Quantification of metabolic niche occupancy dynamics in a Baltic Sea bacterial community
分子生物学方法的进步使得能够及时监测细菌种群。然而,由于微生物的巨大多样性,了解群落动态及其与生态系统功能的联系仍然具有挑战性。概念框架,使有意义的时间序列的分类丰富的细菌群落,就其潜在的生态功能,是必要的。组织生态功能的一个关键概念是生态位,这是一套使种群能够持续存在并确定其对周围环境影响的策略。在这里,我们提出了一个框架的基础上多方面的学习,组织基因组信息到潜在的占领细菌代谢生态位随着时间的推移。我们应用该方法来重建puerectin占据的代谢生态位的动态,使用长期的细菌时间序列从波罗的海,林奈微生物天文台(LMO)。结果揭示了一个相对低维的空间占据代谢生态位,包括具有类似的功能能力的类群。占据壁龛的时间模式强烈驱动的季节性。一些代谢生态位占主导地位的一个细菌类群,而其他被占领的多个类群,这取决于季节。这些结果说明了多种学习方法的力量,以促进我们对微生物系统中群落组成和功能之间联系的理解。
2022-08-10 q-bio.PE
Nutrient levels and trade-offs control diversity in a serial dilution ecosystem
微生物群落具有巨大的物种多样性,这种多样性与从生态系统稳定到医疗保健的结果有关。然而,微生物多样性背后的机制仍在争论之中。虽然简单的资源竞争模型不允许大量物种共存,但最近的研究表明,代谢权衡可以允许无限的多样性。这种多样性是否会随着更现实的、间歇性的营养供应而持续下去?在这里,我们从理论上证明,在连续稀释培养,代谢权衡允许高多样性。当向每个批次供应少量营养物时,连续稀释动力学模拟恒化器样稳态。如果提供更多的养分,多样性取决于由于“早起鸟”效应而提供的养分量。这种效应与不同的环境因素和多样性支持机制的相互作用导致了营养供应和多样性之间的各种关系,这表明真正的生态系统可能不服从普遍的营养多样性关系。
2020-08-17 physics.bio-ph q-bio.PE
Environmental toxicity influences disease spread in consumer population
传染病的研究长期以来一直受到生态学家的关注。流行病的开始和长期的疾病动态在很大程度上受到潜在的消费者(宿主)-资源动态的性质的影响。这些系统的生态特征可能经常受到持续的人类活动在环境中释放的毒素的调节。这一点,除了毒素介导的流行病学特征的改变,对生态系统中的疾病进展有显着的影响,这是很少研究。为了解决这个问题,我们考虑了一个数学模型的疾病传播的消费者群体中的多个性状受到环境毒素的影响。长期动态表明,环境毒素的水平决定了病害的持续性,在某些情况下,毒素的增加甚至可以根除病害。此外,我们的研究结果表明,不同的生态系统状态之间的双稳定性和突然过渡的可能性,从无病共存疾病引起的消费者灭绝。总的来说,这项研究的结果将帮助我们获得基本的见解疾病传播的自然生态系统中面对目前的人为变化。
2022-11-15 q-bio.PE
Natural Averaging May Complement Known Biological Constraints in Bi-parental Reproduction's Advantages Over Mono-parental in Conserving Species Quantitative Traits
本研究通过数学分析与模拟发现,双亲繁殖的性状混合本质会产生普遍统计效应,使数量多基因性状传递偏差小于无性繁殖,该效应独立于已知生物学机制,有助于维持物种与生态系统稳定,或推动有性生殖进化。
2024-11-14 q-bio.PE
Diversity, stability, and reproducibility in stochastically assembled microbial ecosystems
微生物生态系统是非常多样的,稳定的,通常由核心和外围物种的平衡混合物组成。在这里,我们提出了一个概念模型,展示所有这些新兴的属性与真实的生态系统数据,特别是物种的丰度和流行分布的定量协议。在我们的模型中,资源竞争和代谢的竞争驱动随机生态系统组装。我们证明,即使只提供一种资源,生态系统可以表现出高度的多样性,增加稳定性,并在样本之间的部分重现性。
2017-11-02 cond-mat.stat-mech q-bio.MN q-bio.PE
Energy-ordered resource stratification as an agnostic signature of life
本文提出一种独立于特定代谢假设的新生物特征:化学资源按能量递减顺序的涌现分层,该方法基于竞争性生态系统的最小模型,适用于样本返回任务和探测地球古代生命。
2024-12-23 physics.bio-ph q-bio.PE
