Persistence in fluctuating environments for interacting structured populations
任何物种内的个体在大小、发育状态或空间位置上都表现出差异。这些差异加上环境中人口变化率的波动可能对种群持续性和物种共存产生微妙的影响。为了理解这些影响，我们提供了一个一般的理论共存的结构，相互作用的物种生活在一个随机的环境。该理论适用于随机变参数的非线性多种群矩阵模型。该理论依赖于物种的长期增长率对应于随机矩阵产品的主导李雅普诺夫指数。我们的共存标准要求，这些长期增长率的凸组合是积极的概率为1时，一个或多个物种在低密度。当这个条件成立时，群落是随机持续的：当$δ$接近零时，物种密度低于$δ>0$的时间分数接近零。应用于自相关环境中的捕食-食饵相互作用，随机LPA模型，空间彩票模型。这些应用表明，时间波动的正自相关可以破坏捕食者-猎物共存，对数繁殖力的波动可以促进结构化种群的持久性，以及长寿，相对久坐的竞争种群可能共存于空间和时间异质性环境。
2013-11-02 math.DS math.PR q-bio.PE
Cooperation dilemma in finite populations under fluctuating environments
我们提出了一种新的方法，允许研究罕见的事件，如固定在波动的环境下，建模为外部噪声，在进化过程中，其特征在于一个物种的优势。我们的治疗包括映射到一个辅助模型的系统，表现出亚稳态物种共存，可以进行半经典分析。这种方法使我们能够研究外在和人口统计噪声之间的相互作用的统计数据的兴趣。我们说明我们的理论，考虑范式的囚徒困境的游戏，其演变的概率，合作者固定的人口，并取代所有的叛逃者。我们的分析和数值计算表明，外部噪声可以大大提高合作的固定概率，甚至改变其功能依赖于人口规模。这些结果概括了群体遗传学的早期研究成果，表明外部噪声可能有助于维持和促进比静态环境更高水平的合作。
2013-12-13 cond-mat.stat-mech q-bio.PE q-bio.QM
Can endogenous fluctuations persist in high-diversity ecosystems?
什么时候复杂的生态相互作用可以驱动整个生态系统进入一个持续的非平衡状态，在那里物种丰度保持波动而不会灭绝？我们发现，高多样性的空间扩展系统，其中的条件有所不同的空间位置之间，可以表现出混沌动力学持续非常长的时间。我们开发了一个理论框架，基于动态平均场理论，量化这些波动状态存在的条件下，并预测其属性。我们发现与外部扰动生态系统的持久性，如扰动强度，同步性和相关时间的作用相似。但只有内源性波动，这些属性来自物种动力学本身，在扰动和响应之间产生反馈回路。一个关键的结果是，波动幅度和物种多样性〈动〉性<动>是紧密联系在一起的，特别是波动使更多的物种比在同一系统中的平衡共存。我们的研究结果突出了良好混合和空间扩展系统之间的关键差异，对实验及其再现自然动态的能力具有影响。它们揭示了生物多样性的维持，以及在自然系统中观察到的波动的强度和同步性。
2019-08-26 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
A remark on the disorienting of species due to the fluctuating environment
在这篇文章中，我们研究了稳定的两个物种的社区与趋化性由于短波长的外部信号的原始模式的行为。我们使用Patlak-Keller-Segel类型的系统作为社区的模型。众所周知，这样的系统可以产生复杂的不稳定的行为模式，这通常是数学上解释的一些基本解决方案，描述简单的模式的分叉。据我们所知，在Patlak-Keller-Segel型模型中，所有这样的分叉都是在齐次（即几何不变）系统中发现的，其中基本解是所有物种均质分布的平衡态。本文所考虑的模型不具有平移不变性：假设一个物种（捕食者）能够响应于外部产生的信号以及另一个物种（猎物）发出的信号而移动。例如，外部信号可能会出现从分布的环境特性，如温度，盐度，地形起伏等的不均匀性，我们的目标是检查短波长的不均匀性的影响。为了做到这一点，我们采用了一定的均匀化程序。我们分离的短波长和平滑的系统响应的组件，并导出一个慢系统管理后者之一。分析缓慢的系统，并将其与均匀环境的情况下进行比较表明，一般而言，短波长的不均匀性导致捕食者的运动指数下降。运动性的丧失在很大程度上防止了复杂的不稳定模式的发生，并显著地稳定了原始的基本解。从某种意义上说，处理环境的小规模剧烈变化的必要性使系统无法应对其他挑战。
2019-01-06 q-bio.PE
Fixation properties of rock-paper-scissors games in fluctuating populations
