Subpopulations and Stability in Microbial Communities
在微生物群落中，每个物种通常具有多种不同的表型，但生态稳定〈动〉<动>在很大程度上忽略了这一亚群结构。在这里，我们表明，这种隐式平均表型导致不正确的线性稳定性结果。然后，我们详细分析了表型转换的影响，在渐近极限和部分推翻经典的稳定性范式：丰富的表型变异是线性不稳定的，但令人惊讶的是，一个罕见的表型，如细菌持久性有一个稳定的效果。最后，我们扩展这些结果，显示表型变异如何修改系统的稳定性，如抗生素治疗大扰动。
2019-12-18 q-bio.PE
Inferring resource competition in microbial communities from time series
本研究利用群落丰度动态测量，证明考虑时间延迟效应的谱方法（如CPSD和相干性）优于简单相关性，能有效推断微生物群落内资源竞争结构。
2025-05-02 physics.soc-ph q-bio.PE
Ecological landscapes guide the assembly of optimal microbial communities
组装最佳微生物群落是生物燃料生产、农业和人类健康等各种应用的关键。找到最优的社区是具有挑战性的，因为可能的社区的数量随着物种的数量呈指数级增长，因此即使对十几个物种也无法进行穷举搜索。通过一次添加或删除一个物种来改善社区功能的启发式搜索更实用，但这种策略是否能发现最佳或接近最佳的社区尚不清楚。使用有和没有交叉喂养的消费者资源模型，我们研究搜索的功效如何取决于资源的分布，生态位重叠，交叉喂养，和社区生态的其他方面。我们发现，搜索效率是由适当定义的生态景观的坚固性。我们确定了具体的耐用性措施，预测的搜索性能和鲁棒性的噪声和低采样密度。我们的方法的可行性证明了使用从土壤微生物群落的实验数据。总的来说，我们的研究结果建立了成功的启发式搜索的必要条件，并提供了具体的设计原则，建立高性能的微生物财团。
2021-12-15 q-bio.PE q-bio.QM
Simple measures to capture the robustness and the plasticity of soil microbial communities
本文基于种群分布提出两种简单度量，揭示土壤微生物群落在种群平衡上具有鲁棒性，而在物种组成上表现出可塑性与适应性。
2024-09-05 physics.bio-ph physics.data-an q-bio.PE
Barrier-Free Microhabitats: Self-Organized Seclusion in Microbial Communities
本研究证明微生物可在无物理屏障时，通过与表面粗糙度或摩擦等特征互动自组织形成隔离的微栖息地，从而维持多样性，使慢生长菌株避免竞争排斥。
2025-03-27 q-bio.PE
Growth tradeoffs produce complex microbial communities on a single limiting resource
群落的动态与其组成成分的成对相互作用之间的关系是生态学中的一个基本问题。超越成对相互作用的高阶生态效应可能是复杂生态系统的关键，但产生这些效应的机制仍然知之甚少。在这里，我们表明，高阶效应可以产生多种微生物生长性状的变化，如滞后时间和生长速率，在一个单一的限制资源，没有其他的相互作用。这些效应产生了一系列生态现象：无限数量的菌株可以表现出多稳定性和中性共存，可能与单一的基石菌株共存;成对共存的菌株不会共存在一起;所有成对竞争的冠军可能不会在混合社区中占主导地位。由于多效性和非遗传变异，多种生长性状的变异在微生物种群中普遍存在，我们的研究结果表明，这些高阶效应也可能是普遍存在的，特别是在实验室生态学和进化实验中。
2018-05-31 q-bio.PE
Stabilization of Microbial Communities by Responsive Phenotypic Switching
Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理学研究所）；Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics（马克斯·普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所）；Center for Systems Biology Dresden（德累斯顿系统生物学中心）；University of Cambridge（剑桥大学）
研究通过响应性表型切换稳定微生物群落，揭示其在竞争物种共存中的生态效应。
2022-06-14 cond-mat.soft q-bio.PE
An ensemble approach to the structure-function problem in microbial communities
