态学中，它适用于种群，是不同生态系统共有的经验模式.测量给出幂律指数在1和2之间，并且更多地聚集在2周围，而理论模型预测TL指数可以假设任何真实值。本文采用马尔可夫环境下的乘法增长模型框架，研究了演化策略对TL指数在有限范围内的可能性.我们实施了三种不同的策略，个人可以遵循，并为每个策略设置两个不同的优化投资目标。在所有研究的情况下，我们发现TL指数可以假设任何实值，由于存在的区域的模型参数，其中指数可以发散。此外，在对环境动态的自然假设下，这些区域的形状不依赖于所采用的不同策略，也不依赖于优化目标。因此，策略的引入并不影响模型中TL指数的取值范围。在我们的理论框架中，罕见的事件正在塑造TL指数的值，这表明，正如以前的作品所暗示的那样，经验值可能是采样不足的统计伪影。
2018-06-24 q-bio.PE
Gene drive dynamics in natural populations: The importance of density-dependence, space and sex
合成基因驱动器的传播通常在通过基因流连接的泛混居群体的背景下讨论，并用简单的确定性模型描述。在这样的假设下，通过释放一个携带入侵基因驱动（如标准归巢驱动）的个体，整个物种都可以改变。虽然这仍然是一种理论上的可能性，但基因驱动在自然种群中的传播更为复杂，值得进行更现实的评估。在种群中释放的任何基因驱动器的命运都与种群的生态环境密不可分。鉴于自然种群生态评估中经常涉及的不确定性，了解基因驱动传播对重要生态因子〈动〉的敏感性至关重要。在这里，我们回顾了不同形式的密度依赖性、空间异质性和交配行为如何影响自我维持基因驱动的传播。我们强调基因驱动动力学的具体方面和需要进一步研究的目标人群。
2020-05-04 q-bio.PE
Increased persistence via asynchrony in oscillating ecological populations with long-range interaction
了解扩散网络结构对物种持久性的影响，模拟更真实的自然界物种扩散是空间生态学的两个核心问题。在[Holland \& Hastings，Nature，456：792- 795（2008）]中已经研究了有利于相互作用的生态系统的持久性的现实扩散结构，其中表明在猎物和捕食者的集合种群模型中扩散网络结构的随机化通过聚类、延长的瞬态动力学和种群波动的幅度来增加物种持久性。在本文中，相比之下，我们表明，一个确定性的网络拓扑结构中的集合种群也可以有利于dupy和长期的瞬态动力学，如果物种扩散服从远程相互作用的距离依赖的幂律。为了探讨幂律耦合的影响，我们采取了一个现实的生态模型，即罗森茨威格-麦克阿瑟模型在每个补丁（节点）的振荡器网络，并显示，耦合系统是从同步驱动到同步的幂律指数的增加。此外，为了了解物种持久性和幂律指数变化之间的关系，我们计算相关系数来表征团簇形成，同步性序参量和捕食者幅度的中位数。我们进一步表明，较小的集合种群与较少的补丁数量更容易灭绝相比，较大的集合种群与较高的补丁数量。我们相信，目前的工作，提高了我们的理解之间的相互联系的随机网络和确定性网络的理论生态学。
2017-03-04 nlin.AO q-bio.PE
Ecosystem knowledge should replace coexistence and stability assumptions in ecological network modelling
Queensland University of Technology（昆士兰科技大学）；The University of Queensland（昆士兰大学）
本文提出用专家启发的物种丰度知识替代共存与稳定性假设来构建无数据生态模型，并通过新贝叶斯算法生成预测合理的模型集合，显著改善保护决策与长期生态行为预测。
2024-09-05 q-bio.PE stat.AP
Stoichiometric ontogenetic development influences population dynamics: Stage-structured model under nutrient co-limitations
Haverford College（哈弗福德学院）；Texas Tech University（德克萨斯理工大学）；California State University Northridge（北岭加州州立大学）
针对现有阶段结构种群模型未考虑食物质量、化学计量食物网模型忽略阶段结构的缺陷，本文构建营养共同限制下的化学计量阶段结构生产者-牧食者模型，揭示了化学计量约束对结构种群动态的影响机制。