石头剪刀布游戏隐喻性地模拟了生态学和微生物学中的循环优势。在静态环境中，这些模型的特点是固定概率服从两个不同的“法律”在大型和小型混合人口。在这里，我们研究了这三个物种模型的演变受到随机切换承载能力建模资源稀缺和丰富的状态之间的无休止的变化。本文主要针对等价于循环洛特卡-沃尔泰拉模型的零和石头剪刀布博弈，研究了人口和环境噪声的${\it coupling}$对注视特性的影响。更具体地说，我们调查的物种是最有可能在波动的规模和结果如何取决于环境的变化的人口占上风。我们表明，人口噪声加上环境随机性“水平场”的循环竞争的平衡选择的效果。特别是，我们表明，快速切换有效地降低了选择强度成比例的承载能力的方差。我们确定的条件下，出现新的固定方案，最有可能的物种占上风的变化率的开关和承载能力的方差。随机切换对平均注视时间的影响有限，平均注视时间与平均人口规模呈线性关系。因此，环境的随机性使循环竞争更加平等，但并没有延长物种的共存。我们还展示了如何通过重新调整选择强度从零和模型的固定概率中获得接近零和的石头剪刀布游戏的固定概率。
2020-02-24 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.soc-ph
How self-regulation, the storage effect and their interaction contribute to coexistence in stochastic and seasonal environments
解释物种丰富的初级生产者社区的共存仍然是生态学家的一个挑战，因为他们可能会竞争共享资源。在哈钦森的开创性建议之后，许多理论家试图通过波动的环境来创造多样性，这会削弱或减缓竞争性排斥。然而，波动环境模型通常最多只能产生十几个共存物种。在这里，我们研究如何在波动的环境中创建更丰富的社区，使用经验参数化模型。基于Scranton和Vasseur的强制洛特卡-沃尔泰拉模型（Theor Ecol 9（3）：353-363，2016），受浮游植物群落的启发，我们研究了两种共存机制的影响，即储存效应和种内竞争强度高于种间竞争强度（即，强的自律性）。我们调整内/间竞争比的实证分析的基础上，自我调节占主导地位的种间相互作用。虽然一个强大的自我调节保持更多的物种（50%）比存储效果（25%），我们表明，没有两个共存机制考虑可以确保所有物种单独共存。现实的季节性环境只会加剧这种情况，因为它们相对于随机环境降低了持久性。然而，强大的自我调节和存储效应结合超加性，使所有物种都可以坚持两种机制在工作。我们的研究结果表明，将不同的共存机制结合到社区模型中可能比试图找到最能解释多样性的机制更有成效。我们还强调，虽然生物量性状分布提供了一些关于共存机制的线索，但它们不能明确指出哪些机制在起作用。
2019-04-24 q-bio.PE
Evolutionary dynamics of competing phenotype-structured populations in periodically fluctuating environments
从细菌到动物的生物物种都存在于具有时空异质性的环境条件中，这要求它们适应。通过自发表型变异传播风险是生态学中的一个已知概念，用于解释物种在面临与随时间变化的环境相关的进化风险时如何生存。为了支持一个更深入的了解自发的表型变异在波动的环境中的适应性作用，我们考虑了一个系统的非本地偏微分方程建模的演化动力学的两个竞争的表型结构的人口中存在的周期性振荡的营养水平。这两个群体以不同的速率发生自发的表型变异。每个个体的表型状态由连续变量表示，并且由于营养水平的变化，种群的表型景观随时间演变。利用我们的模型的分析易处理性，我们研究的解决方案，以获得详细的数学描述的演化动力学的长期行为。结果表明，当营养水平经历小而慢的振荡时，很少发生自发的表型变异在进化上更方便。相反，在营养水平相对较大和快速的周期性振荡下，这会带来饥饿和营养丰富的交替循环，较高的自发表型变异率会带来竞争优势。我们讨论了我们的研究结果在癌症代谢的背景下的影响。
2019-08-23 q-bio.PE
Phase Transition in an Exactly Solvable Extinction Model
我们介绍了一个生物进化模型，物种进化的生物相互作用和波动的环境压力。当有效压力水平大于个体适应度时，物种可能灭绝或发生突变以获得新的适应度值。该模型表现出相变到一个完全灭绝的阶段，作为环境应力或突变率的变化。我们讨论的一般条件，这种过渡是连续的。该模型是完全可解的，其临界行为的特征在于一个不寻常的动态指数z=1/3。除了预测大规模的演化，该模型还可以用于了解现有化石数据的趋势。
2011-09-08 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
Noise-induced stabilization and fixation in fluctuating environment
被认为是一个两个物种社区的$N$竞争的个人的动态，强调环境变化的作用，连贯地影响整个种群的健身。固定的突变体群体（特别是，一个单一的突变体）的机会计算作为一个函数的平均相对健身的突变体，健身变化的幅度和它们的典型持续时间。我们强调本地竞争的情况下，全球竞争的情况下之间的区别;在后者的噪声诱导的稳定机制产生一个单一的突变体的固定的机会更高。这种区别在弱选择阶段变得很明显，在弱选择阶段，单个有害突变体的固定机会对于全局竞争是$N$独立常数，而在局部竞争情况下则像$(\ln N)^{-1}$一样衰减.长期持久性的可能性${\cal O} (N)$次优（和precaution-prone）的人口进行了讨论，以及其相关性随机隧道之间的健身高峰。
