Les Houches Lectures on Community Ecology: From Niche Theory to Statistical Mechanics
Kavli Institute for Theoretical Physics, University of California Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校卡弗里理论物理研究所）；Pontifical University of the Holy Cross（十字神学院宗座大学）；Dept. of Physics and Faculty of Computing and Data Science, Boston University（波士顿大学物理系与计算数据科学学院）
本文为社区生态学综述，介绍核心模型CRM与GLV，揭示生态动力学与约束优化的关联，并运用无序系统统计物理方法分析高维复杂生态系统，搭建生态学与统计物理学的研究桥梁。
2026-11-02 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Evolutionary ecology in-silico:evolving foodwebs, migrating population and speciation
我们通过考虑同一生态系统中生物体从一个“斑块”到另一个“斑块”的可能运动，概括了我们的进化生态学的“统一”模型。我们对生态系统的空间扩展进行建模（即，地理学）由一个正方形网格组成，每个站点对应一个不同的“补丁”。一个自组织的等级食物网〈动〉<动>描述了生态系统中的捕食者-食饵关系。同一种在不同斑块的食性〈动〉<动>相同，但繁殖特征不同。通过进行计算机模拟到$10^9$时间步长，我们发现，根据参数集的值，物种的寿命分布可以是指数或幂律的组合。我们的“统一”模型的其他一些特征对生物体的迁移是强大的。
2004-03-27 q-bio.PE q-bio.QM
Evolutionary Fields Can Explain Patterns of High Dimensional Complexity in Ecology
使生态系统如此独特的特性之一是，即使是只有几个物种的最简单的社区也可以表现出一系列复杂的行为模式。这种复杂性通常归因于具有非常高自由度的随机因素。对这些简单网络进化的正统研究通常在解释复杂性的能力上受到限制，因为它将进化适应限制在一个自由度很小的无惯性过程中，在这个过程中，只有渐进的、适度复杂的行为是可能的。我们提出了一个模型的灵感来自经典物理学中的粒子介导的场现象结合适应的基本概念，这表明，小，但高维混沌动力学接近自适应特性的最佳可能有助于解释复杂的属性共享大多数生态数据集，如非周期性和粉红色，分形噪声谱。通过研究一个简单的捕食者-猎物模型，并呼吁真正的生态数据，我们表明，这种类型的复杂性很容易混淆或混淆随机性，特别是当刺激或放大的随机因素，共享变分和光谱特性的基础动态。
2017-04-06 q-bio.PE
The Community Simulator: A Python package for microbial ecology
天然微生物群落包含数百至数千种相互作用的物种。因此，计算机模拟在微生物生态学中发挥着越来越重要的作用。在这篇手稿中，我们提出了一个新的开源，免费提供的Python包称为社区模拟器，用于以可重复，透明和可扩展的方式模拟微生物种群动力学。社区模拟器包括五个大量元素：准备一组样本的初始状态和环境条件的工具，基于建模假设字典的动态方程的自动生成，代谢和分类结构的可调水平的随机参数采样，动态方程的并行集成，以及支持样本之间的迁移的亚稳态动态。为了使用Community Simulator显著加快模拟速度，我们的Python包实现了一种新的期望最大化（EM）算法，用于寻找社区动态的平衡状态，该算法利用了最近发现的生态动态和凸优化之间的对偶性。我们目前的数据表明，这种EM算法提高了性能之间的一个和两个订单相比，直接数值积分相应的常微分方程。最后，我们列出了几个最近的应用程序的社区模拟器的微生物生态学的问题，并讨论了可能的扩展包直接分析微生物组成数据。
2020-03-04 physics.bio-ph q-bio.PE
Nested interaction networks represent a missing link in the study of behavioural and community ecology
