整体大于部分之和:生态自组织斑图及其涌现属性

发布时间：2021-06-11 12:08

　　近30年来,自组织理论已经发展成为解释生态系统呈现规则空间格局的有效理论。伴随着生态系统自发有序空间格局的生成,自组织过程产生一系列的涌现属性,这些特征对生态系统功能至关重要。在此,我们将介绍这一正蓬勃发展的研究领域的主要理论进展。首先,叙述了自组织这一概念的发展历程与定义,详细阐述了自组织理论的两个经典理论框架:图灵原理与相分离原理。然后,根据几个典型的生态自组织研究案例,描述了图灵原理与相分离原理在不同生态系统中的具体数学模型表达形式。接着,分别阐述了图灵原理的涌现属性对生态系统功能以及相分离原理的涌现属性对细胞功能的作用。最后,从多尺度自组织斑图、瞬态斑图和生物个体行为自组织3个方面对未来生态自组织理论发展方向进行了探讨。自组织研究在生态学与生物学研究中方兴未艾,希望更多的学者在未来关注与参与该领域的发展。 

【文章来源】：生物多样性. 2020,28(11)北大核心CSCD

【文章页数】：13 页

【部分图文】：

贻贝(Mytilus edulis)与“细胞”内的规则斑图以及相应的尺度依赖的反馈与密度依赖的运动的机制。(a)荷兰瓦登海潮间带贻贝床,图片来自于本文的通讯作者;(b)基于液体光影技术对细胞内结构的重现,图片来自https://liquidlightlab.com/artwork/3839057.html/,版权属于Oil art:Steve Pavlovsky/Liquid Light Lab.;(c)尺度依赖的反馈示意图;(d)密度依赖的运动示意图,其中主图中的两条曲线对应插图中的两条曲线,(c)和(d)修改自Liu等(2016)。

从动力系统的角度看,系统的恢复力就是处于稳态的系统受到扰动后回到该稳态的能力,而生态系统的规则斑图通常表征着生态系统的稳态,所以对形成规则斑图的自组织过程进行研究可以定量地把握生态系统恢复力的方向与强弱。以贻贝床为例,在个体尺度上,贻贝个体通过密度依赖的运动在小斑块中聚集,从而形成了斑块间距大约15 cm宽的网状斑图。在生态系统层次上,贻贝在大于1 m的尺度上对食物(藻类)进行竞争,而在小于1 m的尺度上通过聚集以拦截水流中的泥沙来减小水流对贻贝的扰动,该“短程促进–长程竞争”耦合的生态过程导致了在5–10 m尺度上出现带状斑图(van de Koppel et al,2005;de Paoli et al,2017)。对贻贝床的多尺度规则斑图的理论研究表明,多尺度规则斑图的存在极大地提高了贻贝床的恢复力,相比于无斑图的贻贝床,这种提升可达10倍,在个体层次和生态系统层次的自组织过程的相互作用是决定贻贝生态系统功能和恢复能力的关键因素(Liu et al,2014)。实验研究亦证明,小尺度斑图可以增强贻贝床对波浪侵蚀的抵抗力,对贻贝种群的生存至关重要,而大尺度的贻贝斑图有助于在贻贝遭遇较强的水动力事件后改善小尺度斑图的形态,从而增强贻贝种群的恢复力,这种自组织空间结构对贻贝种群的存续至关重要(de Paoli et al,2017)。2.1.3突变预警信号

相比于细胞生物学界,无论是理论上还是实验上,生态学界对相分离的生态功能尚无认知,但毫无疑问,相分离一定有其独特的生态功能。例如,羚羊群、鹿群等群居性食草动物经常通过运动处于聚集状态,这种聚集行为是否受控于密度依赖的运动所产生的相分离(Liu et al,2016)?这些种群是否利用相分离提高了种群的摄食效率抑或降低了种群在被捕食时的损失?这些问题的答案着实令人心驰神往。3生态自组织研究的展望


本文编号：3224507