2018-01-30 q-bio.PE
Noise driven phase transitions in eco-evolutionary systems
本研究构建含表型突变的消费者-资源模型，发现噪声驱动生态进化系统出现均匀、图案及图案行波三种相变，并揭示噪声与非互惠作用的关键角色。
2023-10-16 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
Evolution of a Fluctuating Population in a Randomly Switching Environment
环境在资源竞争中起着根本性的作用，因此在种群进化中也起着根本性的作用。在这里，我们研究了一个混合良好的，有限的人口组成的两个菌株竞争有限的资源所提供的环境，随机切换状态之间的丰富和稀缺。假设一种菌株的生长速度略快于其他菌株，我们考虑两种情况-一种是纯粹的资源竞争，另一种是一种菌株提供了一种公共产品-并研究环境随机性（外部噪声）如何与人口（内部）噪声相结合，从而确定人口的固定特性和大小分布。通过分析手段和模拟，我们表明，这些耦合的噪声源可以显着提高固定的概率生长缓慢的物种。我们还表明，人口规模分布可以是单峰，双峰或多峰，并经历这些制度之间的噪声引起的转换时，切换率匹配人口的增长率。
2017-10-13 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.soc-ph
Many-species ecological fluctuations as a jump process from the brink of extinction
本研究发现在小迁移率下，多物种生态系统呈现大波动和长时间尺度的标度区间，物种丰度轨迹遵循非马尔可夫跳跃扩散过程，可作为高多样性生态系统内源性波动的指纹。
2024-01-08 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Genome heterogeneity drives the evolution of species
构成复杂生物体的大部分DNA是非编码的，被定义为垃圾。即使是编码部分也是由不同的基因组成的，这些基因对表型的影响不同。因此，随机突变对样本适应性的影响强烈依赖于它发生的DNA区域。这种异质的组成应与进化过程联系起来。然而，方法仍然是未知的。在这里，我们研究一个最小的生态系统的进化模型，其中两个拮抗剂物种的生存斗争的格子。每个标本都有一个玩具基因组，编码其表型。由于随机突变对基因的影响（熵力）以及与环境和个体之间的相互作用（自然选择），种群的基因库会随着时间而变化。我们证明了每个基因在表型表现中的相关性是进化的关键特征。在存在统一的基因相关性的情况下，观察到突变的熔化。自然选择的作用使生态系统处于一种缓慢漂移的非平衡状态，降低了适应性，导致物种灭绝。相反，如果一个样本具有异质基因相关性，自然选择就会战胜熵力，物种就会进化，从而增加其适应性。我们最后表明，异质性与空间相关性是负责自发同域物种形成。
2019-12-03 physics.bio-ph q-bio.PE
Habitat Fluctuations Drive Species Covariation in the Human Microbiota
两个具有相似资源需求的物种以一种特有的方式对它们栖息地的变化作出反应-它们的丰度一致地上升和下降。我们利用这一想法来了解微生物群中的细菌种群如何对人类人群中因人而异的栖息地条件做出反应。我们的数学框架表明，栖息地波动足以解释人体微生物组项目中相对物种丰度的体内相关性。我们明确地表明，相对丰度的遗传相关的物种是正相关的，可以预测的分类关系。我们确定了一小部分与细胞壁代谢和维持相关的功能途径，这些途径构成了人类微生物群共同资源共享生态位空间的基础。
2015-10-01 q-bio.PE
Species assembly in model ecosystems, II: Results of the assembly process
在这组的配套文件（Capitan和Cuesta，2010）中，我们已经开发了Capitan等人（2009）引入的物种组装模型的完整分析处理。该模型是基于一个包含所有可行的配置社区的组装图的建设，并定义了一个马尔可夫链的过渡是由新种〈动〉<动>入侵的社区的转换。在本文中，我们提供了一个详尽的数值分析的模型，描述的平均时间经常性的状态，雪崩的统计，和依赖的结果上的可用资源的量。我们的研究结果是基于这样一个事实，即马尔可夫链提供了一个渐近概率分布的经常性状态，它可以用来获得平均值的观测值，以及这些幅度的时间变化在连续的，在一个确切的方式。由于吸收到经常性的集合的时间被发现是可比的系统的大小，最终状态很快达到（在入侵时间的单位）。因此，最终的生态系统可以被视为一个波动的复杂系统，在这个系统中，物种不断地被新物种取代，而从来没有离开过循环模式。组装图由大多数入侵被接受的途径主导，引发小灭绝雪崩。通过组装过程，社区的复原力变差（例如，具有更高的恢复平衡时间），但在对新入侵的抵抗力方面变得更加强大。