Species traits and community properties explain species extinction effects on detritus-based food webs
土壤群落功能组成的变化对养分循环的影响仍然没有很好的理解。模拟群落动态的模型克服了在野外进行物种去除实验的技术挑战。然而,到目前为止,现有的土壤食物网〈动〉<动>模型不能充分代表有机质加工链,这是土壤动力学的关键。在这里,我们提出了一个新的土壤食物网〈动〉动>动态模型占异速生长的代谢率,有机质的个体发育,并明确表示氮和碳流量。我们用这个模型来研究什么样的性状是物种对群落生产力和养分循环影响的最佳预测因子。要做到这一点,我们删除了161营养物种(功能相同的物种组)一次从48个森林土壤食物网,并模拟他们的动态,直到平衡。模拟结果表明,性状的组合更好地确定去除效果比单一的。最小的物种是最具竞争力的物种,但不同体重的食肉动物表现出最高的连通性和资源相似性,可能是调节竞争力的关键石种。尽管如此,大多数清除效果较低,这表明功能冗余提供了一个高电阻的土壤食物网单一营养物种灭绝。我们还首次强调,食物网〈动〉<动>结构和土壤肥力可以以不可预测的方式彻底改变物种效应。此外,在过去的研究中,排除碎屑和化学计量的限制导致低估的间接影响和追溯。虽然还需要开展更多的工作,以纳入食草动物之间的互补性,但必须在模型中考虑到这些机制,以便更好地了解土壤食物网〈动〉<动>的功能。
2019-02-11 q-bio.PE
Linking individual bioenergetics to ecosystem dynamics with integral projection models
University of Oxford(牛津大学);Griffith University(格里菲斯大学);National Park Service(国家公园管理局);The Pennsylvania State University(宾夕法尼亚州立大学);Utah State University(犹他州立大学)
本研究拓展积分投影模型,构建含多物种、营养循环的模型,以黄石北部动物群数据验证,揭示捕食者对野牛及植被的影响,适用于生态管理与预测。
2026-08-31 q-bio.PE
Emergence of ecological structure and species rarity from fluctuating metabolic strategies
本研究通过随机消费者-资源模型解析了代谢策略波动对物种共存的影响,发现波动促进高多样性和稀有性分布,且多样性在物种-资源比率及波动幅度的中间值达到峰值。
2025-08-05 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
A framework for analyzing ecological trait-based models in multi-dimensional niche spaces
我们开发了一种理论方法来预测多维生态位空间中的生物多样性,由于生态驱动因素,如竞争性排斥。我们的方法的新颖性依赖于这样一个事实,即生态位是由字符串序列描述的,这使我们能够描述多个性状。我们定义的数学框架分析模式形成不稳定性在这些模型中,令人惊讶的是,分析线性理论预测的渐近长时间的人口分布的模型中的小生境。我们提出了一个测试,以确定生物多样性分布的生态驱动程序,代表生态系统数据的基础上,通过一定的转换引入的理论。
2015-02-27 cond-mat.stat-mech math.SP q-bio.PE
Heterogeneity of Interaction Strengths and Its Consequences on Ecological Systems
生态系统是由物种网络及其相互作用形成的。这种相互作用的传统模型假设一对给定物种之间的相互作用强度恒定。然而,即使在同一物种内,个体生物之间也往往存在显着的性状变异,这导致了它们与其他物种相互作用强度的异质性。这种异质相互作用对生态系统的影响尚未得到系统的研究。作为一种理论探索,我们分析了一个简单的生态系统与两个捕食者和一个共享的猎物之间的营养相互作用,这将表现出竞争排斥模型与均匀的相互作用。我们考虑几种情况下,个体的猎物物种分化成不同的相互作用强度的亚群。我们表明,在所有这些情况下,无论异质性是固有的,可逆的,或适应性,生态系统可以稳定在一个新的平衡,所有三个物种共存。此外,与其捕食者具有异质性相互作用的猎物种群达到比没有异质性时更高的密度,甚至可以在两个捕食者存在时达到比只有一个捕食者更高的密度。我们的研究结果表明,异质性可能是一个自然选择的生态相互作用,生态系统的稳定性和多样性的重要后果的功能。
2022-04-29 q-bio.PE
Path-integral solution of MacArthur's resource-competition model for large ecosystems with random species-resources couplings