微生物的代谢活动在地球上生命的进化和持续中发挥了重要作用。微生物代谢在全球范围内碳、氮和其他元素通过生物圈的流动中起着主要作用。微生物在由许多物种组成的复杂群落中进行这些代谢活动，这些物种在动态和空间结构化的环境中相互作用。分子遗传学已经揭示了微生物用来产生能量和生物质的许多代谢途径。然而，这些知识大部分来自模式生物，因此我们对野生动物中大量基因组多样性对代谢表型的作用的看法有限。此外，我们才刚刚开始瞥见一个社区的新陈代谢如何从其组成成员的集体行动中出现的原则。因此，该领域最大的挑战之一是了解一个群落的代谢活动是如何从组分的基因组结构中产生的。在这里，我们提出了一种解决这个问题的方法，依赖于微生物群落集合中代谢活性的定量分析。我们建议量化代谢通量在不同的社区，无论是在实验室或野外。我们认为，使用测序数据来量化整个社区的基因组，分类或转录变异可以揭示社区结构的低维描述，可以解释或预测其新兴的代谢活动。我们调查的社区类型，这种方法可能是最适合的，然后审查分析技术可用于量化代谢物的动态社区。最后，我们讨论了什么类型的数据分析方法可能是有利可图的，从这些数据中学习社区的结构-功能映射。
2021-11-11 q-bio.PE
Travelling waves of invasion in microbial communities with phenotypic switching
Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics（马克斯·普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所）；Center for Systems Biology Dresden（德累斯顿系统生物学中心）
研究探讨了表型切换对微生物竞争入侵速度的影响，发现其能加速对竞争者的侵入波，挑战了持久性策略的传统认知。
2026-05-11 physics.bio-ph q-bio.PE
Multiple stable states in microbial communities explained by the stable marriage problem
对微生物群落的实验研究通常表明，它们具有多种稳定状态。虽然这些状态中的每一种通常都具有弹性，但抗生素、益生菌和饮食变化等某些干扰会导致过渡到其他状态。我们能否可靠地预测这种稳定状态，以及直接和控制它们之间的过渡？在这里，我们提出了一个新的概念模型的启发，在博弈论和经济学中的稳定婚姻问题，其中微生物群落自然表现出多个稳定的状态，每个状态与不同的物种的丰度配置文件。我们的模型的核心成分是微生物在相互竞争的同时一次利用一种营养物质。仅使用两个排名表，一个是微生物的营养偏好，另一个是它们的竞争能力，我们可以确定所有可能的稳定状态，并预测由去除或添加特定营养素或微生物引发的状态间转换。此外，使用一个例子7拟杆菌属物种共同利用9种多糖的人类肠道，我们预测，在营养偏好的相互互补，使这些物种以高丰度共存。
2018-07-03 cs.GT physics.bio-ph q-bio.MN
Scale free density and correlations fluctuations in the dynamics of large microbial ecosystems
微生物在非常大的群落中自我组织，表现出复杂的波动。尽管最近的进展，仍然是这些系统能够表现出很大的变化，一方面和动态鲁棒性的机制，没有得到充分的解释。在此基础上，我们从三个方面分析了微生物群和浮游生物的动态：密度波动、相关结构和雪崩动态。在所研究的所有群落中，我们发现，结果显示无标度密度波动，异常方差的标度，无标度丰度相关和平稳的无标度雪崩动力学。这些行为，典型的系统表现出临界动力学，建议临界作为一个潜在的机制来解释的鲁棒性和（自相矛盾的）高不规则性的过程中观察到非常大的微生物群落。
2022-06-24 q-bio.PE
The Hiatus Between Organism and Machine Evolution: Contrasting Mixed Microbial Communities with Robots
Università di Bologna（博洛尼亚大学）；European Centre for Living Technology（欧洲生命技术中心）；Institute for Systems Biology（系统生物学研究所）
混合的微生物群落通常由各种细菌和真菌物种组成，在从土壤到人类肠道和皮肤的大量环境中至关重要。它们的进化是相互交织的动态的一个典型例子，其中不仅物种之间的关系发挥作用，而且每个物种给其他物种带来的机会和可能的危害。这些机会实际上是\textit{affordances}，可以被遗传变异和选择抓住。在本文中，从混合微生物群落的系统观点出发，我们专注于启示在进化中的关键作用，并将其与程序和机器人的人工进化进行对比。我们坚持认为，这两个领域是完全分开的，自然进化是以完全开放的方式扩展其可能性的空间，而后者本质上受到它所定义的算法框架的限制。这种差异也体现了机器人在物理世界中进化的设想环境。我们提出的论点支持我们的主张，我们提出了一个实验设置评估我们的声明。这篇文章的目的不仅仅是讨论机器人工进化的局限性，而是强调生物圈进化的巨大潜力，微生物群落的进化就是这一潜力的完美代表。