2025-11-17 math.DS q-bio.PE
Using mathematical modeling to ask meaningful biological questions through combination of bifurcation analysis and population heterogeneity
分析动力系统的经典方法，包括分叉分析，可以提供对数学模型的底层结构和所有可能的动力学行为的谱的宝贵见解。然而，这些模型往往没有考虑到人口异质性，而这是至关重要的理解和预测任何进化系统的行为，是一个共同的简化，是在分析许多生态系统的数学模型。试图包括人口异质性往往会导致扩大系统的维度，有效地防止定性分析。简化定理，或隐藏的关键变量（HKV）方法，允许纳入人口异质性，同时仍然允许使用以前存在的经典分歧分析。这些方法的组合允许可视化的进化轨迹，并作出有意义的预测动态随着时间的推移不断变化的人口。在这里，我们讨论了三个例子，这些方法相结合，以增加不断变化的生态系统的理解。我们展示了什么新的有意义的问题，可以通过这种方法提出，并建议，大量的现有文献的充分分析模型可以揭示新的和有意义的动力学行为与HKV方法的应用，如果正确的问题被问。
2018-02-15 q-bio.PE
Feedback between population and evolutionary dynamics determines the fate of social microbial populations
作弊策略的进化传播可以破坏参与合作行为的种群的稳定性，从而表明进化变化对种群动态具有深远的影响。与此同时，合作性状的相对适合度往往取决于人口密度，从而导致人口密度和合作性状的进化之间的双向耦合的潜力。尽管这些生态进化反馈回路的潜在重要性，他们还没有被证明在社会物种的实验和他们的生态影响知之甚少。在这里，我们证明了一个强大的反馈回路之间的种群动力学和演化动力学的社会微生物基因，SUC 2，在实验室酵母菌群的合作增长是由SUC 2基因介导的。我们直接可视化生态进化轨迹的数百个人口超过50代，使我们能够表征相空间描述在这个系统中的进化和生态的相互作用。小种群崩溃，尽管不断演变的合作等位基因频率增加;大种群与足够数量的合作者螺旋到一个稳定的状态共存的合作者和骗子的策略。作弊者的存在不会显著影响平衡种群密度，但它确实降低了种群的弹性以及适应迅速恶化的环境的能力。我们的研究结果表明，演化动力学和种群动力学的合作生长的生物，特别是在微生物之间的耦合的潜在生态重要性。
2013-01-13 q-bio.PE
Eco-evolutionary dynamics of social dilemmas
社会困境是社会互动的一个组成部分。合作行动，从在微生物种群中分泌细胞外产物到在人体内献血，对行为者来说都是昂贵的，因此产生了逃避和避免费用的动机。然而，合作在本质上是无处不在的。成本和收益往往非线性地取决于所涉个人的数量和类型-如“厨师太多会坏了汤”等成语所反映的那样，在这种情况下，额外的贡献被打了折扣，而在这种情况下，合作者协同增效地提高了群体的收益。相互作用组的大小可能取决于种群的大小，因此也取决于生态过程。这导致生态和进化过程之间的反馈机制，共同影响和决定进化轨迹。直到最近，组合生态进化过程才在微生物社会困境中变得易于实验处理。在这里，我们分析的演化动力学的非线性社会困境的设置，人口规模波动和环境随时间变化。特别是，合作往往是支持和维持在高密度通过生态波动。此外，我们发现，这两个过程的结合经常揭示高度复杂的动态，这表明在自然界中常见的。
2016-05-24 q-bio.PE
A Process Calculus for Spatially-explicit Ecological Models
我们提出了PALPS，一个人口系统的位置过程代数。PALPS允许我们产生空间上明确的、基于个体的模型，并对它们的行为进行推理。我们的演算有两个层次：在第一个层次上，我们可以定义种群中个体的行为，而在第二个层次上，我们可以将系统定义为位于空间中的各种物种的个体的集合，如果它们愿意的话，在它们的生存周期中移动，同时改变它们的位置，并以各种方式相互作用，例如相互捕食。此外，我们提出了一个概率时态逻辑推理PALPS过程的行为。我们说明了我们的框架，通过模型的扩散集合种群。
2012-11-17 cs.LO q-bio.PE
Discreteness of populations enervates biodiversity in evolution
