Stochasticity enhances the gaining of bet-hedging strategies in contact-process-like dynamics
在生物学和生态学中，生活在不可预测的环境中的个体或个体群体经常在不同的进化策略之间交替，以传播和降低风险。这种行为通常被称为“下注对冲”。“通过利用这种混合策略，可以大大提高长期生存概率和种群规模。在这里，我们研究了最简单的可能的出生-死亡随机模型，在这个模型中，个体可以在一个糟糕但安全的策略、一个更好但有风险的替代方案或两者的组合中进行选择。我们的分析和计算表明，来自下注对冲策略的好处是更强的更高的环境变化（大的外部噪声）和/或小的空间维度（大的内在噪声）。这些情况通常是生命系统所遇到的，因此为我们提供了一个可能的理由来解释自然界中无处不在的下注对冲。
2015-03-10 cond-mat.stat-mech nlin.AO q-bio.PE
Theory of time-averaged neutral dynamics with environmental stochasticity
竞争是种群动力学的主要驱动力，它塑造了种群的遗传组成和生态群落的组装。中性模型假设所有的个体都是等价的，并且动态受人口统计（散粒）噪声的支配，具有反映突变-灭绝平衡的稳态物种丰度分布（SAD）。最近，许多经验和理论研究强调了环境变化的重要性，一致地影响整个种群的相对适合度。在这里，我们考虑两个一般的时间平均中立模型，在这两个相对适合度的每个物种的波动独立的时间，但其平均值为零。第一个模型（模型A）描述了一个具有局部竞争和出生死亡率线性适应度依赖的系统，而在第二个模型（模型B）中，竞争是全局的，适应度依赖是非线性的。由于这种非线性，模型B承认噪声诱导的稳定机制，促进新的突变体的入侵。采用自洽平均场方法将多种群问题转化为两种群问题，并给出了新出现的Fokker-Planck方程组的大$N$渐近解.我们的解析表达式，以适应SAD从广泛的蒙特卡罗模拟和相应的主方程的数值解。
2018-01-15 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Dominance to egalitarian transition in diverse communities
本文通过分析稀有种群动态缓慢现象，识别出群落结构的优势相与平等相，并用超多样群落实证验证了 demographic stochasticity 对常见性与稀有性格局的影响。
2024-09-30 nlin.AO q-bio.PE
Coexistence in the face of uncertainty
在过去的一个世纪里，非线性差分和微分方程被用来理解物种共存的条件。然而，这些模型未能考虑到随机波动，由于人口和环境的随机性，这是经历了所有人口。我回顾了最近的一些数学结果的持久性和共存的模型占这些形式的随机性。人口统计随机性源于由有限数量的相互作用的个体组成的群体和社区，并且通常由具有可数数量状态的马尔可夫模型表示。对于有限世界中的封闭种群，灭绝发生在有限的时间内，但之前可能有长期的瞬变。准平稳分布（QSD）的这些马科夫模型的特征，这种亚稳定的行为。对于足够大的“栖息地大小”，QSD集中在确定性模型的正吸引子。此外，灭绝的概率呈指数下降与栖息地的大小。另外，环境随机性源于影响生存、生长和繁殖的环境条件的波动。随机差分方程可以用来模拟环境随机性对种群和群落动态的影响。对于这些模型，随机持久性对应于对任意低的人口密度赋予任意小的权重的经验措施。综述了随机持久性的充分必要条件。这些条件涉及加权组合的李雅普诺夫指数对应的“平均”人均增长率的稀有物种。结果表明，与湾棋盘斑蝶，耦合汇人口，存储效果，和随机的岩石纸，纸，植物群落。提出了待解决的问题和解决办法。
2016-09-23 math.DS math.PR q-bio.PE
Evolutionary forces in language change
University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）
语言和基因都是代代相传的，有机会进行差异繁殖和形式的生存。在这里，我们应用一个严格的推理框架，从群体遗传学得出，区分语言变化的两个广泛的机制：漂移和选择。漂移是由传播中的随机性引起的变化，它可能发生在语言形式之间没有任何内在差异的情况下;而选择则真正是由内在差异产生的进化力量-例如，当一种形式被人口中的成员所偏好时。使用大型语料库的解析文本跨越12世纪到21世纪，我们分析了英语语法变化的三个例子：过去时态动词的规则化，迂回的“做”的兴起，以及动词否定的句法变化。我们表明，我们可以拒绝随机漂移有利于选择性的力量驱动这些语言的变化，但不是其他人。漂移的强度取决于单词的频率，因此漂移为为什么有些单词比其他单词更容易变化提供了另一种解释。我们的研究结果表明，随机性在语言变化的重要作用，他们提供了一个空模型，对语言进化的选择性理论必须进行比较。
2016-08-02 cs.CL q-bio.PE
