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(duì)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(jìn)展。首先,敘述了自組織這一概念的發(fā)展歷程與定義,詳細(xì)闡述了自組織理論的兩個(gè)經(jīng)典理論框架:圖靈原理與相分離原理。然后,根據(jù)幾個(gè)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(xué)模型表達(dá)形式。接著,分別闡述了圖靈原理的涌現(xiàn)屬性對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能以及相分離原理的涌現(xiàn)屬性對(duì)細(xì)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(gè)體行為自組織3個(gè)方面對(duì)未來生態(tài)自組織理論發(fā)展方向進(jìn)行了探討。自組織研究在生態(tài)學(xué)與生物學(xué)研究中方興未艾,希望更多的學(xué)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(xì)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(yùn)動(dòng)的機(jī)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(duì)細(xì)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(yùn)動(dòng)示意圖,其中主圖中的兩條曲線對(duì)應(yīng)插圖中的兩條曲線,(c)和(d)修改自Liu等(2016)。

從動(dòng)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(dòng)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(duì)形成規(guī)則斑圖的自組織過程進(jìn)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(qiáng)弱。以貽貝床為例,在個(gè)體尺度上,貽貝個(gè)體通過密度依賴的運(yùn)動(dòng)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(duì)食物(藻類)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng),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(duì)貽貝的擾動(dòng),該“短程促進(jìn)–長(zhǎng)程競(jìng)爭(zhēng)”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(duì)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(dá)10倍,在個(gè)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(shí)驗(yàn)研究亦證明,小尺度斑圖可以增強(qiáng)貽貝床對(duì)波浪侵蝕的抵抗力,對(duì)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(qiáng)的水動(dòng)力事件后改善小尺度斑圖的形態(tài),從而增強(qiáng)貽貝種群的恢復(fù)力,這種自組織空間結(jié)構(gòu)對(duì)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(hào)

相比于細(xì)胞生物學(xué)界,無論是理論上還是實(shí)驗(yàn)上,生態(tài)學(xué)界對(duì)相分離的生態(tài)功能尚無認(rèn)知,但毫無疑問,相分離一定有其獨(dú)特的生態(tài)功能。例如,羚羊群、鹿群等群居性食草動(dòng)物經(jīng)常通過運(yùn)動(dòng)處于聚集狀態(tài),這種聚集行為是否受控于密度依賴的運(yùn)動(dòng)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(shí)的損失?這些問題的答案著實(shí)令人心馳神往。3生態(tài)自組織研究的展望


本文編號(hào)：3224507