生物多样性是生态系统中常见的现象，其本质是物种间竞争的动态平衡。在演化博弈论中，相互作用物种的时变种群常常被一组确定性的复制子方程很好地描述。然而，由于种群的离散性而产生的内在波动会导致光滑演化轨迹的随机衍生。这些波动的作用被证明是至关重要的，在造成灭绝和生态系统的生物多样性恶化。我们使用儿童的石头剪刀布游戏来演示离散种群的内在波动是如何产生的，以及为什么生态系统的生物多样性呈指数衰减，而不考虑竞争机制和初始分布的细节参数。生物多样性的耗散趋势可以类比为由于空气阻力或流体粘性而导致的运动粒子动能的逐渐侵蚀。统计物理学中的耗散涨落定理决定了这些原本守恒量的命运。物理学中的这一概念可以推广到仔细检查在生态学、生物学和定量经济模型中可能发生的错误，因为这些模型的成分在数量上都是离散的。
2010-05-24 q-bio.PE
Host-to-host variation of ecological interactions in polymicrobial infections
在感染和体内平衡中，通常观察到微生物和多细胞宿主之间相互作用的宿主-宿主变异性。然而，大多数用于分析宿主-微生物关系的机制模型，以及大多数用于解释宿主和微生物共同进化的生态学理论，都是基于宿主种群的平均值。通过假设观察到的变化是随机和独立的，这些模型忽略了主机间的差异的作用。在这里，我们分析主机到主机的变化的机制，使用的多微生物中耳炎（OM）在龙猫的特点实验感染模型，结合人口动态模型和最大熵（MaxEnt）为基础的推理方案。我们发现，细菌物种之间的相互作用的性质严格调节主机到主机的变化，这些相互作用。令人惊讶的是，看似不相关的现象，如单个细菌物种在利用营养物质进行生长和微生物特异性宿主免疫反应方面的效率，在宿主群体中可能变得相互依赖。后一项发现表明了一种潜在的机制，可能导致在宿主免疫反应和细菌物种的共同进化过程中选择特定的细菌物种菌株。
2014-04-26 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Asymmetric Interactions Shape Survival During Population Range Expansions
本研究通过模拟和数学模型，揭示了非对称生态相互作用如何影响扩张种群中突变体的空间生存概率，并提供了从相互作用类型预测生存分布及反向推断的框架。
2024-12-14 physics.bio-ph q-bio.PE
Unifying deterministic and stochastic ecological dynamics via a landscape-flux approach
我们开发了一个植被-通量框架来研究观测到的植被频率分布和这些生态系统在波动下的稳定性。频率分布可以表征与生态状态稳定性相关的人口潜力景观。我们通过分析森林稀树草原模型说明了这种方法的实际效用。稀树草原和森林状态在一定条件下共存，与过去的理论工作和经验观察一致。然而，一个新的草原状态，在相应的确定性模型中看不见，出现作为波动下的替代准稳定状态，提供了一个新的理论基础，在一些实证分析中出现广泛的草原。生态动态由人口-潜在景观梯度和稳态概率通量共同决定。通量量化了生态系统的净输入/输出，从而量化了非平衡的程度。景观和通量共同决定了由主导路径和转换率表征的稳定状态之间的转换。内在的潜在景观承认一个李雅普诺夫函数，它提供了一个定量的措施，全球稳定性。我们发现，平均通量，熵产生率和自由能有显着的变化附近的分叉有限和零涨落。这些可能提供动力学和热力学的起源的分叉。我们确定了观测到的频率时间轨迹，波动和时间不可逆性的分叉运动学措施的方差。这个新的框架开辟了一条道路，以表征生态系统的全球性，揭示他们之间的状态变化，并量化随机波动下出现的新的准稳定状态。
2021-03-27 physics.bio-ph q-bio.PE
COVID-19 severity determinants inferred through ecological and epidemiological modeling