Fluctuating growth rates link turnover and unevenness in species-rich communities
Max Planck Institute for Evolutionary Biology（马普进化生物学研究所）
该研究通过最小模型探讨了物种丰富社区中波动增长率如何影响不均性和物种灭绝，并揭示了生态过程对多样性结构的重要性。
2025-12-03 q-bio.PE
Selection Against Demographic Stochasticity in Age-Structured Populations
研究表明，繁殖力方差的差异可以影响种群中基因型的入侵概率，即后代数量方差较低的基因型在有限种群中可能受到青睐，即使它的平均适合度比竞争者略低。在本文中，Gillespie的结果被扩展到人口遗传系统的明确的年龄结构，在人口统计方差（增长率的方差）的工作中计算的Engen和同事被用来作为一个推广的“后代数量的方差”来预测之间的相互作用的确定性和随机的力量驱动的等位基因频率的变化。通过计算方差的生活史〈动〉<动>参数，它表明，选择对方差的增长率将有利于基因型具有较低的随机性，年龄特异性的生存和生育率。一个扩散近似的选择和漂移的两种基因型与不同的生活史〈动〉<动>矩阵（因此，不同的增长率和人口统计学方差）的人口推导和显示是一致的与个人为基础的模拟。有人还认为，对于有限的人口，扰动分析的增长率和人口方差可能是必要的，以确定“健身”（广义）的生活史<动>参数的变化的敏感性。
2007-05-17 q-bio.PE
Consistent determination of stability regimes in natural ecological communities from abundance time series
Universidad Politécnica de Madrid（马德里理工大学）；CEAB-CSIC（西班牙国家研究委员会生态与生物多样性研究所）
本文提出一个统计框架，利用动力学平均场理论从丰度时间序列直接推断自然生态群落的稳定性状态，无需重建相互作用网络，并定量估计物种灭绝风险。
2026-09-25 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
Universal abundance fluctuations across microbial communities, tropical forests, and urban populations
研究跨尺度复杂群体缺乏统一分析的问题，首次用共享框架分析人类肠道微生物组、热带森林和城市就业数据，提出三参数随机群体动态模型重现其丰度波动，并推导出双参数函数形式以改进风险估计和预测。
2023-09-13 cond-mat.stat-mech physics.soc-ph q-bio.PE
Stochastic competitive exclusion leads to a cascade of species extinctions
群落生态学传统上依赖于竞争排斥原则，这是描述物种聚集的概念框架中的一个共同智慧。群落生态学中的关键概念，如限制相似性和生态位划分，是基于竞争排斥。然而，生态学中的这一经典范式依赖于来自简单的确定性模型的影响。在这里，我们展示了如何预测的对称，确定性模型的方式进行的预测可以完全不同的结果来自同一个模型时，明确考虑生态漂移（人口随机性）。使用分析近似的稳态条件概率与两个和三个物种的组合，我们表明，随机竞争排斥导致级联的precautions，而对称的，确定性的模型预测的物种的多重崩溃。为了检验我们的结果的鲁棒性，我们研究了环境随机性的影响，并放松了物种对称性假设。我们的结论突出了随机性的关键作用时，得出可靠的理论预测物种群落组装。
2016-08-11 q-bio.PE
Self-organized pattern synchronization modulated by stochasticity in coupled plankton ecosystems
School of Ecology, Sun Yat-sen University（中山大学生态系统学院）；School of Physics, Sun Yat-sen University（中山大学物理学院）；School of Mathematical Sciences, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学数学科学学院）
研究通过构建两层浮游生物生态模型，揭示被动扩散耦合在维持空间同步与鲁棒性中的作用，发现耦合强度超过阈值后可使独立的Turing模式转变为完全同步模式，并增强模式对环境噪声的稳定性。
2026-03-25 nlin.PS physics.bio-ph 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
When do we have the power to detect biological interactions in spatial point patterns?