相互作用在生物系统中无处不在。这些相互作用可以抽象为不同单位之间的连接模式，如基因，蛋白质，个体生物体或物种，形成生物组织的层次结构。这个层次中的连接以嵌套结构排列：基因和蛋白质网络塑造表型特征，共同构成个体，个体嵌入种群，种群嵌入社区，社区嵌入生态系统。网络的这种普遍的“嵌套”可以导致从一个层次的层次内的相互作用的影响传播到更高或更低层次的组织单位。嵌套生物网络的概念隐含在各种学科中，从调节表型性状表达的遗传回路的研究（Babu et al. 2004）到影响群落组成的捕食者-猎物相互作用的研究（Poisot et al. 2016）。然而，研究通常只涉及直接相邻的层次内和之间的相互作用，如基因型和表型性状，或人口和社区。在这里，我们将嵌套网络形式化为具有可以包含或嵌入其他节点的节点，并且其中边缘可以桥接嵌入节点集之间的连接。然后，我们认为，明确占网络嵌套跨层次的组织将鼓励新的跨学科研究前沿的综合思维。我们特别关注两个现象：（1）单位之间的间接联系可能来自较高或较低组织层次的联系结构;（2）效应在相邻组织层次之间的传播。这种嵌套交互网络的框架为跨学科的研究人员提供了一种工具，可以将他们的工作概念化为一个公共支架上的元素。
2018-09-17 q-bio.PE
Phase Space Formulation of Population Dynamics in Ecology
本文提出了生态学中种群动力学的相空间理论。这一理论适用于某一类动力系统，这类动力系统被称为M-系统，对于M-系统，可以在相空间中定义守恒量M-函数。这个M函数是时间位移的生成器，包含了系统的所有动力学信息。在这个意义上，M函数在力学系统中扮演着哈密顿函数的角色。在类比与汉密尔顿理论，我们推导出的运动方程作为衍生物的资源功能在相空间。定义了一个M-括号，它允许一个类似于哈密顿系统的泊松括号进行几何处理。我们表明，运动方程可以从一个变分原理超过一个功能J的轨迹。这个泛函对M-系统的作用与作用量S对哈密顿系统的作用相同。最后，证明了种群动力学中的三个重要系统，即Lotka-Volterra系统、自食系统和逻辑进化系统都是M-系统。
2013-04-08 math-ph math.MP q-bio.PE
StatEcoNet: Statistical Ecology Neural Networks for Species Distribution Modeling
Oregon State University（俄勒冈州立大学）；Swiss Ornithological Institute（瑞士鸟类学研究所）
本文重点讨论了计算可持续性和统计生态学中的一个核心任务：物种分布模型（SDM）。在SDM中，一个物种在景观上的出现模式是根据一组位置的观测结果，通过环境特征来预测的。起初，SDM可能看起来是一个二进制分类问题，并且人们可能倾向于使用经典工具（例如，然而，野生动物调查在物种观测中引入了结构化噪声（特别是计数不足）。如果不考虑这些观测误差，这些观测误差会使SDM系统性地产生偏差。为了解决SDM的独特挑战，本文提出了一个框架，称为StatEcoNet。具体而言，这项工作采用了统计生态学中的图形生成模型作为骨架的建议的计算框架，并仔细集成神经网络的框架下。StatEcoNet的优势，相关方法的模拟数据集，以及鸟类物种的数据证明。由于空间数据模型是生态科学和自然资源管理的关键工具，StatEcoNet可以为具有重大社会影响的广泛应用提供更强的计算和分析能力，例如，研究和保护濒危物种。
2021-02-18 cs.LG q-bio.PE stat.ML
Stochastic spatial models in ecology: a statistical physics approach
生态系统表现出复杂的空间组织。生态学家长期以来一直试图通过观察不同的生物多样性指标在空间尺度上的变化来描述它们。生态学中性学说〈动〉<动>提供了简单的预测，解释了竞争物种群落的一般经验模式。然而，虽然中性学说〈动〉<动>在混合生态系统中的数学理解很好，空间模型仍然存在一些开放的问题，限制了空间生物多样性的定量理解。在这篇综述中，我们讨论了空间中性学说〈动〉<动>的最新进展。我们强调空间生态模型和非平衡相变物理之间的联系，以及统计物理学中的概念如何在种群动力学中转化，反之亦然。我们专注于非平凡的尺度律产生的临界尺寸D = 2的空间中性模型，以及它们的相关性的生物种群居住在二维环境中。最后，我们讨论的模型，将非中性的影响，在空间和时间的混乱的形式，并分析他们的预测如何偏离那些纯粹的中性学说〈动〉<动>。
2017-12-12 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Statistical mechanics unifies different ecological patterns