2022-06-29 cs.AI cs.RO q-bio.PE
Sparse species interactions reproduce abundance correlation patterns in microbial communities
本文提出用稀疏 Lotka-Volterra 相互作用与贝叶斯推断建模微生物群落，使模型同时重现跨物种、跨群落的丰度相关性及单物种宏观生态模式。
2023-12-06 math.ST q-bio.PE q-bio.QM
Microbiomes and pathogen survival in crop residues, an ecotone between plant and soil
本文重点介绍了与残留物相关的微生物组在其他微生物栖息地的背景下，在谷物生产的农业生态系统，如叶际或根际。我们将残留微生物组与残留真菌植物病原体的生存联系起来，从而结合了微生物生态学和流行病学的知识，这两个学科仍然没有充分联系。我们提供了一个概述的残留物对谷物疾病流行病的影响，以及如何动态的相互作用的微生物群落的非掩埋残留物在其降解过程中，随着土壤和众多的非生物因子，可以有助于创新的疾病管理策略，包括下一代微生物群为基础的生物控制策略。从经典的，但仍然相关的观点，作物残留物作为病原体接种物的来源，我们首先考虑的可能性，限制土壤表面的残留物的量，以减少病原体的压力。然后，我们将残留物描述为一个短暂的半植物/半土壤室，构成一个关键的成熟的微生物生态系统：换句话说，一个生态交错区，值得特别关注。我们专注于微生物群落，这些群落随时间的变化以及影响它们的因素。最后，我们讨论了如何利用微生物群落和残留物上存在的病原体之间的相互作用：识别关键类群和有益组合，然后通过适应的农艺措施或合成群落的发展来保护这些类群，而不是引入单一的外源生防物种作为“治疗产品”。
2019-08-13 q-bio.PE
Effect of antibiotic spectrum on the abundance of resistant bacteria in multispecies communities
Lund University（隆德大学）；Roskilde University（罗斯基勒大学）；Uppsala University Hospital（乌普萨拉大学医院）
研究抗生素谱如何影响多物种群落中耐药细菌的丰度，通过构建数学模型分析物种间相互作用，揭示抗生素选择对耐药性动态的影响机制。
2026-10-19 q-bio.PE
Structured Interactions Drive Abrupt Transitions in the Spatial Organization of Microbial Communities
Pacific Northwest National Laboratory（太平洋西北国家实验室）
研究通过结构化相互作用模型揭示了微生物群落空间组织突变过渡的机制，发现异质和模块化相互作用更易触发突变。
2025-09-01 physics.bio-ph q-bio.PE
Mycorrhizal association of common European tree species shapes biomass and metabolic activity of bacterial and fungal communities in soil
近年来的研究揭示了不同树种对土壤理化性质的影响。然而，各种树种对土壤微生物群组成和活性的影响以及相关的控制措施仍然知之甚少。我们评估了与两种不同的菌根类型，外生菌根（EcM）和丛枝菌根（AM），生长，生物量和代谢活性的土壤真菌和细菌群落的影响，在丹麦各地使用常见的园林树种实验。不同的土壤微生物群落之间的6个欧洲树种，以及EcM（山毛榉，石灰，橡树和云杉）和AM（灰和枫树）树种。EcM树种具有较高的真菌生物量、真菌生长量和细菌生物量，而AM树种具有较高的细菌生长量。结果表明，微生物群落的组成和功能不同的树种具有不同的凋落物质量，产生土壤C/N比和土壤pH值的差异。菌根协会只能部分解释凋落物质量和土壤微生物物种的差异，因为石灰是更相似的AM树种。此外，我们的研究结果表明，树种介导的土壤pH值和C/N比是最重要的变量塑造微生物群落的细菌和真菌的生长速率的负面影响的积极影响。结果表明，树种介导的微生物群落组成和活性可能是以前在AM和EcM树种中观察到的不同垂直土壤C分布的重要驱动因素。
2020-11-25 q-bio.PE
Robust estimation of microbial diversity in theory and in practice