我们解决了麦克阿瑟的资源竞争模型与随机物种资源耦合的“热力学”的限制,无限多的物种和资源,使用动态路径积分一拉德Domincis。我们分析了稳态图片如何改变修改后的几个参数,包括代谢策略(编码物种的偏好)和最大资源水平(承载能力)的异质性程度,并讨论其稳定性。最后,通过分析一个有效的单物种一资源生态系统,这是完全等效于原来的多物种之一,由其他方法得到的情况下恢复。这里使用的技术可以应用于分析其他模式的生态系统相关的版本麦克阿瑟的模型在这里考虑。
2021-10-18 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Modeling microbial cross-feeding at intermediate scale portrays community dynamics and species coexistence
微生物之间的社会相互作用可以在许多细节层面上描述,从细胞间相互作用的生物化学到种群的生态动力学。选择最佳水平来模拟微生物群落而不失一般性仍然是一个挑战。在这里,我们建议在一个中间水平的交叉喂养的相互作用模型之间的基因组规模的代谢模型的个别物种和消费者资源模型的生态系统,这是适合于经验数据。我们将我们的方法应用于三个已发表的多菌株大肠杆菌群落的例子,这些大肠杆菌群落的复杂性越来越高,包括可替代的代谢副产物或必需营养素的单向,双向和多向交叉喂养。中等规模的模型准确地描述了经验数据,并可以量化的交换率难以捉摸的其他手段,如副产物分泌物,即使是一个复杂的社区的14个氨基酸营养缺陷型。我们使用这三个模型来研究每个社区对干扰的鲁棒性限制,例如资源供应,抗生素治疗和其他“骗子”物种的入侵。我们的分析提供了一个基础,以量化交叉喂养的相互作用,从实验数据,并强调了代谢交换的微生物群落的动态和稳定性的重要性。
2020-02-19 q-bio.CB q-bio.PE
How network temporal dynamics shape a mutualistic system with invasive species?
生态网络使我们能够研究生态系统的结构和功能,并深入了解物种的恢复力/稳定性。对这种生态网络的研究通常是集中在有限的特定空间和时间范围内的快照,阻碍了我们感知生态过程的真实动态。根据定义,外来物种具有一些生态策略和特征,使其能够比本地物种更好地竞争(例如没有捕食者,不同的开花期,高生长率等)。植物-传粉者网络为整个生态系统提供了宝贵的服务,外来物种的引入可能对本地网络产生不同的影响(竞争促进、本地物种灭绝等)。虽然科学家们承认网络连接在推动生态系统服务方面的重要性,但将临时网络纳入生态模型仍处于起步阶段。我们建议使用现有的季节性数据来开发一个模拟平台,显示网络的时间性和入侵特征之间的推理。我们的重点只是拿起一些简单的模型来表明,理论上的时间方面发挥作用(不同的灭绝模式),鼓励生态学家参与时间网络。此外,衍生的模拟可以进一步扩展和调整到其他生态问题。
2014-07-16 cs.MA math.DS nlin.AO
Sheldon Spectrum and the Plankton Paradox: Two Sides of the Same Coin. A trait-based plankton size-spectrum model
谢尔顿谱描述了水生生态系统中一个显著的规律性:生物量密度作为对数体重的函数在许多数量级上近似恒定。虽然尺寸谱模型解释了这种现象的多细胞生物的组合,本文介绍了一个物种分辨的尺寸谱模型来解释单细胞浮游生物的现象。一个涵盖单细胞浮游生物细胞大小范围的谢尔登谱必然由大量共存的物种组成,这些物种涵盖了广泛的特征大小。以少量资源为食的许多浮游植物物种的共存被称为浮游生物的寄生虫。我们的模型解决了悖论,表明共存是促进异速生长缩放的四个生理率。两个异速生长的经验支持,其余两个出现从捕食者-猎物的相互作用时,丰度遵循谢尔顿频谱。我们的浮游生物模型是一个基于尺度不变特征的尺寸谱模型:它描述了浮游植物和浮游动物细胞的丰度作为大小和物种特征(细胞分裂前的最大大小)的函数。它包括由于资源消耗和捕食较小细胞而导致的生长,由于捕食而导致的死亡,以及灵活的细胞分裂过程。我们给出了在稳定状态下的物种内的大小分布和跨物种的相对丰度的解析解。
2016-07-14 physics.bio-ph q-bio.PE
Estimating the probability of coexistence in cross-feeding communities
许多微生物生态系统的动力学是由交叉喂养相互作用驱动的,其中一些物种分泌的代谢物被其他物种进一步代谢。这种生态系统的种群动力学受频率依赖选择的支配,这种选择允许两个或两个以上的物种稳定共存。本文分析了一个基于复制子方程的交叉取食模型,目的是在给定三个物种在三个单独的对中共存的能力的信息,即三个两物种组成系统的长期动态的情况下,建立三个物种共存的准则。三重系统的统计研究和共存的物种三重态的概率计算两种模型的物种相互作用。的相互作用参数建模为随机独立或组织在一个层次结构中,任何衍生的代谢物携带的能量比以前的营养物质在代谢链中。我们区分不同的共存模式相对于成对的动态的物种,并发现共存的概率接近$\frac12$的三重系统与三个成对共存对和所谓的不传递系统。系统与两个和一个成对共存对更有可能存在随机相互作用参数,但另一方面,不太可能表现出三重共存。因此,我们得出结论,从统计学的角度来看,某些物种的三胞胎是罕见的,但如果允许相互作用,则可能共存。这些知识可能有助于构建用于工业目的的合成微生物群落。