COVID-19临床严重程度的决定因素通常通过死亡人数的横向或纵向研究进行评估。然而，死亡人数取决于疾病的临床严重程度和传染性，因为感染人数越多，死亡人数也就越多。此外，死亡人数（以及病死率等相关指标）是动态量，因为它们出现在感染的延迟期，而不同的地理区域通常属于流行病曲线上的不同点。相反，我们使用流行病学建模提出了一个疾病严重程度的措施，占潜在的疾病动态。这一衡量标准对应于人口平均死亡率与恢复率的比率（m/r）。它独立于疾病传播动力学（即，基本再生数），并具有直接的机械解释。我们使用该方法来评估与疾病严重程度相关的人口统计学、医学、气象和环境因素。为此，我们采用了生态回归研究设计，并在第一次疾病爆发期间分析了美国不同的州。主成分分析，然后是基于机器学习技术的单变量和多变量分析，用于选择重要的预测因子。在不使用临床研究的先验知识的情况下，我们恢复了已知影响疾病严重程度的重要预测因素，特别是年龄，慢性疾病和种族因素。此外，我们确定长期的污染暴露和人口密度作为疾病严重程度的预测因子，并没有得到广泛的认可（尽管对于以前假设的污染）。整体而言，建议的措施可用于推断COVID-19及其他传染病的严重程度决定因素，所得结果可帮助更好地了解COVID-19风险。
2021-08-31 q-bio.PE
Population dynamics in the global coral symbiont network under temperature variations
本研究针对水温变化破坏珊瑚-虫黄藻共生引发白化的问题，构建整合热耐受性与网络结构的种群动态模型，结合多区域真实数据揭示网络连通性和广适性物种的关键作用，强调评估珊瑚生态响应需兼顾网络结构与热耐受性。
2025-02-11 q-bio.PE
Population size in stochastic multi-patch ecological models
Department of Mathematics Texas A\&M University Mailstop 3368 College Station, TX 77843-3368 United States
研究随机多区域生态模型中扩散与环境随机性对种群大小的影响，揭示环境波动在特定条件下可促进种群增长。
2025-11-24 math.PR q-bio.PE
Ecological interactions and spatial dynamics in microbial aggregates: A novel modelling framework
Delft University of Technology（代尔夫特理工大学）
本文提出了一种基于偏微分方程的模型，用于描述微生物聚集体中细菌与底物的生态互作，通过数值实验验证了其在空间模式生成中的有效性。
2025-12-15 q-bio.PE
Multilateral governance of invasive alien species management: An ecological-economic model with Allee effect
Aix-Marseille School of Economics（艾克斯-马赛经济学院）；Institut Universitaire de France（法国高等研究院）；Purdue University Northwest（西北普渡大学）；Lund University（隆德大学）
该研究构建含阿利效应的两区域入侵外来物种生态-经济模型，对比合作与非合作管理的结果，发现合作管理可扩大根除初始条件、降低总成本，为IAS多边治理提供理论支撑。
2026-10-14 econ.TH physics.soc-ph q-bio.PE
An individual-based stochastic model reveals strong constraints on allometric relationships with minimal metabolic and ecological assumptions
本文构建基于能量的随机个体模型，在最小代谢和生态约束下，推导出异速生长系数间的强约束关系，并揭示其背后的最小生态机制。
2025-01-21 math.PR q-bio.PE
Population dynamics of synthetic Terraformation motifs
生态系统是一个复杂的系统，目前正面临着与全球变暖、集约化开发和人为导致的栖息地退化有关的几种威胁。这些威胁正在将生态系统推向崩溃的边缘。由于多个稳定状态的普遍存在，包括涉及人口灭绝的状态，以及由于与反馈回路相关的固有非线性，崩溃可能以灾难性的方式发生。这种灾难性的变化被认为将在未来的许多过渡中普遍存在，在许多不同的规模上影响生态系统。许多研究试图描绘潜在的警告信号，预测这种正在进行的转变，但很少有人知道如何有效地防止这种转变。最近有人提出，一个潜在的途径，以防止或修改这些过渡的结果将涉及设计合成生物和合成生态相互作用，可以推动这些濒危系统的临界边界。四类这样的生态工程设计或{ \em Terraformation motifs}已被定义在一个定性的方式。在这里，我们开发了最简单的数学模型与这些图案，定义预期的稳定条件和域的图案应正常工作。
