课程回顾（一）丨Jeff Gore 教授：Universal Dynamics of Complex Communities

7月19日晚，清华大学钱学森班暨零一学院暑期学校"X-idea ——交叉创新挑战性问题"系列课程第一讲在线上举行。MIT的Jeff Gore教授受邀为同学们带来题为“Universal Dynamics of Complex Communities”的报告。

面对生态群落高度多样性和物种丰度波动的定量机制尚不清楚这一挑战，Jeff Gore教授提出将初始物种库丰富度和平均相互作用强度确定为两个新兴变量来预测生态群落的行为的解决方案。当初始丰富度和相互作用强度较高时，群落进入波动阶段，此时物种表现出复杂相互作用产生的丰度波动。这些突发波动是复杂群落的固有和集体行为，它们通过允许稀有物种在当地偶发性绽放来保持高度的生物多样性。此次报告采用线上直播的形式进行，吸引了一百七十余名师生热情参与。本次课程由钱班2013级毕业生、MIT在读博士胡脊梁学长主持。

报告开始前，胡脊梁博士向同学们介绍了物理学与生物学的交叉发展的概况。胡脊梁博士先从物理学的发展历程开始，对物理学科学革命进行了总结：定量化革命对于物理学的发展十分重要，带来了学科规律的普适化和规模化应用。

胡脊梁博士介绍说，物理学从观测和数据积累出发，提出初步、表面、唯象的模型；随着技术进步，以及大量更精确的数据的获得，并且得出定量规律，归纳出普适原理。随着数学语言的发展，物理学逐渐被应用于工程应用、设计、制造，最终用于改造自然。而目前生物学所处阶段则仍然是获得“大量更精确的数据”这一阶段。

随后，Jeff Gore教授线上为同学们介绍了他的课题组对微观世界中复杂群落的普遍动态的研究。他先介绍了野外生态学家数十年间收集的数据。该数据显示，被调查的物种的物种丰度在数十年间呈现出无规律的波动。生态学家认为，这与生态系统的高度复杂和敏感有关，气候变化、气象条件、捕鱼等人类活动都会对生态系统内的物种丰度产生较大的影响。目前，高维生态网络缺乏详细的参数，这也阻碍了理论与实验的衔接。

为了量化研究这一现象，Jeff Gore教授提出，复杂的生态系统应该有一些基本的法则，这些法则能预测物种的存在和灭绝的普遍的模式，并且其稳定性会随着物种数量的上升而下降。自然界中也有其他复杂的自然现象，例如水的相变本身的微观形式涉及到自组织等相当复杂的机理，但是人类很早就总结出了相图来描述水的相变，通过给定压强和温度推测水的物态。Jeff Gore教授的课题组引用了Lotka-Volterra竞争模型，它是指数增长模型的修正版，并把它拓展到了多物种的形式。该模型基于物种的初始丰富度和相互作用强度预测生态系统的发展，其结果符合生态系统发展所经历的完全共存（资源丰富，几乎不竞争）、部分共存（优胜劣汰的竞争阶段）、波动（自然界普遍存在的混沌震荡）三个阶段。以此为依据，Jeff Gore团队总结出了以物种的初始丰富度和相互作用强度为参数的相图，可以通过该相图判断生态系统中各物种的走向。

问答环节

XINSTITUTE 2021

Jeff Gore教授的报告后，同学们针对挑战性问题进行了富有激情的讨论，提出了诸多创造性的想法，以及许多有趣的问题。以下列举部分精彩的学生问题以及Jeff Gore 教授和胡脊梁博士的回答。

袁士然同学提出，Lotka-Volterra竞争模型中环境不是一个变量，即假设了环境不变，如果考虑一个处于稳态的群落所处环境改变，会发生什么。例如，在发烧时，体内的的生态平衡会从共存状态变成混沌震荡吗？

胡脊梁博士认为，发烧时人体内的环境会有波动，而且人可能会选择服用一些药物，这些都会对稳态产生影响，袁同学所提的情况是有可能的。Jeff Gore教授指出，这其中有其他有趣的情况。在自然群落中，也会有各种大的波动，但是关于这些波动究竟是内在的（群落内部相互作用的结果）还是外界的波动带来的，我们知之甚少。关于此，目前学界有很大的争议，Jeff教授认为这是一个很好的实验项目，因为实验室中可以完全排除外界的干扰，每天以相同的条件进行试验，可以定量地研究环境条件对群落的影响。

第二位同学问道：如果考虑环境中的改变，会是什么样的情况呢?肠道菌群的生物平衡会从共存稳态变成振荡状态吗?

Jeff Gore教授答道：这是一个很有趣的问题，在自然群落中，诸如种群内个体间的相互作用或外部作用都能造成种群内个体数量的涨落。对于内在原因和外在原因影响程度仍存在着很多争论，对于肠道菌群来说，天气改变，细菌、病毒感染都可能造成种群数量的涨落。通过在实验室内进行研究，即使保持一致的条件，种群内部也会存在涨落现象，甚至即使每天使用完全相同的培养基，也会出现涨落现象。

最后，胡脊梁博士对本次活动进行了简短总结。他肯定了同学们讨论出很多想法，认为其中有不少值得研究。胡脊梁博士强调了数学语言在描述生命复杂系统过程中的重要性，面对种群由于内在相互作用强度、外界干扰等复杂影响下种群行为的复杂问题，数学工具发挥了十分重要的作用。他同时也提到，生态学领域还有许多未解之谜，需要各位有志于投身于从零到一研究的同学们在未来解决。

讲座的最后，Jeff Gore教授、胡脊梁博士、清华钱班暨深圳零一学院暑校师生共同“云合影”，纪念此次跨越12小时时差、跨越太平洋的云相聚。同学们纷纷对Jeff Gore教授和胡脊梁博士表示感谢，并表示非常期待Jeff Gore教授、胡脊梁博士、Juan Keymer博士、Janneke Noorlag老师、郭昊天博士等老师们在暑校期间更深入的讲授和互动。

学员合影

撰稿人丨徐卓恒 吴叩天

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