最近，人们越来越关注使用最大相对熵（MaxREnt）作为生态学统计推断的工具。相反，在这里，我们提出MaxREnt作为一种工具，应用统计力学生态学。我们使用MaxREnt来解释和预测生态群落中的物种丰度模式，在给定的环境约束下的最可能的行为，以同样的方式，统计力学解释和预测热力学系统的行为。我们表明，MaxREnt统一了许多不同的生态模式：（i）在相对局部尺度上，预测的单峰生物多样性-生产力关系与草地群落的已发表数据非常一致，（ii）预测的稀有物种与丰富物种的相对频率与经验对数正态分布非常相似，（iii）解释了中性和非中性物种丰度模式，（iv）在更大的尺度上，预测生物多样性与生产力之间的单调关系符合物种-能量定律;（v）在资源丰富的群落中，预测能量等效和幂律自疏行为。我们确定这些生态模式和热力学系统的行为之间的数学相似性，并得出结论，生态模式的解释是不是唯一的生态，而是反映了通用的统计行为的复杂系统下的许多自由度非常一般类型的环境约束。
2007-12-13 q-bio.PE
Phase Diagrams of Quasispecies Theory with Recombination and Horizontal Gene Transfer
我们考虑个人之间的遗传信息转移如何影响相图和平均健身的本征和并行，或Crow-Kimura，模型的进化。在没有遗传转移的情况下，这些进化的物理模型考虑了大种群中独立个体基因组的复制和点突变。发生相变，使得在临界突变率以下形成可识别的准种。我们推广这些准种进化模型，包括水平基因转移。我们将展示如何转让的遗传信息改变相图和平均健身，并引入准种理论的亚稳定性，通过分析场理论映射。
2006-12-14 q-bio.PE
Comparison of tRNA and rRNA Phylogenies in Proteobacteria: Implications for the Frequency of Horizontal Gene Transfer
目前对细菌进化的研究主要基于对16S rRNA的研究。然而，这只是一个基因。已知细菌物种之间可以发生水平基因转移，尽管其频率和含义尚未完全了解。如果水平转移频繁，细菌就不会有单一的进化树，因为每个基因都会遵循不同的树。我们进行了系统发育分析的rRNA和tRNA基因变形菌（一个不同的组，其中许多完整的基因组序列是可用的）使用RNA特异性系统发育的方法，占二级结构的保护。我们比较了16S rRNA和23S rRNA的树与来自所有研究基因组中发现的29个tRNA基因的串联比对的树。tRNA基因分散在整个基因组中，如果水平转移频繁，就不会遵循相同的进化历史。然而，tRNA树在大多数方面与rRNA树一致。微小的差异几乎都可以归因于系统发育方法的不确定性或不可靠性。因此，我们的结论是，tRNA基因给出了一个连贯的图片的生物体的发育，水平转移的tRNA是太罕见，掩盖了信号的有机体树。有些tRNA基因并不存在于所有的基因组中。我们讨论了可能的解释所观察到的模式的存在和不存在的基因：这些涉及基因缺失，基因复制，和突变的tRNA反密码子。
2004-04-23 q-bio.PE
Quasispecies Theory for Horizontal Gene Transfer and Recombination
我们介绍了一个泛化的平行，或Crow-Kimura，和本征模型的分子进化代表人口中的个体之间的遗传信息的交换。我们研究了不同的遗传重组方案对种群中个体的稳态平均适应度和分布的影响，通过一个解析场论映射。我们调查了来自群体的水平基因转移和成对个体之间的重组。有些令人惊讶的是，准物种理论对现代生物学的这些非线性推广是可以解析求解的。对于双亲复合，我们发现两个选定的阶段，其中之一是光谱刚性。我们提出了精确的分析公式的平衡平均适应的人口，在最大值原则，这是普遍适用于任何排列不变的复制率函数。对于光滑的适应度景观，我们表明，当正上位相互作用存在，重组或水平基因转移引入了一个温和的负荷对选择。相反，如果适应度景观表现出负上位性，水平基因转移或重组通过增强对最适合的基因型的选择而引入优势。这些结果证明了突变决定论假说对于准种模型是成立的。对于不连续的单尖峰适应度景观，我们表明，水平基因转移没有影响的适应度，而重组降低适应度，并行和本征模型。我们提出的数值和分析结果，以及相图的不同情况下。
2008-12-12 q-bio.PE
sPEGG: high throughput eco-evolutionary simulations on commodity graphics processors