2016-12-30 q-bio.PE
Generalized Lotka-Volterra systems with quenched random interactions and saturating nonlinear response
University of Padova（帕多瓦大学）；INFN, Padova Division（意大利国家核物理研究所帕多瓦分部）；National Biodiversity Future Center（国家生物多样性未来中心）
本文通过引入饱和非线性响应，改进了广义洛特卡-沃尔terra系统以抑制无界增长，并揭示了无序生态系统中非线性与对称性对多样性与韧性的影响。
2026-01-31 q-bio.PE
Resilience Analysis for Competing Populations
生态恢复力是指系统在受到状态变量扰动或参数变化时保持其状态的能力。虽然理解和量化弹性对于预测可能的政权转移至关重要，但表征系统参数对弹性的影响是控制系统以避免不期望的关键转变的第一步。本文应用微分方程定性理论的工具研究了经典Lotka-Volterra系统模型下竞争种群的弹性。在高种间竞争条件下，该模型表现出双稳定性，且各种群排他生存所对应的吸引盆之间的边界是鞍点的稳定流形.通过研究这些流形及其在模型参数方面的行为，我们描述了种群弹性的特征：虽然竞争力的增加会导致更高的弹性，但繁殖并不总是如此。在一个开创性的背景下，两个种群都以很少的个体开始，增加繁殖导致恢复力的增加;然而，在一个以前由一个种群主导，然后被另一个种群入侵的环境中，恢复力的增加是通过降低繁殖率来实现的。这项工作除了为竞争种群的动态提供有趣的见解外，还使生态恢复力的理论概念与微分方程的数学方法相互接近，并促进了生态恢复力新的数学工具的发展和应用。
2019-05-09 math.DS q-bio.PE
On the formulation and analysis of a stage-structured eco-evolutionary model with pulsed disturbances
Muhlenberg College（穆伦堡学院）；Oregon State University（俄勒冈州立大学）
本研究构建并分析了一个阶段结构生态进化模型，证明抗性等位基因存在时种群趋向完全抗性，并应用于斑翅果蝇以理解脉冲扰动下的抗性进化。
2026-09-11 q-bio.PE
Patchiness and Demographic Noise in Three Ecological Examples
理解空间聚集的原因和影响是生态学中最基本的问题之一。聚集是一种新兴的现象，产生于人口中个体之间的相互作用，只能感觉到-最多-他们的同伙的局部密度。因此，考虑到个人水平的相互作用和波动是至关重要的，以达到正确的描述人口。经典的确定性方程适用于描述种群的某些方面，但忽略了与个体离散性所固有的随机性相关的特征。人口的随机方程确实通过人口噪声项来解释这些波动产生的影响，但由于其复杂性，它们可能很难（有时甚至不可能）处理。即使它们可以以简单的形式写出来，由于存在“平方根”固有噪声，它们仍然很难在数值上积分。在本文中，我们讨论了一个简单的方法来增加人口统计随机性的影响，三个经典的，确定性的生态例子，聚集起着重要的作用。我们研究所得到的方程，使用最近推出的集成计划，特别是设计成数字随机方程与人口噪声集成。为了仔细检查这些随机的例子，以显示聚集的能力，我们发现，这三个系统不仅显示补丁配置，但也经历了一个相变属于定向渗流普适类。
2012-05-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
A phase transition between the niche and neutral regimes in ecology
生态学中一个正在进行的争论是关于生态漂移和选择对群落聚集的影响。在这里，我们表明，有一个尖锐的相变在不同的生态群落之间的选择占主导地位的政权（生态位阶段）和漂移占主导地位的政权（中性阶段）。模拟和分析结果表明，种群规模大、环境相对稳定的群落有利于进入生态位阶段，而种群规模小、环境波动的群落有利于进入中性阶段。我们的研究结果表明，即使在具有不同特征的物种所居住的社区中，也可能出现明显的中性种群。