2016-08-15 q-bio.PE
Dynamic virtual ecosystems as a tool for detecting large-scale responses of biodiversity to environmental and land-use change
生态系统受动态过程的支配,如对资源的竞争、繁殖和扩散。这些因素塑造了它们的生物多样性以及系统如何应对变化。目前的方法来模拟生态系统,特别是植物,侧重于描述个别物种的细尺度过程或广泛的模式,为有限的植物功能类型的群体。植物标本馆和其他植物记录的数字化释放了大量信息,可用于驱动植物群落模型,并预测它们在不同气候变化情景下的未来。计算能力的提高和快速、高级编程语言的出现允许以前所未有的规模模拟这种景观。在这里,我们展示了一种通过综合物种特征环境建模(EcoSISTEM)进行生态系统模拟的工具,该工具可以模拟多个生态系统大小的植物物种,从斑块和小岛到区域和整个大陆。这些模拟的生态系统支持产生许多不同类型的栖息地的能力,以及再现不同的干扰情景,如气候变化,栖息地丧失和入侵。EcoSISTEM还通过整合植物发生记录和全球气候重建来再现真实世界物种分布的例子,以模拟过去一个世纪以来整个非洲大陆的植物物种。EcoSISTEM使我们能够灵活地探索一个大陆上成千上万个物种相互作用的动态。代码在高性能计算平台上的多个节点上高效并行,并已扩展到在1000多个核心上运行。它使我们能够研究气候,资源和栖息地变化的影响,并调查围绕气候变化和生物多样性丧失的现实机制。
2023-03-13 q-bio.PE q-bio.QM
Innate behavioural mechanisms and defensive traits in ecological models of predator-prey types
本文构建了具有诱导型防御的捕食者-猎物模型,并扩展至含扩散和taxis的时空模型,揭示了防御水平、干扰率、处理率及初始种群对系统稳定性、双稳态和斑图形成的影响。
2025-01-03 q-bio.PE
Revive, Restore, Revitalize: An Eco-economic Methodology for Maasai Mara
针对马赛马拉生态退化问题,构建包含71种动物和10类人类的智能体模型,制定21项管理策略,通过TOPSIS和熵权法评估十年政策效果,找到兼顾环保与经济的最佳方案。
2023-09-11 q-bio.PE
Enzyme regulation and mutation in a model serial dilution ecosystem
微生物群落在自然界中无处不在,并且有多种形式,从由少数物种主导的群落到包含各种代谢不同生物体的群落。这种多样性的巨大范围并不奇怪-微生物多样性与具有重要生态和医学意义的结果有关。然而,微生物多样性背后的机制仍在争论中,因为简单的数学模型只允许有资源的物种共存。已经提出了大量的机制来解释微生物多样性的起源,但许多这些分析忽略了真正的微生物生态系统的一个关键特性:微生物本身在几代内和几代之间改变其生长特性的倾向。为了探索这一关键属性对微生物多样性的影响,我们扩大了最近开发的模型波动环境中的微生物多样性。我们以两种不同的方式实现增长战略的变革。首先,我们考虑在短的生态时间内细胞酶水平的调节,其次我们考虑跨代突变驱动的进化变化。有趣的是,我们发现这两种类型的微生物对环境的反应可能会产生截然不同的结果。酶调节可能会在足够长的时间内破坏多样性,而相反,策略随机突变可以产生促进多样性的“富人变穷”效应。这项工作明确,使用一个简单的系列稀释的框架,微生物的适应和进化可以影响社区多样性的冲突的方式。
2021-08-22 physics.bio-ph q-bio.PE
Resource and population dynamics in an agent-environment interaction model
Cergy Paris Université (CYU)(塞吉-巴黎大学);Laboratoire de Physique Théorique et Modélisation (LPTM) (UMR 8089)(理论与建模物理实验室)
该研究提出一个代理-环境交互模型,探讨资源与种群动态的关系,揭示种群大小与能量、代谢及资源获取之间的复杂关联。
2025-12-09 physics.bio-ph q-bio.PE
How neutral and niche forces contribute to speciation processes?