确定环境因素的相对重要性，生物相互作用和随机性在组装和维持物种丰富的社区仍然是生态学的一个重大挑战。在植物群落中，不同物种个体之间的相互作用预计会在与相互作用的空间尺度相关的距离上以正或负空间相关的形式留下空间特征。大多数使用空间点过程工具的研究发现，物种对之间的相互作用的证据相对较少。在物种较少的群落中，往往会检测到更多的相互作用。然而，目前还没有了解如何检测空间相互作用的力量可能会随着样本量的变化，或规模和相互作用的强度。我们使用一个简单的2-物种模型，其中相互作用的规模和强度被控制来模拟点模式数据。结合我们采样的空间汇总统计量的方差的近似值，我们研究了当前空间点模式方法正确拒绝二元物种独立性的空模型的能力。我们发现，检测相互作用的能力与测试物种的丰度以及相互作用的强度和规模呈正相关。丰度的日益不平衡对检测相互作用的能力有负面影响。在种群规模通常发现在目前可用的数据集物种丰富的植物群落，我们发现只有一个非常低的功率来检测相互作用。权力的差异可以解释在物种较少的群落中相互作用的频率增加。此外，检测到的全群落相互作用频率对将物种纳入分析的最低丰度标准非常敏感。
2018-03-17 q-bio.PE stat.ME
When do correlations reflect biological similarity in ecological dynamics?
Bar-Ilan University（巴伊兰大学）
本文通过随机群落模型分析生物相似性与丰度相关性的关系，发现Lotka-Volterra框架无法满足相关性要求，而消费者-资源模型中相关性的解释取决于噪声路径。
2026-06-23 q-bio.PE
Fixation and absorption in a fluctuating environment
在群体遗传学、进化和群落生态学领域中的一个基本问题是引入到有限的野生型群体中的单个突变体或入侵者的命运。对于一个由$N$个体组成的固定大小的群体，在随机出生-死亡事件驱动的马尔可夫零和动态下，突变群体最终达到固定或灭绝。Kimura和他的同事提供的经典分析集中在中性情况下，[动态仅归因于人口统计学随机性（漂移）]和\emph{time-independent}选择力（有害/有益突变）。然而，理论论证和实证分析都表明，在许多情况下，选择力随时间波动（时间环境随机性）。在这里，我们考虑一个通用模型的人口统计噪声和波动的选择系统。我们的系统的特点是由时间平均（日志）的健身$s_0$和零均值健身波动。这些波动又通过其幅度$γ$和其相关时间$δ$来参数化。我们提供了固定机会、平均固定时间和平均吸收时间的渐近（大$N$）公式。我们的表达式正确地插入之间的常数选择限制$γ\to 0$和时间平均中性的情况下$s_0=0$。
2017-10-24 q-bio.PE
Description of the Early Growth Dynamics of 2014 West Africa Ebola Epidemic
${\bf Background:}$西非埃博拉病毒流行的早期增长动态在几内亚、塞拉利昂和利比里亚有着质的不同。然而，重要的是要理解这些不同的动态，作为一种单一的流行病在具有相似地理和文化方面的地区传播的趋势，传播率和繁殖数$R_0$可能有共同的参数。${\bf Methods:}$我们结合一个离散的，随机的SEIR模型与两个规模的社区网络模型，以证明不同的区域趋势可以解释不同的社区混合率。从启发性的角度来看，不同的社区混合率的影响可以理解为观察到被同一传播链感染的两个人在混合程度较低的社区中更有可能相互认识。当受感染个体的接触者更有可能已经暴露于同一传播链时，就会出现饱和效应。${\bf Results:}$社区混合的影响，加上随机性的影响，可以解释每个国家埃博拉病毒病例增长的质的差异，以及为什么最近爆发大规模疫情的概率可能增加。8月下旬几内亚埃博拉病例率的增加，以及利比里亚埃博拉病例的短暂动态的当地拟合，表明利比里亚的疫情更为严重，几内亚的疫情正在恶化，这是由于疫情蔓延到新社区时的离散播种事件。${\bf Conclusions:}$一个相对简单的网络模型提供了对局部效应（如饱和度）作用的深入了解，否则很难量化。我们的研究结果预测，疫情的指数增长是由新社区的暴露驱动的，这强调了限制这种传播的控制措施的重要性。
2014-10-20 physics.soc-ph q-bio.PE
Extinction drives emergent metastability in complex ecosystems
University of Bath（巴斯大学）
该研究将种群统计随机性纳入复杂生态系统的规则模型，发现其通过剔除低丰度物种提升系统稳定性，存活物种比例呈重尾衰减，使生态系统在混沌确定性极限下自稳定并涌现亚稳态。
2026-08-17 cond-mat.dis-nn q-bio.PE
Polygenic dynamics underlying the response of quantitative traits to directional selection
本文用超临界 Galton-Watson 过程建模有限单倍体种群在定向选择下的多基因适应，推导性状均值、方差及分离位点等随时间变化的规律，并经 Wright-Fisher 模拟验证。
2024-04-09 q-bio.PE