2014-03-28 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Modeling population dynamics based on experimental trials with genetically modified (RIDL) mosquitoes
最近，RIDL-SIT技术已在现场测试用于控制埃及伊蚊。这项技术包括释放携带“致命基因”的转基因蚊子。2016年，世界卫生组织（WHO）和泛美卫生组织（PAHO）建议其成员国测试控制埃及伊蚊种群的新技术。然而，迄今为止，有关有效性和生态影响的问题尚未得到深入研究。为了研究这些问题，我们开发了一个与2016年可用信息兼容的生态模型。它提出了一个相互依赖的动态蚊子种群和食物在一个均匀的设置。苔藓虫种群描述在一个随机房室设置的反应规范，这取决于环境中的可用食物。该模型的发展使我们能够指出一些关键的生物学知识是缺失的，可以（应该）产生。杂交水平，干预期间和干预后的人口恢复时间作为干预持续时间和目标的函数，释放数量和干预后的计算在不同的假设下，关于混合动力车的适合度，并与两个实地研究的实际干预措施进行比较。当构建详细模型的必要信息产生时，最小模型应作为详细模型的基础。目前，该模型表明，大自然不会清除非致命的渗入基因。
2020-02-12 q-bio.PE
Collapse of an ecological network in Ancient Egypt
生态系统崩溃的动力学对于确定生物群落如何以及为什么随着时间的推移而变化以及生态系统的潜在影响至关重要。在这里，我们整合了古埃及古代哺乳动物的栖息地与古生物学和考古学证据的直接联系，以推断6000年跨度内的当地栖息地和社区动态。这一数据集前所未有的时间分辨率使研究人类人口增长和气候变化的串联效应如何破坏哺乳动物群落成为可能。我们发现，哺乳动物在埃及的灭绝是非随机的，社区组成的不稳定的变化与突然的干旱化事件和随之而来的一些复杂的社会崩溃相吻合。我们还表明，在一个社区中的物种的角色可以随着时间的推移而改变，并预测持久性的物种敏感性，局部动态稳定性的函数的措施。我们的研究是第一次高分辨率分析环境变化对千年时间尺度上捕食者-猎物网络的生态影响，并揭示了塑造现代动物群落的历史事件。
2014-09-24 q-bio.PE
Preventing extinction and outbreaks in chaotic populations
生态群落中的相互作用具有内在的非线性，会导致复杂的种群动力学，包括由混沌引起的不规则波动。混沌种群动力学可以表现出非常小或非常大的种群丰度，可能会导致灭绝和经常性爆发，分别剧烈振荡。我们提出了一个简单的方法，可以指导管理工作，以防止崩溃，高峰，或任何其他不良状态。同时，当种群需要混沌时，可以保持动态的不规则性。该控制方案易于实现，因为它只依赖于时间序列信息。该方法说明了两个例子：控制崩溃的Ricker地图和控制爆发的阶段结构模型的面粉甲虫Tribolium。事实证明，它是有效的，即使在很少的可用数据和噪音的存在下，是典型的生态环境。
2007-08-29 nlin.CD q-bio.PE
Extraordinary Sex Ratios: Cultural Effects on Ecological Consequences
我们建立性别结构种群动力学模型，分析遗传和文化差异群体之间的成对竞争。性比等位基因仅在异配型性别中表达，因此Fisher分析的假设不适用。性别比例的进化推动了一种与群体相关的性状的文化进化，这种性状决定了同配性别的死亡率。资源限制下的两性动态诱导了强烈的Allee效应，该效应依赖于性别比例和文化特征值。我们描述了由此产生的阈值，从积极的增长灭绝分开，作为女性和男性密度的函数。当初始条件避免灭绝由于Allee效应，不同的性别比例不能共存，在我们的模型中，更大的女性分配总是入侵，并排除较小的分配。但是文化传播的特征与性别比例相互作用，决定了成功入侵的生态后果。入侵的女性分配可能允许人口持续自我调节平衡。在这种情况下，常驻文化可能被排除在外，或者可能与入侵者文化共存。也就是说，一个单一的性别比例等位基因在女性和男性死亡率的文化二态性可以持续;低死亡率居民的特点是通过父亲到儿子的文化传播。否则，成功入侵的雌性分配排除了居民等位基因和文化，然后通过雄性的短缺将种群推向灭绝。最后，我们表明，在均匀混合下得到的结果举行，与警告，在一个空间上明确的模型与本地交配和扩散扩散在两性。
2012-09-07 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Source-sink dynamics in a two-patch SI epidemic model with life stages and no recovery from infection