2010-09-22 q-bio.PE
Digging deeper: deep joint species distribution modeling reveals environmental drivers of Earthworm Communities
Univ. Grenoble Alpes, Univ. Savoie Mont Blanc（格勒诺布尔阿尔卑斯大学, 萨瓦蒙布朗大学）；University of Eastern Finland（芬兰东部大学）；Univ. Montpellier（蒙彼利埃大学）；INRAE（法国国家农业食品环境研究院）；Universidad Complutense de Madrid（马德里康普顿斯大学）；Univ Avignon（阿维尼翁大学）
本研究开发多物种深度学习模型预测法国77种蚯蚓分布，识别气候与土地覆盖为主要驱动因素，提升稀有物种预测性能，助力土壤生物多样性保护。
2025-06-16 q-bio.PE stat.AP stat.ME
Evolutionary adaptation through bet-hedging in finite populations under fluctuating environments
Grupo Interdisciplinar de Sistemas Complejos (GISC) and Departamento de Estructura de la Materia, Física Térmica y Electrónica, Universidad Complutense de Madrid（马德里康普顿斯大学复杂系统跨学科小组及物质结构、热学与电子学系）
本文通过随机模型揭示波动环境下有限种群的进化规律，发现环境变异性可促进表型风险对冲，进化会平衡生长与灭绝目标，种群规模决定最优策略，大种群趋增长最大化、小种群趋韧性策略。
2026-07-31 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
High prices for rare species can drive large populations extinct: the anthropogenic Allee effect revisited
消费者对动植物产品的需求使许多种群面临灭绝的威胁。人为的Allee效应（AAE）提出，这种排斥可能是由于野生动物产品的价格随着物种稀有度的增加而增加。这种价格-稀有性关系创造了经济激励，以提取种群中最后剩下的个体，尽管搜索和收获成本更高。AAE已经成为一种标准的方法来概念化经济市场对濒危物种的威胁。尽管AAE理论对保护具有潜在的重要性，但它是基于一个简单的图形模型，对可能的种群轨迹进行了有限的分析。通过指定一个一般类的价格稀有关系的功能，我们表明，经典理论可以低估物种灭绝的风险。AAE理论提出，只有低于临界Allee阈值的种群才会由于价格-稀有关系的增加而灭绝。我们的分析表明，这个阈值可能比原始理论所建议的要高得多，这取决于最初的收获努力。更令人担忧的是，即使是种群规模超过这个Allee阈值的物种，AAE预测的持久性，也可能注定要灭绝。即使对收获的个体引入接近于零的最低价格，也可能导致大量种群越过经典的人类活动阈值，走向灭绝。这些结果表明，传统的AAE理论可能会给一个错误的安全感时，管理大收获的人口。
2017-09-01 q-bio.PE
Fixation in finite populations evolving in fluctuating environments
种群进化的环境对选择有着至关重要的影响。我们研究的是在变化的环境中，固定规模的有限种群的演化动力学。种群动力学由出生和死亡事件驱动。这些事件的发生率可能随时间变化，取决于环境的状态，这遵循一个独立的马尔可夫过程。我们开发了一个通用的理论固定概率的突变体在野生型的人口，平均无条件和有条件的固定时间。我们将我们的理论应用于收益结构随时间变化的进化博弈。突变体可以利用环境噪音;在两种状态之间切换的动态环境可以导致比任何单个环境状态更高的固定概率。我们提供了一个直观的解释这种令人惊讶的效果。我们还调查平稳分布时，突变存在于动态。在这种制度下，我们发现两个近似的平稳措施。一种适用于快速切换，另一种适用于缓慢波动的环境。
2014-08-29 q-bio.PE
Phenotypic heterogeneity in temporally fluctuating environments
本研究扩展了时间波动环境中表型异质性的理论，通过指数增长模型和随机环境过程分析连续表型谱，推导出揭示表型异质性进化优势的解析表达式。
2025-07-01 q-bio.PE