生物多样性的定量分析对于研究微生物群落的结构、功能和进化具有重要意义。随着大规模宏基因组学研究的出现，微生物多样性的估计重新受到关注。在这里，我们考虑在样本中观察到的多样性告诉我们被采样的社区的多样性。首先，我们认为，不能可靠地估计存在于一个社区的微生物物种的绝对和相对数量，而不作出不支持的假设物种丰度分布。其原因是样本数据不包含有关物种丰度分布尾部稀有物种数量的信息。我们说明了物种丰富度的估计应用超的物种丰富度的一组在silico社区比较的困难：他们排名不正确的存在大量的稀有物种。接下来，我们将我们的分析扩展到一般家庭的多样性度量（“希尔diversity”），并构建与样本数据一致的多样性值的上下估计。该理论推广了Chao的估计，我们将其作为物种丰富度的较低估计。我们表明，香农和辛普森多样性可以稳健估计在硅片社区。我们分析了来自广泛环境的9个宏基因组数据集，并表明我们的研究结果与植物样本社区相关。因此，我们建议使用香农和辛普森多样性，而不是物种丰富度的努力，以量化和比较微生物多样性。
2013-02-23 q-bio.PE
Heterogeneity drives plasmid maintenance in large microbial communities
本研究提出大型微生物群落的异质性可在无正选择时驱动质粒维持，构建结合种群动态与质粒接合的通用模型，结合经验数据与模拟验证了生态和接合随机性的作用，为质粒传播维持提供新视角。
2025-09-03 cond-mat.dis-nn q-bio.PE
Integrating Theory and Experiment to Explain the Breakdown of Population Synchrony in a Complex Microbial Community
我们认为延伸的“莫兰效应”，其中相关的噪音产生孤立的单物种种群之间的同步，嵌入在多物种社区的种群之间的同步研究。在复杂的微生物群落，包括捕食者（原生动物）和猎物（细菌）的实验室实验中，我们观察到的同步性之间的丰度孤立的复制。当反应器稀释率增加时，捕食者和被捕食者的同步性都发生了崩溃，这对应于外部资源输入的增加率和通过冲洗增加的有效死亡率。然而，对于较低的营养级，分解更快。我们可以用一个数学框架来解释这种现象，这个数学框架可以用来确定多物种群落中处于平衡状态的种群之间的同步性。我们假设有多个来源的环境噪声具有不同程度的相关性，影响个别物种的种群动力学不同。确定性动态可以影响不同群落中物种之间的同步程度。在稳定平衡的情况下，社区同步由负实部最小的特征值控制。在这个方向上，直觉波动的阻尼最小。我们表明，实验观察是符合这个框架，但只对乘性噪声。
2016-01-15 q-bio.PE
Dynamic coexistence driven by physiological transitions in microbial communities
引入群落状态唯象模型，通过全局生态坐标描述微生物生理状态转变，揭示了动态群落提升多样性耐受性、增强稳定性及晚生长物种纳入要求的三大特征，将生态动力学研究转向自上而下的定量分析。
2024-01-04 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
A 454 survey of the community composition and core microbiome of the common bed bug, Cimex lectularius, reveals significant microbial community structure across an urban landscape
阐明与节肢动物宿主相关的微生物群落的空间动态和核心成分对于可能传播人类或农业病原体的昆虫至关重要。嗜血的温带臭虫（Cimex lectularius）被称为常见的臭虫，最近在北美和全世界死灰复燃，这可能是由于旅行增加和对杀虫剂的抗药性。迄今为止，尚未对臭虫微生物组进行全面调查，也没有对其微生物组的空间动态进行评估。在这里，我们提出了一个调查臭虫微生物群落扩增的V4-V6高变区的16 S rDNA基因区，然后454钛测序使用31个人从8个自然种群收集的住宅在辛辛那提，OH。在所有样品中，97%的微生物群落由两种主要OTU组成，被鉴定为α-变形杆菌Wolbachia和来自肠杆菌科的未命名的γ-变形杆菌。微生物群落在宿主种群中的群落多样性的措施，并表现出显着的人口结构。我们还发现了两种主要OTU丰度的强烈负相关性，这表明它们可能扮演着与营养互惠者相似的角色。这项广泛的调查代表了迄今为止对与臭虫相关的微生物的最全面的评估，并揭示了臭虫微生物组两个主要成员之间潜在拮抗作用的证据。
2012-10-13 q-bio.GN 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
Microclimatic variation in tropical canopies: A glimpse into the processes of community assembly in epiphytic bryophyte communities
