发现潜伏在生态系统中的隐藏混乱

物理科学家似乎到处都能找到混沌现象：行星的轨道、天气系统、河流的漩涡。近三年来，生态学家认为，相比之下，生活世界中的混乱非常罕见。然而，一项新的分析表明，生态系统中的混乱比研究人员想象的要普遍得多。

Tanya Rogers在回顾最近关于生态系统混沌研究的科学文献时发现了一些意想不到的东西：25 年来没有人发表过对它的定量分析。 “这有点令人惊讶，”加州大学圣克鲁兹分校的研究生态学家、新研究的第一作者罗杰斯说。 “就像，’我不敢相信没有人这样做。’”

所以她决定自己做。罗杰斯和她的同事分析了 170 多组与时间相关的生态系统数据，发现其中三分之一存在混乱——几乎是之前研究估计的三倍。更重要的是，他们发现某些生物群体，如浮游生物、昆虫和藻类，比狼和鸟类等大型生物更容易出现混乱。

“这在文献中根本没有出现，”圣克鲁斯的进化生态学家、该研究的合著者斯蒂芬·蒙克 ( Stephan Munch ) 说。他们的研究结果表明，为了保护易受伤害的物种，建立更复杂的种群模型作为保护政策的指南既可能也是必要的。

当生态学在 19 世纪首次被公认为一门正式科学时，普遍的假设是自然遵循简单易懂的规则，就像由联锁齿轮驱动的机械钟。如果科学家们能够测量正确的变量，他们就可以预测结果：例如，更多的降雨将意味着更好的苹果收成。

被称为硅藻的微型藻类（上图）有时会在海洋中爆炸成巨大的漩涡状花朵，从太空中可以看到，如这张 Landsat 8 于 2018 年 6 月拍摄的西伯利亚和阿拉斯加之间楚科奇海的照片（下图）。

到 90 年代初，生态学家已经积累了足够多的物种种群时间序列数据集和足够的计算能力来检验这些想法。只有一个问题：混乱似乎并不存在。只有大约 10% 的被检查人群似乎发生了混乱的变化；其余的要么稳定循环，要么随机波动。到 1990 年代中期，关于生态系统混乱的理论已经过时了。

然而，罗杰斯、蒙克和他们在圣克鲁斯的数学家同事贝瑟尼·约翰逊的新结果表明，较早的工作错过了混乱隐藏的地方。为了检测混乱，早期的研究使用了单一维度的模型——一个物种随时间的种群规模。他们没有考虑到温度、阳光、降雨以及与可能影响种群的其他物种的相互作用等混乱的现实世界因素的相应变化。他们的一维模型捕捉到了人口如何变化，但没有捕捉到它们变化的原因。

但没有参与这项研究的密歇根大学生态学和进化生物学教授亚伦·金说，罗杰斯和蒙克“以更明智的方式寻找[混乱]”。他们使用三种不同的复杂算法，将 172 个不同生物种群的时间序列作为模型分析了多达六个维度，而不仅仅是一个维度，为未指定的环境因素的潜在影响留出了空间。通过这种方式，他们可以检查未被注意到的混沌模式是否可能嵌入到人口变化的一维表示中。例如，更多的降雨可能与人口的增加或减少有混乱的联系，但只是在延迟了几年之后。

Rogers、Johnson 和 Munch 发现，在大约 34% 的物种的种群数据中，确实存在非线性相互作用的特征，这比之前检测到的要混乱得多。在大多数这些数据集中，该物种的种群变化起初并没有出现混乱，但数量与潜在因素的关系却是混乱的。他们无法准确地说出是哪些环境因素造成了混乱，但无论它们是什么，他们的指纹都在数据上。

研究人员还发现了生物体的体型与其种群动态的混乱程度之间存在反比关系。这可能是由于世代时间的差异，繁殖更频繁的小生物也更频繁地受到外部变量的影响。例如，世代约 15 小时的硅藻种群比世代长达 5 年的狼群更混乱。

然而，这并不一定意味着狼种群本质上是稳定的。 “一种可能性是我们没有看到那里的混乱，因为我们没有足够的数据可以在足够长的时间内返回看到它，”蒙克说。事实上，他和罗杰斯怀疑，由于他们数据的限制，他们的模型可能低估了生态系统中存在多少潜在的混乱。

杉原认为新结果可能对保护很重要。例如，具有正确混沌元素的改进模型可以更好地预测有毒藻类繁殖，或跟踪渔业种群以防止过度捕捞。考虑混乱还可以帮助研究人员和保护管理者了解有意义地预测人口规模的可能性。 “我确实认为将这个问题放在人们的脑海中是有用的，”他说。

然而，他和金都告诫不要对这些具有混乱意识的模型过于信任。 “混沌的经典概念基本上是一个静止的概念，”金说：它建立在混沌波动代表偏离某些可预测的、稳定的规范的假设之上。但随着气候变化的进展，即使在短期内，大多数现实世界的生态系统也变得越来越不稳定。即使考虑到许多维度，科学家们也必须意识到这个不断变化的基线。

尽管如此，考虑到混沌是朝着更准确建模迈出的重要一步。 “我认为这真的很令人兴奋，”蒙克说。 “这与我们目前对生态动态的看法背道而驰。”