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猞猁在寻食雪兔中收益,博士吴飞伦通过切磋共生系统的一言一动来缓和这几个挑衅

时间:2020-04-02 20:27

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自然界物种共存:因“合作”而共赢

科学家长期以来采用相对简单的指导方针来帮助解释物理世界,从牛顿的第二运动定律到热力学定律。

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现在,杜克大学的生物医学工程师已经使用动态建模和机器学习来构建复杂生物学的类似简单规则。他们设计了一个框架来准确地解释和预测互利生物系统的行为,例如人类肠道细菌,植物和传粉媒介,或藻类和珊瑚。

雪中取食事先藏好的食物

该研究于2019年1月16日刊登在Nature Communications杂志上。

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在完美的世界中,你可以遵循一套简单的分子规则来理解每个生物系统的运作方式,杜克大学生物医学工程系教授Lingchong You说。但实际上,很难建立包含生物系统巨大多样性和复杂性的一般规则。即使我们确实建立了一般规则,使用它们解释和量化各种物理特性仍然具有挑战性。

自然界的不同物种藉由类似关系,形成复杂的合作网络,这是物种共存的缘由,生物多样性因合作而丰富。

你和研究的第一作者,研究生吴飞伦通过研究共生系统的行为来解决这些挑战。这些共生系统由两个或多个提供互惠效益的群体组成,例如帝王蝶和乳草植物。

地球上每一个有生命的地方,都不是孤种独存,浩繁的物种何以共处一地,是生态学的重要命题。

在某些条件下,共生体系可能崩溃,导致破坏性的生态后果。吴想要开发一个框架,可以准确地预测和预防负面结果,并指导新的合成共生系统的设计。

生态学研究不同物种间、物种与环境之间的相互作用。传统上,生态学更关注损害关系,比如捕食、竞争、寄生,总有一方受益,另一方受损害。比如有关猞猁与雪兔种群波动的研究就曾经轰动一时,到现在也是生态学教材中的经典内容。英国动物生态学家查尔斯:埃尔顿的研究称,猞猁在捕食雪兔中获益,更依赖于此,能被捕捉的兔子少了,就有猞猁被饿死。相反,雪兔在这样的捕食关系中吃亏,猞猁少了,损害减轻,兔子就有了休养生息的机会,种群数量就会增多,一段时间后,猞猁又会因食物丰富而变多,如此周而复始,两个物种起起伏伏地打着游击,猞猁种群的波动总是滞后于雪兔。看起来很优美的理论,无论在数学上,还是在更多的实例研究中,这个理论都得到了不同程度的证实。但是您细想,当兔子少到不能再少,难道猞猁会为了“食物的可持续”而放弃捕食?如果是这样,猞猁岂非得死光?如果猞猁开始吃别的食物,它的数量又怎会下降?类似的,竞争理论也无法说明,动物为什么要耗费资源进行竞争。竞争的结果,要么一方被排斥,要么共输,如何能导致共赢而使物种共存?捕食理论也好,竞争理论也罢,都不能很好地解释物种共存的原因。类似理论的一度盛行,与当时的社会、经济、政治密不可分,与人看待自然的方式密不可分,这是另外一个大话题。

因为这些系统是如此多样化,以前的框架或者只适用于特定的共生系统,如植物传粉者或种子传播网络,或者它们过于笼统,并没有描述允许系统共存的条件之间的细微差别。 ,与那些迫使系统崩溃的因素,吴说。

斗转星移,人们看待自然的态度发生转变,有关互惠共生的研究越来越多地出现在生态学文献中。

为了研究是否可以为互惠系统存在统一的量化指南,吴系统地研究了52个微分方程模型,它们捕捉了互惠系统的多样性。这些系统具有相同的基本结构:当集体利益大于集体压力时,人口可以共存。如果压力大于集体利益,系统将崩溃。

所谓互惠共生,是指共同生活的不同物种,从彼此的结构、生理和行为中受益。比如食草动物的胃里,共生着大量的原生动物和其他微生物,这些小生命从栖主的取食活动中获得稳定的能量和物质来源。作为回报,它们帮助栖主分解吃进来的纤维素,事实上,如果没有这些微生物,那些牛、羊、鹿,几乎不能消化纤维素,吃了等于白吃。食草动物与微生物的合作,如同天作之合。

虽然测量系统中的压力相对容易,但衡量集体效益更为复杂,集体效益是成本,个人利益和其他系统复杂性等变量的函数。您和他的团队认识到,由于可用于测量的复杂标准,试图衡量集体利益成为瓶颈,并且当应用于不同的共生系统时,这变得更具挑战性。

这个例子虽然漂亮,但肉眼看不见。您听说过小丑鱼不?小丑鱼躲在海葵的须腕里,它的天敌们因为惧怕海葵须腕上的毒刺,奈何不了小丑鱼。反过来,有一种专吃海葵的蝴蝶鱼,偏偏又不是小丑鱼的对手,海葵与小丑鱼就这样互相保护,经世经年。这样的合作,在自然界仅仅是初级版。

相反,该团队开发了一种机器学习算法,使用一些相对容易收集的变量(如温度,pH和遗传)来确定集体效益。该方法产生了一个简化的度量,可以应用于各种共生系统。

我们曾经讲到松鼠。提起松鼠,自然会想到松树,松鼠与松树的合作就高级得多。很多松鼠偏好针叶树种子,吃饱之余,它们不遗余力地贮藏松子以备不时之需。这其中,很多松子被贮藏得非常分散,以至于松鼠要么吃不了,要么根本就不记得藏在哪儿。那些被遗落的松子,日后就可能长成大树,这是植物种子动物传播的重要方式,松鼠和松树在这个过程中各自受益。复杂而有趣的部分是,松树每每在几年产量低迷之后,突然大量结实,诱使松鼠疯狂贮藏和传播种子,似乎算准了松鼠的习性。相应的,松鼠也似乎有奇妙的预见力,能及时地在松树结实大年的春天,出人意料地大量生育。它们这样的彼此合作与适应,便是协同进化。

为了测试他们的指南,该团队使用来自三个共生细菌系统和模拟数据的实验数据,以显示他们的框架可以一致且准确地预测系统是否会共存或崩溃。他们的规则还可以预测定量信息,包括共存概率,阻力和总人口密度。

协同进化是共存的基础,花朵也是很好的例子。花是植物的生殖器官,传粉是植物重要的生殖过程。花既要吸引传粉者——所以它们产生花蜜,有着多彩的颜色,又要防着那些偷吃者——所以它们各自有着不同的结构,这些结构通常与传粉者的结构和行为相适应,而使偷吃者根本无从接近花粉和花蜜。不同的植物有不同的传粉者,也就有着各自不同的花朵,这便是春花斑斓的原因。花与传粉者如果是一对一的关系,便可能一损俱损,危及双方的生存。作为弥补,实际上的合作关系往往包含一对一、一对多、多对多和多对一等不同类型,自然界的不同物种藉由类似关系,形成复杂的合作网络,这是物种共存的缘由,生物多样性因合作而丰富。

该团队乐观地认为他们的研究也可以应用于非共生生物系统。例如,您建议使用他们的策略来检查抗生素耐药性和允许耐药性持续或消失的条件。

反观人类,纷争不断,损耗连连。我们为何执拗相悖于自然?

当我们从事医学或生物医学工程时,我们意识到必须进行某种程度的简化才能理解我们正在研究的社区的相互作用,你说。我们的程序向我们表明,显然多样化的生物系统之间存在共性,这对于我们做出推动我们研究的预测至关重要。

《中国科学报》 (2017-04-07 第4版 自然)

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