Xishuangbanna Tropical Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences（中国科学院西双版纳热带植物园）；University of Liège（列日大学）；University of Lausanne（洛桑大学）；Aba Academy of Ecological Protection and Development（阿坝生态保护与发展研究院）；Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences（中国科学院地球化学研究所）；Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)（西班牙国家研究委员会）；University of La Laguna（拉各拉大学）；INRAE AgroParisTech, Université Paris-Saclay（法国国家农业食品环境研究院巴黎理工学院，萨克雷大学）；Université Libre de Bruxelles（布鲁塞尔自由大学）；Kunming Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences（中国科学院昆明植物研究所）；East China Normal University（华东师范大学）；Guangxi Institute of Botany, Guangxi Zhuang Autonomous Region and Chinese Academy of Sciences（广西植物研究所）；Hainan University（海南大学）；Chinese Academy of Sciences（中国科学院）
研究发现，树冠层微气候垂直变化对附生苔藓群落组成影响显著，比树龄差异更关键，揭示了年轻与老树在殖民能力及栖息地条件上的差异。
2025-12-03 q-bio.PE
Stability and feasibility of Microbial Consumer-Resource Model
University of Fribourg（弗里堡大学）；University of Applied Sciences of Western Switzerland (HES-SO)（瑞士西部应用科学大学）；University of Lausanne（洛桑大学）
研究微生物群落利用资源生长的问题，基于新的微生物消费者-资源模型（MiCRM），用快慢近似法研究其持久性、可行性和稳定性，得出如M小于S时群落不持久等结论，还提出随机快慢模型并研究灭绝事件。
2026-07-23 q-bio.PE
Exclusion of the fittest predicts microbial community diversity in fluctuating environments
微生物生活在不可避免地在温和和恶劣条件之间波动的环境中。由于恶劣的条件可能会导致波动，波动发生的速度可以塑造微生物群落及其多样性，但我们仍然缺乏关于如何影响的直觉。在这里，我们建立了一个数学模型，描述两种微生物物种生活在一个环境中，底物供应随机切换丰富和稀缺。然后，我们改变开关的速率以及相互作用的物种的不同属性，并测量较弱的物种驱动较强的物种灭绝的概率。我们发现，这种可能性增加的强度，在恶劣的条件下，人口噪声和峰值在低，高，或中间的切换率取决于两个物种的能力，以承受恶劣的环境。这种复杂的关系表明，为什么在历史上很难找到环境波动和多样性之间的模式。然而，在最适合的物种最有可能被排除在外的参数范围内，较大群落的β多样性也达到了峰值。总之，环境波动如何影响几个物种对之间的相互作用，预测了它们对整个群落的β多样性的影响。
2021-09-16 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
Stability of complex communities: A perspective from discrete-time dynamics
针对非重叠世代物种群落，本文提出基于离散时间动力学的稳定性量化框架，发现自我调节强度先促进后破坏稳定性，且多样化与弱相互作用能增强群落稳定性。
2025-04-03 physics.bio-ph q-bio.PE
Towards a Taxonomical Consensus: Diversity and Richness Inference from Large Scale rRNA gene Analysis
种群分析一直具有挑战性，但重要的是，导致确定微生物群落成员的多样性和功能预测。在这里，我们详细介绍了我们的生物信息学方法，用于分析大型微生物群落的种群分布和多样性。这是通过以下方式实现的：（i）基于同源性的方法，用于稳健的多态性类型确定，等同于核糖体数据库项目（RDP）分类器的分类准确度，但提供了密切相关序列的改进的关联;（ii）比较不同的聚类方法，用于实现更准确的丰富度估计。我们的方法，我们开发的RDP审查16 S rRNA基因序列集，通过测试它对一个大的16 S rRNA基因数据集的约2300个序列，我们从土壤微生物群落研究。我们的结论是，最好的方法，以获得准确的微生物群落的遗传学概况的基础上，16 S rRNA基因序列信息，是应用优化的爆破分类。这种方法得到了使用完整连锁聚类对密切相关序列进行分组的补充，以计算群落的丰富度和均匀度指数。