物种起源背后的进化和生态过程是生物学中最基本的问题之一。事实上,关于不同类型的物种形成,已经提出了许多理论假说。特别是,导致新种〈动〉形成而没有地理隔离〈动〉的同域物种形成模型是基于生态位假设:种群的多样化是由对有限的可用资源的竞争引起的。另一方面,中性进化模型表明,随机力足以产生不同物种的共存。在这项工作中,我们把这种二分法的背景下,物种的形成,我们研究如何中性和生态位的力量有助于同域物种形成的模式生态系统。特别是,我们研究了一个群体的进化与无性生殖的遗传特征或表型指定的生态位为基础的和中性性状的个人。我们分析了动态的稳态,并研究了个体在整个可能表型空间中的分布。我们通过数值模拟和分析表明,在种群进化中由随机效应引起的中性力和小生境力之间存在非平凡的耦合,这使得集群的形成(即,物种)在表型空间。我们的框架也可以推广到有性生殖或其他类型的种群动力学。
2018-11-19 q-bio.PE
Covariations in ecological scaling laws fostered by community dynamics
生态学中的标度律,作为生态相关量之间的函数关系和表征其发生的概率分布,长期以来一直吸引着生态学家和理论家的兴趣。经验证据表明,幂律与栖息在生态系统中的物种数量、它们的丰度和特征有关。虽然它们的函数形式似乎是普遍存在的,经验标度指数不同的生态系统类型和资源供应率。生态标度律是联系在一起的这一想法以前就已经被考虑过了,但是宏观生态格局协变的全部程度、有限资源供给所施加的约束的作用以及全面的经验验证仍然没有被探索。在这里,我们提出了一个理论的缩放框架,预测几个宏观生态模式的联系有关的物种的丰度和身体大小。我们表明,这样的框架是一致的平稳状态统计的资源有限的社区动力学模型,无论参数化和模型假设。我们通过对比经验数据来验证预测的理论协变,并为尚未探索的模式提供可检验的假设。因此,我们把观察到的生态标度指数的变化到一个连贯的统计框架,在生态模式嵌入约束波动。
2017-10-17 nlin.AO physics.bio-ph physics.data-an
Interplay of spatial dynamics and local adaptation shapes species lifetime distributions and species-area relationships
物种寿命和物种在空间的分布是相关的,因为具有良好的本地生存机会的物种有更多的时间来殖民新的栖息地和栖息在大面积的物种有更高的机会生存的本地干扰。然而,这两种分布在大多数独立的社区中进行了讨论。在这里,我们研究这两种模式,同时使用一个空间上明确的,进化的社区组装方法。我们提出并研究了一个元共生模型,由一个网格的补丁,其中每个补丁包含一个本地的食物网〈动〉<动>。物种的生存依赖于捕食和竞争的相互作用,这反过来又取决于物种的身体质量作为关键性状。该系统的演变是由于物种迁移到邻近的补丁,增加新种〈动〉<动>作为现有物种的修改,和当地灭绝事件。因此,每个局部食物网〈动〉<动>的结构以自组织的方式出现,作为这些过程的相对时间尺度的高度非平凡的结果。我们的模型产生了大量的各种复杂的,多营养网络,因此作为一个强大的工具,调查生态系统的长时间和大空间尺度。我们发现,所观察到的寿命分布和物种面积的关系类似于幂律在适当选择的参数范围内,从而同意定性与实证研究结果。此外,我们观察到强大的有限尺寸效应,和依赖的关系上的物种的营养水平。通过将我们的结果与文献中发现的简单中性模型进行比较,我们确定了负责指数值的特征。
2019-02-12 q-bio.PE
A theory of ecological invasions and its implications for eco-evolutionary dynamics
针对生态反馈导致物种入侵结果难预测的问题,提出适用于多类模型的通用生态入侵理论,推导解析表达式并引入“修饰入侵适合度”,验证了突变体-亲本共存现象,为生态进化动力学提供理论支撑。
2025-08-21 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech q-bio.PE