将群体遗传学整合到群落生态学理论中是生态学和进化的一个主要目标，但分析由此产生的模型在计算上是令人生畏的。在这里，我们描述sPEGG（$\underline{\textrm{s}}\textrm{imulating}$ $\underline{\textrm{P}}\textrm{henotypic}$ $\underline{\textrm{E}}\textrm{volution}$ on $\underline{\textrm{G}}\textrm{eneral Purpose}$ $\underline{\textrm{G}}\textrm{raphics Processing Units}$（GPGPU）），一个开源的，多物种的前向时间群体遗传学模拟器。使用单个商品GPGPU而不是单个中央处理器，我们发现sPEGG可以将生态进化模拟加速超过200倍，与中小型计算机集群的性能相当。
2016-03-30 q-bio.PE q-bio.QM
Gene cluster analysis method reliably identifies horizontally transferred genes and reveals their involvement in operon formation
操纵子的形成机制尽管提出了许多模型，但仍存在争议。虽然从其他物种获得基因，水平基因转移，被认为是发生，明确的具体案例一直没有。希望可靠地选择水平转移的基因并检查它们与操纵子的关系。我们在这里开发了一种方法，以确定候选人的水平转移基因的基础上最小化的基因簇插入/删除。为了选择一个基准组的积极水平转移基因对候选人集可以进行评估，我们设计了另一个程序使用基因间比对。与水平转移基因的基准集的比较表明，在候选人中没有大量的假阳性，表明该方法以高度的置信度识别水平转移基因。水平转移的基因至少占大肠杆菌、志贺氏菌和沙门氏菌基因的5.5%，其中约46%来自其他γ-变形菌。不仅信息基因，而且操作基因（那些参与管家的基因）水平转移的频率低于预期。大肠杆菌K-12操纵子的基因簇分析表明，水平转移产生了四个完整的操纵子和扩大两个操纵子，但删除干预基因的帐户没有操纵子的形成。我们认为操纵子通常是通过水平基因转移形成的。我们进一步表明，具有相关基本功能的基因往往存在于保守的操纵子中，而非保守操纵子中的基因通常会对生物体产生轻微的优势，并经常发生水平转移和衰变。
2006-09-13 q-bio.BM q-bio.PE
Evolutionary ecology of words
Graduate School of Informatics（信息学研究生院）；Nagoya University（名古屋大学）
本文提出融合 LLM、进化博弈论与智能体模型的词语进化生态学框架，通过词语互动、替代和突变模拟物种涌现，并以实验展示多样化种群的独特演化与共存。
2025-05-09 cs.AI cs.CL q-bio.PE
The infinitely many genes model with horizontal gene transfer
细菌物种的基因组比真核生物的基因组灵活得多。此外，细菌的分布式基因组假说指出，细菌种群中存在的基因总数大于每个个体的基因组。泛基因组，即细菌物种（或样品）的所有基因的集合，包括存在于所有活个体中的核心基因和仅由一些个体携带的辅助基因。为了利用辅助基因来适应环境力量，基因可以在个体之间水平转移。在这里，我们扩展了Baumdicker，Hess和Pfaffelhuber（2010）的水平基因转移的无限多基因模型。我们采取系谱学的观点，并给出了泛基因组中所有基因的联合系谱的构造-称为祖先基因转移图。作为应用，我们计算了水平基因转移的无限多基因模型下的几个统计量（如两个个体之间的差异数和基因频率谱）的矩。
2014-11-20 math.PR q-bio.PE
Quantifying Hierarchical Selection
本文利用信息论方法在 Tangled Nature 模型中研究进化生态学中的层级选择，发现物种集群可作为选择性群体行动并获得信息论主体性，为高阶结构在进化生态学中的重要性提供了定量证据。
2023-11-01 nlin.AO q-bio.PE
A probabilistic model for gene content evolution with duplication, loss, and horizontal transfer
我们介绍了一个马尔可夫模型的基因家族的进化沿一个遗传。该模型包括水平基因转移，基因复制和基因丢失率的参数，除了分支长度在单基因。不同生物体中基因家族大小变化的可能性可以在O（N+hM^2）时间和O（N+M^2）空间内计算，其中N是生物体的数量，$h$是遗传高度，M是家族大小的总和。我们应用该模型的基因内容的进化在Preoteobacteria使用的基因家族的COG（集群的Orthophosphorus组）数据库。