2010-03-25 q-bio.PE
Alternative stable states in a model of microbial community limited by multiple essential nutrients
对于相同的环境参数，微生物群落通常有几种可供选择的稳定状态。这些状态之间的突然和不可逆的转变使得这些系统的外部操纵变得更加复杂。为了更好地理解微生物群落多稳定性的机制和起源，我们引入并研究了一个由从固定池中选择的多个专业物种定殖的微生物生态系统模型。每个物种的生长都受到两种基本营养素的限制，例如碳和氮，每种营养素在环境中都有多种代谢物。我们证明，我们的模型有一个指数级的大量的潜在的稳定状态实现不同的环境参数。使用博弈论的方法改编自稳定的婚姻问题，我们预测所有这些国家的基础上，只有排名列表的竞争能力的物种的每种营养物质。我们发现，对于每一组养分流入，几个相互不可侵犯的稳定状态一般是可行的，我们区分它们的动态稳定性的基础上。我们进一步探讨了一个复杂的网络，这些替代状态之间的不连续过渡（政权转移），无论是在社区集会的过程中，或在营养物质流入的变化。
2018-10-10 physics.bio-ph q-bio.PE
Modeling biological networks: from single gene systems to large microbial communities
在这项研究中，我们研究了不同尺度的生物网络：单细胞水平的基因自动调节网络和群体水平的肠道微生物群。蛋白质是细胞中的主要角色，它们是构建模块，充当酶和抗体。蛋白质的产生由转录因子介导。在某些情况下，蛋白质充当其自身的转录因子，这被称为自动调节。已知自动阻遏加速响应，并且自动激活可导致多个稳定平衡。在这篇论文中，我们研究了激活和抑制的组合在自动调节中的作用，作为案例研究，我们研究了古菌硫磺叶菌的亮氨酸响应蛋白B（Ss-LrpB）的可能动力学，该蛋白通过三个结合盒以独特的非单调的方式调节自身。我们研究这种类型的网络导致振荡或双稳态的条件。在第二部分中，考虑更大的生物系统。生态系统，其中包括人类肠道微生物组，其特点是厚尾丰度分布。我们研究了这些分布如何通过添加饱和效应和线性噪声从基于人口的模型中产生。此外，我们研究了不同的特性，如噪音颜色和中性的生物多样性的微生物群落的实验时间序列，并看看这些特性的参数的影响。通过第一个研究课题，我们希望为理解非单调基因调控奠定基础，并向古细菌中的合成生物学迈出第一步。在论文的第二部分，我们研究了复杂生态系统的实验时间序列，并寻求再现所有观察到的特征的理论模型，以建立预测模型。
2021-04-20 nlin.AO q-bio.PE
Species diversity in a metacommunity with patches connected by periodic coalescence: a neutral model
最近认识到，整个社区融合和分离（社区聚结），导致重新评估的力量决定物种多样性〈动〉性<动>和动态，特别是在微生物群落的聚结可能是广泛的。要了解，如果通过合并的连通性的结果在不同的结果，从连通性的个人扩散，我们调查的机会过程导致损失的物种多样性〈动〉性<动>使用一个中性的两个物种的metacompatibility模型。调查了两种情况：成对聚结，即群落成对聚结、混合，然后分离;扩散聚结，即若干群落混合成一个池，并重新分布到它们原来的斑块中。当标准化为相同的净运动，这两种类型的合并导致更长的时间比分散到单一物种的优势。因此，聚结可能是自然界中微生物物种多样性〈动〉性<动>惊人高的一个重要过程。
2019-05-09 q-bio.PE
Thermodynamic constraints on the assembly and diversity of microbial ecosystems are different near to and far from equilibrium
非平衡态热力学长期以来一直是生态学家感兴趣的领域，因为大多数基本的生物过程，如蛋白质合成和呼吸，本质上是消耗能量的。微生物群落是一个自然的系统，以破译这一机制的基础，因为它们的相互作用的形式，底物消耗，代谢产物的生产，和交叉喂养可以明确地描述在热力学术语。以前的工作已经考虑了热力学约束如何影响物种对之间的竞争，但限制分析这是如何表现在复杂的动力系统。为了解决这一差距，我们开发了一个热力学微生物群落模型与完全可逆的反应动力学，它允许直接考虑自由能耗散。这也允许物种通过产品而不仅仅是底物相互作用，增加了动力学的复杂性，并允许出现更细致的相互作用类型分类。使用这个模型，我们发现，社区的多样性增加与基板不稳定性，因为更大的自由能的可用性允许更快地生成的小生境。因此，在群落建立的时间范围内会产生更多的生态位，从而导致最终的物种多样性〈动〉<动>度更高。我们还发现，允许物种利用接近平衡的反应增加了低自由能制度的多样性。在这样的制度，我们在这里确定两个新的热力学相互作用类型达到可比的传统（竞争和促进）类型的实力，强调热力学在社区动态中发挥的关键作用。我们的研究结果表明，占现实的热力学约束是至关重要的了解现实世界中的微生物群落的动态。