本研究通过双斑块SI模型分析源-汇种群动态，揭示基本再生数、成熟率和扩散率对疾病传播及种群恢复的关键作用，为疾病影响下的自然种群保护提供策略依据。
2024-02-09 math.DS physics.soc-ph q-bio.PE
Spatio-temporal data mining in ecological and veterinary epidemiology
了解任何疾病的传播都是一项高度复杂和跨学科的工作，因为生物，社会，地理，经济和医学因素可能会影响疾病在人群中的传播方式以及最终控制或根除疾病的选择。疾病传播对动物和植物健康构成严重威胁，并对生态系统功能和物种保护产生影响，并通过粮食安全和人类潜在的疾病传播对社会产生影响。时空流行病学的概念是，病原体的各种特征与环境相互作用，以改变疾病发生的概率，并形成时间或空间模式。流行病学旨在识别这些模式和因素，评估相关的不确定性来源，并描述人群中的疾病。因此，疾病在人群中的传播与兽医传统上采取的主要关注个人健康状况的方法不同。疾病发生的模式通过调查哪些人受到影响、这些人位于何处以及何时受到感染，使人们了解哪些因素可能影响人口的健康。随着智能传感器、社交网络以及数字地图和遥感影像的快速发展，时空数据比以往任何时候都更加普遍和丰富。如此大的数据集（大数据）的可用性给数据分析带来了巨大的挑战。此外，计算能力的增加的可用性促进了用于分析此类数据的计算密集型方法的使用。因此，需要新的方法以及案例研究来了解兽医和生态流行病学。一个专门的问题，旨在解决这个问题。
2016-12-13 q-bio.PE stat.AP stat.CO
A generalized neutral theory explains static and dynamic properties of biotic communities
了解塑造生态群落的力量对基础科学和保护至关重要。近年来，在用简单和一般的模型解释社区方面取得了相当大的进展，中性学说〈动〉<动>就是一个突出的例子。然而，尽管中性学说〈动〉<动>成功地解释了物种丰度分布等静态模式，但它却因对基本动态模式做出不切实际的预测而受到批评。在这里，我们将环境随机性的中性框架，并表明，由此产生的广义中性学说〈动〉<动>是能够预测现实模式的人口和社区动态。将该理论应用于实际数据（巴罗-科罗拉多岛的热带森林），我们发现它更好地拟合了观测到的短期波动分布，这种波动的时间尺度，以及成分相似性随时间的衰减，而不是原来的理论，同时保留了其解释物种丰度静态模式的能力。重要的是，虽然所提出的理论是中性的（所有物种在功能上都是等同的）和随机的，但它是一个基于生态位的理论，因为物种对环境变化的人口反应不同。我们的研究结果表明，这种整合的生态位力量和随机性在一个最低限度的中性框架是非常成功的解释基本的静态和动态特征的生态群落。
2014-06-11 q-bio.PE
Six Decades Post-Discovery of Taylor's Power Law: From Ecological and Statistical Universality, Through Prime Number Distributions and Tipping-Point Signals, to Heterogeneity and Stability of Complex Networks
本文综述泰勒幂律（TPL）六十年研究，涵盖其生态与统计普适性、八个主题及未来方向，强调其在实践与理论中的意义。
2025-06-22 cs.CE cs.IT cs.SI
The role of nestedness and saturating feedback in bipartite ecological systems
Laboratoire Matière et Systèmes Complexes (MSC), Université Paris Cité \& CNRS (UMR 7057), 75013 Paris, France
研究大型生态系统中竞争与合作平衡问题，通过类似Monod的饱和度及动态平均场理论等方法，揭示更广泛稳定阶段与更高生存率，指出网络架构是控制机制，嵌套性无内在稳定性优势，是高连通度度分布副产品。
2026-09-15 cond-mat.dis-nn q-bio.PE
Growth dynamics and the evolution of cooperation in microbial populations