2005-09-27 q-bio.PE q-bio.QM
The effect of competition and horizontal trait inheritance on invasion, fixation and polymorphism
可遗传信息或“特征”（由遗传因子、内共生体或文化携带）的水平转移在生物体中很普遍。然而，目前的生态和进化理论解决HT是有限的。我们提出了一个建模框架的动态两个种群竞争资源和水平交换（转移），否则垂直遗传性状。竞争影响个人的人口统计，影响人口规模，这对转移的动态产生反馈。我们捕捉这种反馈与随机的个人为基础的模型，从中我们得到一个确定性的近似大人口。水平转移和竞争之间的相互作用使得有害性状（包括昂贵的质粒）的稳定（或双稳定）多态性维持成为可能。当迁移率是一个一般的密度依赖的形式，迁移随机性有助于人口波动。对于一个最初罕见的性状，我们描述了入侵和固定的概率动力学。当常住人口中竞争较弱时，HT对固定的加速作用更快。因此，HT可以有一个重大的影响，是固定的突变效应的分布，我们的模型提供了一个基础，HT对生态演化动力学和适应的影响的一般理论。
2015-11-29 math.PR q-bio.PE
Life is physics: evolution as a collective phenomenon far from equilibrium
进化是产生生物现象的基本物理过程。然而，它被广泛视为群体遗传学的一个子集，因此它的范围被人为地限制。因此，进化发生的速度以及它与生态学的耦合等关键问题还没有得到令人满意的解决和阐述。对进化过程缺乏广泛的认识和理解，可以说阻碍了生物学作为一门科学的发展，给它在医学、生态学和全球环境中的应用带来了灾难性的后果。这篇评论的重点是进化作为一个问题，在非平衡统计力学，其中的关键动力学模式是集体的，证明了过多的移动遗传因素，其作用在塑造进化已被现代基因组调查。我们将讨论凝聚态物理学概念如何在进化生物学中提供一个有用的视角，现代进化综合的概念缺陷，复杂性的开放式增长，以及演化动力学典型的自我参照性质。
2010-11-18 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Orientation of Fitch Graphs and Detection of Horizontal Gene Transfer in Gene Trees
水平基因转移事件划分基因树$T$，因此，它的叶子集为基因的子集，其进化历史仅由物种形成和复制事件描述。间接系统发生方法可用于从序列相似性或进化距离推断这样的分区$\mathcal{P}$，而无需关于基础树$T$的任何先验知识。在这方面的贡献，我们假设这样的分区$\mathcal{P}$的一组基因$X$，并独立地，估计$T$的原始基因树上$X$已被导出。然后，我们询问$T$和异种学信息（即，可组合$\mathcal{P}$以确定$T$中的水平转移边缘。我们表明，对于每对基因$x$和$y$与$x,y$是在$\mathcal{P}$的不同部分，它可以决定是否总是存在或从来没有存在一个水平的基因转移在$T$沿路径连接$y$和最近的共同祖先的$x$和$y$。这个问题相当于确定所谓的惠誉图中有向边$(x,y)$的存在或不存在;惠誉图是表示$\mathcal{P}$中集合之间依赖关系的更细粒度的图。然后，我们考虑推广到不充分解决的基因树，并表明可以得到类似的结果。我们表明，$(x,y)$的分类可以计算在恒定的时间线性时间预处理后。使用模拟的基因家族历史，我们观察经验，基因树$T$中的水平转移边缘的绝大多数可以明确地恢复。
2021-12-01 cs.DM math.CO q-bio.PE
Horizontal gene transfer: numerical comparison between stochastic and deterministic approaches
水平基因转移（HT）是指遗传物质在两个生物体之间的传递，而垂直传递是指DNA从父母转移到他们的后代。一致的实验证据表明，这种现象在某些细菌的进化中起着至关重要的作用。特别是，HT被认为是产生抗生素抗性的主要手段。在这项工作中，我们考虑几种模型来描述这种现象：一个随机跳跃过程（个人为基础的）和确定性的非线性积分微分方程作为一个限制大人口。我们还考虑了一个汉密尔顿-雅可比方程，作为一个小突变的假设下的确定性模型的限制。本文的目的是比较这些模型的数值模拟的帮助下。更具体地说，我们的目标是了解在何种程度上的汉密尔顿-雅可比模型再现的定性行为的随机模型，特别是进化救援的现象。
2019-06-27 math.AP math.PR q-bio.PE