2021-11-16 physics.bio-ph q-bio.PE
Cooperation in Microbial Populations: Theory and Experimental Model Systems
合作行为，即为他人提供利益的代价高昂的行为，在生活的各个领域都很常见。这篇综述文章讨论了微生物世界中的合作行为，介导的交换胞外产品称为公共产品。我们专注于模型物种的公共产品的生产和相关的生产细胞的生长劣势进行了很好的描述。为了揭示生物和生态因子〈动〉促进合作性状的出现和稳定，我们采取跨学科的角度和审查的见解从数学模型和良好控制的实验模型系统。从理论上讲，我们将微生物生活周期〈动〉<动>的关键方面纳入我们的分析，特别是考虑种群结构，其中局部社区（亚种群）的集合不断出现，增长，并再次消失。在生物学上，我们明确考虑公共产品生产的综合和调节。理论方法的讨论包括一般的进化概念，种群动力学和演化博弈论。作为一个具体的，但一般的生物学的例子，我们认为人口的恶臭假单胞菌和它的调节和利用绿脓菌素，铁清除分子。审查结束时，在空间扩展系统的合作概述，并提供了一个重要的评估所讨论的实验和理论研究的见解。当前的挑战和重要的新的研究机会进行了讨论，包括公共产品的生化调节，更现实的生态场景类似原生环境，细胞到细胞的信号，和多物种社区。
2019-09-25 physics.bio-ph q-bio.PE
Microbiome abundance patterns as attractors and the implications for the inference of microbial interaction networks
本文将微生物存在/缺失模式视为 Boolean 网络吸引子，结合 ESABO 与进化算法推断物种相互作用网络，并评估其准确性、运行时及信息不完整时的表现。
2023-06-03 q-bio.PE
Identifying Keystone Species in the Human Gut Microbiome from Metagenomic Timeseries using Sparse Linear Regression
人类相关的微生物群落对人类健康和疾病有着巨大的影响。利用现代宏基因组测序方法，可以随着时间的推移跟踪社区中微生物的相对丰度。这些微生物群落表现出丰富的生态动态，微生物生态学的一个重要目标是从序列数据中推断物种之间的相互作用。任何推断物种相互作用的算法都必须克服三个障碍：1）两个物种的丰度之间的相关性并不意味着这些物种是相互作用的，2）对从宏基因组研究获得的相对丰度的总和约束使得难以推断时间序列模型中的参数，以及3）由于实验不确定性引起的误差，或将测序读段错误分配到操作分类单元中，物种相互作用的偏差推论。在这里，我们介绍了一种方法，学习互动从微时间序列（LIMITS），克服了这些障碍。LIMITS使用稀疏线性回归和Bootstrap聚合来推断微生物动力学的离散时间洛特卡-沃尔泰拉模型。我们在合成数据上测试了LIMITS，并表明它可以可靠地推断物种间生态相互作用的拓扑结构。然后，我们使用LIMITS来表征两个个体肠道微生物组中的物种相互作用，发现个体之间的相互作用网络存在显着差异。此外，我们发现这两个个体的相互作用网络由不同的“关键物种”，脆弱拟杆菌和拟杆菌粪病主导，它们对肠道微生物组的结构具有不成比例的影响，即使它们仅以中等丰度存在。根据我们的研究结果，我们假设某些关键物种的丰度可能是人类肠道微生物组中个体性的原因。
2014-02-03 q-bio.PE q-bio.QM
Shearing in flow environment promotes evolution of social behavior in microbial populations
公共产品的生产者如何在微生物群落中持续存在是进化生物学中的一个主要问题。合作在进化上是不稳定的，因为欺骗的菌株可以更快地繁殖并接管。空间结构已被证明是合作演变的强大机制。在这里，我们研究如何空间分类可能会出现从本地动态和流体流动剪切促进合作行为。社会结构自然地从我们的对流-扩散-反应模型中产生，作为自我复制的图灵模式。我们通过计算研究了流体平流对这些模式的影响，作为一种机制，使或加强社会行为。我们的主要发现是，流动剪切通过增加群体碎片化率，从而限制作弊菌株的传播，从而促进微生物的社会行为。具有较高剪切力的流动域区域具有较高的协同性和较大的种群密度，而低剪切力区域由于机会突变而缺乏生命。
2018-05-24 nlin.PS physics.bio-ph q-bio.PE
A spatially explicit model for tropical tree diversity patterns
引入一个类似于经典投票者模型的复杂双参数模型来描述热带树木群落的宏观生态学性质。Monte-Carlo型计算机模拟进行的模型，调查物种丰度和空间分布的个人和物种。模拟结果与实验数据进行了比较，从一个50公顷的巴罗科罗拉多岛（BCI），巴拿马的树木普查。模型参数进行了优化，从BCI数据集的实验结果定量再现。
