近30年來,自組織理論已經(jīng)發(fā)展成為解釋生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)規(guī)則空間格局的有效理論。伴隨著生態(tài)系統(tǒng)自發(fā)有序空間格局的生成,自組織過程產(chǎn)生一系列的涌現(xiàn)屬性,這些特征對生態(tài)系統(tǒng)功能至關(guān)重要。在此,我們將介紹這一正蓬勃發(fā)展的研究領(lǐng)域的主要理論進展。首先,敘述了自組織這一概念的發(fā)展歷程與定義,詳細闡述了自組織理論的兩個經(jīng)典理論框架:圖靈原理與相分離原理。然后,根據(jù)幾個典型的生態(tài)自組織研究案例,描述了圖靈原理與相分離原理在不同生態(tài)系統(tǒng)中的具體數(shù)學模型表達形式。接著,分別闡述了圖靈原理的涌現(xiàn)屬性對生態(tài)系統(tǒng)功能以及相分離原理的涌現(xiàn)屬性對細胞功能的作用。最后,從多尺度自組織斑圖、瞬態(tài)斑圖和生物個體行為自組織3個方面對未來生態(tài)自組織理論發(fā)展方向進行了探討。自組織研究在生態(tài)學與生物學研究中方興未艾,希望更多的學者在未來關(guān)注與參與該領(lǐng)域的發(fā)展。 

【文章來源】：生物多樣性. 2020,28(11)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：13 頁

【部分圖文】：

貽貝(Mytilus edulis)與“細胞”內(nèi)的規(guī)則斑圖以及相應(yīng)的尺度依賴的反饋與密度依賴的運動的機制。(a)荷蘭瓦登海潮間帶貽貝床,圖片來自于本文的通訊作者;(b)基于液體光影技術(shù)對細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的重現(xiàn),圖片來自https://liquidlightlab.com/artwork/3839057.html/,版權(quán)屬于Oil art:Steve Pavlovsky/Liquid Light Lab.;(c)尺度依賴的反饋示意圖;(d)密度依賴的運動示意圖,其中主圖中的兩條曲線對應(yīng)插圖中的兩條曲線,(c)和(d)修改自Liu等(2016)。

從動力系統(tǒng)的角度看,系統(tǒng)的恢復(fù)力就是處于穩(wěn)態(tài)的系統(tǒng)受到擾動后回到該穩(wěn)態(tài)的能力,而生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)則斑圖通常表征著生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài),所以對形成規(guī)則斑圖的自組織過程進行研究可以定量地把握生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力的方向與強弱。以貽貝床為例,在個體尺度上,貽貝個體通過密度依賴的運動在小斑塊中聚集,從而形成了斑塊間距大約15 cm寬的網(wǎng)狀斑圖。在生態(tài)系統(tǒng)層次上,貽貝在大于1 m的尺度上對食物(藻類)進行競爭,而在小于1 m的尺度上通過聚集以攔截水流中的泥沙來減小水流對貽貝的擾動,該“短程促進–長程競爭”耦合的生態(tài)過程導(dǎo)致了在5–10 m尺度上出現(xiàn)帶狀斑圖(van de Koppel et al,2005;de Paoli et al,2017)。對貽貝床的多尺度規(guī)則斑圖的理論研究表明,多尺度規(guī)則斑圖的存在極大地提高了貽貝床的恢復(fù)力,相比于無斑圖的貽貝床,這種提升可達10倍,在個體層次和生態(tài)系統(tǒng)層次的自組織過程的相互作用是決定貽貝生態(tài)系統(tǒng)功能和恢復(fù)能力的關(guān)鍵因素(Liu et al,2014)。實驗研究亦證明,小尺度斑圖可以增強貽貝床對波浪侵蝕的抵抗力,對貽貝種群的生存至關(guān)重要,而大尺度的貽貝斑圖有助于在貽貝遭遇較強的水動力事件后改善小尺度斑圖的形態(tài),從而增強貽貝種群的恢復(fù)力,這種自組織空間結(jié)構(gòu)對貽貝種群的存續(xù)至關(guān)重要(de Paoli et al,2017)。2.1.3突變預(yù)警信號

相比于細胞生物學界,無論是理論上還是實驗上,生態(tài)學界對相分離的生態(tài)功能尚無認知,但毫無疑問,相分離一定有其獨特的生態(tài)功能。例如,羚羊群、鹿群等群居性食草動物經(jīng)常通過運動處于聚集狀態(tài),這種聚集行為是否受控于密度依賴的運動所產(chǎn)生的相分離(Liu et al,2016)?這些種群是否利用相分離提高了種群的攝食效率抑或降低了種群在被捕食時的損失?這些問題的答案著實令人心馳神往。3生態(tài)自組織研究的展望


本文編號：3224507