提供公共产品的微生物在自然界中广泛存在，尽管它们有被搭便车者利用的风险。但支撑合作的精准生态因子〈动〉<动>仍令人困惑。根据最近的实验，我们认为人口增长的作用和重复碎片的人口到新的殖民地模仿简单的微生物的生命周期。基于个人的建模表明，人口的波动，导致殖民地的组成有很大的差异，促进合作。由于受到种群动力学的影响，这些波动导致了两种性质不同的制度，即在重复分裂成群体的情况下进行强有力的合作。首先，如果合作水平超过一个阈值，合作者将接管整个人口。其次，合作者也可以从单一突变体中产生，导致合作者和搭便车者之间的稳定共存。我们发现，人口瓶颈的频率和规模，以及增长动力学是决定制度的主要生态因子〈动〉<动>，从而走向合作的进化途径。
2012-03-27 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
Persistence and extinction for stochastic ecological models with internal and external variables
物种密度的动态取决于内部和外部变量。内部变量包括表现出不同表型或生活在不同空间位置的个体的频率。外部变量包括非生物因子或非焦点物种。这些内部或外部变量可能会由于环境条件的随机波动而波动。证明了考虑内外变量的随机生态差分方程的随机持久性和排斥性定理。具体来说，我们使用平均李雅普诺夫函数的随机模拟开发的充分和必要条件（i）所有人口密度花费很少的时间在低密度，和（ii）人口轨迹渐近接近灭绝集的正概率。对于（i）和（ii），分别，我们提供定量估计的时间分数，系统是附近的灭绝集，和渐近灭绝的概率作为系统的初始状态的函数。此外，我们提供的期望时间的下限逃脱灭绝集的邻域。为了说明我们的研究结果的适用性，我们分析了随机模型的进化博弈，洛特卡-Volterra动态，性状进化和空间结构的疾病动态。我们对这些模型的分析表明，环境随机性有利于鹰鸽博弈中策略的共存，但抑制了石头剪刀布博弈和Lotka-Volterra捕食者-被捕食者模型中的共存。此外，具有正自相关性的环境波动可以促进斑块景观中进化种群的持续性和疾病的持续性。虽然我们的研究结果有助于缩小确定性和随机系统的持久性理论之间的差距，我们强调未来的研究面临的挑战。
2019-03-26 math.DS math.PR q-bio.PE
Aphids, Ants and Ladybirds: a mathematical model predicting their population dynamics
几十年来，人们一直从生态学的角度研究蚜虫、蚂蚁和瓢虫之间的相互作用，但还没有尝试从数学的角度来描述它。本文介绍了一个新的数学模型，通过一组四个微分方程来描述蚜虫、蚂蚁和瓢虫组成的生态斑块内的季节内种群动力学。该模型是基于Kindlmann和Dixon微分方程组，侧重于预测的蚜虫瓢虫种群密度，共享的捕食关系。根据Holland和De Angelis的数学模型描述了蚂蚁与蚜虫的互惠关系和与瓢虫的种间竞争，作者在该模型中一般地面对互惠相互作用的问题。这里提出的一组微分方程离散的非标准有限差分格式，成功地应用于Gabbriellini互惠模型。所构造的有限差分格式是保正的，其特征在于四个非双曲稳态，突出的相空间和时间序列分析。特别注意的是致力于从生态的角度来看，其渐近稳定性证明通过中心流形理论的稳态最有趣的。该模型允许数值证实，互惠关系有效地影响人口动态，通过增加蚜虫和蚂蚁的人口密度的峰值。尽管如此，它表明，渐近种群的蚜虫和瓢虫崩溃的任何初始条件下，不像蚂蚁，峰值后，解决一个恒定的渐近值。
2019-05-13 math.DS nlin.AO q-bio.PE
Universal constraint on nonlinear population dynamics
生态和进化过程显示出各种种群动态，取决于内部相互作用和环境变化。虽然在预测生物过程中至关重要，但发现这种非线性动力学的一般关系仍然是一个挑战。在这里，我们推导出一个普遍的信息理论约束的一类广泛的非线性动力系统表示为人口动态。这个限制被解释为费雪自然选择基本定理的推广。此外，约束表明非平凡的边界临界松弛的速度在分歧点，我们认为是普遍确定的分歧的类型。我们的理论得到验证的进化模型和流行病模型，其中表现出跨临界分岔，以及生态模型，其中经历极限环振荡。这一工作通过提供非线性系统的非平衡统计力学的基本关系，为用信息论预测生物动力学铺平了道路。
2022-02-04 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