2008-03-26 q-bio.PE q-bio.QM
Chaotic turnover of rare and abundant species in a strongly interacting model community
本文通过具有弱迁入和强无序竞争相互作用的Lotka-Volterra模型，揭示物种丰富群落中稀有与优势物种的混沌更替机制，并提出焦点物种模型解释间歇性兴衰动力学及幂律丰度衰减模式。
2024-11-21 cond-mat.stat-mech 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
Self-Similarity and Scaling in Forest Communities
生态群落表现出普遍的模式和大小，丰度和资源的可用性之间的相互关系。我们使用缩放的想法来开发一个统一的，独立于模型的框架，以了解树木的大小分布，它们的能源使用和空间分布在热带森林。我们证明了树冠在个体水平上的缩放在资源被充分利用时驱动森林结构。我们的预测完全符合一个完全可解的自相似森林模型的标度行为，并与经验数据吻合良好。观察到纯幂律行为的范围取决于可用的资源量。尺度框架可用于评估自然和人为干扰对生态系统结构和功能的影响。
2010-05-07 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Age-abundance relationships for neutral communities
中性模型的竞争物种系统的动力学，现在，用来描述各种各样的经验社区。这些模型用于许多情况，从群体遗传学和生态生物多样性到宏观进化和癌症肿瘤。在这一框架内讨论的主要问题之一是物种丰度与其年龄之间的关系。在这里，我们提供了一个全面的分析年龄-丰度关系的固定规模和不断增长的社区。给出了具有丰度$n$的物种的平均年龄和最可能年龄的显式公式以及全概率分布函数。我们进一步讨论了这些结果的普遍性及其对热带森林群落的适用性。
2015-05-26 q-bio.PE
A Combined Experimental and Mathematical Study of The Evolution of Microbial Community Composed of Interacting Staphylococcus Strains
本研究通过实验与数学方法，探讨皮肤细菌竞争对金黄色葡萄球菌定殖的影响，发现空间结构、毒性及初始频率无法阻止耐药性出现，但高毒性和环境调控阻碍其恢复。
2024-02-07 q-bio.PE
Frequency and amplitude dependent population dynamics during cycles of feast and famine
在自然界中，微生物种群受到营养水平波动的影响。营养波动对微生物群落的进化和生态动态很重要，因为它们影响生长速率、种群大小和生物膜形成。在这里，我们使用自动化连续培养装置和高通量成像显示，当大肠杆菌的人口受到营养过剩（盛宴）和稀缺（饥荒）的周期，其丰富的动态饥荒期间取决于频率和幅度的盛宴。我们发现，频率和振幅依赖的动态在营养和历史依赖的聚集和扩散率的种群。现象学模型概括了我们的实验观察。我们的研究结果表明，环境波动的统计特性对细菌种群的空间结构产生了重大影响，从而导致丰度动态的巨大变化。
2018-02-21 q-bio.PE
Describing the Persistence Landscape for Introducing Microbes into Complex Communities
本文提出持久性景观概念，用于预测引入微生物在复杂群落中的适应性，并探讨其关键影响因素及知识空白，以推动微生物组工程和遏制策略发展。
2025-03-28 q-bio.PE
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
Fire responses shape plant communities in a minimal model for fire ecosystems across the world
本文通过构建包含植物竞争、随机火灾和火灾-植被反馈的机制模型，揭示了植物火灾响应如何决定全球不同生态系统的替代状态，并强调在火灾生态系统建模中纳入该响应的重要性。
2023-04-13 physics.bio-ph q-bio.PE
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
Coupled environmental and demographic fluctuations shape the evolution of cooperative antimicrobial resistance
本研究通过耦合人口噪声与环境波动模型，揭示了波动环境下合作性抗菌药物耐药性的演化动态，并提出了由波动驱动的耐药性根除机制。
2023-11-15 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
