密歇根州立大学和卡内基科学研究所的研究人员开发了一种将微观生物学与宏观生态学联系起来的模型，这可以加深我们对自然规律的理解，并为生态系统管理创造新的机会。

该团队在《科学》杂志上发表报告，展示了浮游生物的微观关系(例如生物体的大小和营养消耗之间的关系)如何扩大规模以可预测地影响食物网。

密歇根州立大学自然科学学院博士后研究员、这篇新论文的第一作者乔纳斯·威克曼(JonasWickman)表示：“利用其他研究人员在微观尺度上测量的有关这些生物体的数据，我们的模型可以预测整个生态系统规模上正在发生的情况。”。

卡内基生物圈科学与工程部门的高级科学家埃琳娜·利奇曼(ElenaLitchman)说：“我们现在可以展示较低级别的生命规则如何根据生态相互作用和进化考虑融入较高级别的规则。”“到目前为止，人们大多孤立地考虑这些水平。”

这份新报告将使该团队及其同行能够设计新的实验，通过将模型扩展到其他物种和生态系统来测试、完善和扩展该模型。这最终可能使该模型能够为全球各种环境中的生态系统管理策略提供信息。

小生物，全球影响

该团队还感兴趣的是，他们可以从他们的模型和他们研究的浮游生物中学到更多东西。

“我们选择它们作为模型系统有几个原因，”WK凯洛格生物站的密歇根州立大学研究基金会教授ChristopherKlausmeier说。他还是密歇根州立大学植物生物学系、综合生物学系以及生态学、进化和行为(EEB)项目的教员。

原因之一是浮游生​​物是Litchman和Klausmeier领导的研究小组的主要研究重点。

“它们是相对简单的生物体。如果有什么东西要遵守规则，那么浮游生物是一个很好的候选者，”克劳斯梅尔说。“但它们在全球范围内也很重要。它们负责地球上大约一半的初级生产，并且是大多数水生食物网的基础。”

初级生产者利用光合作用等生化过程将地球上的碳和原始营养物质转化为对生物体本身及其捕食者有用的化合物。这意味着浮游生物是循环地球生命必需元素(包括碳、氮和氧)的自然机器中的关键齿轮。

因此，拥有描述浮游生物的尺度模型有助于更好地理解这些关键过程，以及这些过程是否以及如何随着地球气候而变化。

该团队在这项研究中没有包括温度等与气候相关的变量，但研究人员已经在计划朝这个方向采取的下一步行动。

“全球变暖的影响可能会改变较低水平的生理过程，”利奇曼说。“然后我们可以使用这个框架来看看这些影响如何传播到不同级别的组织。”

令人瞠目结舌的简单性

威克曼并不总是浮游生物生态学家。他的本科学位是物理学，但他在瑞典攻读博士学位期间转向生态学，然后于2020年加入Klausmeier-Litchman实验室。

该团队表示，他的物理学背景塑造了他开发这个模型的方法，利奇曼将其描述为“美丽的——去除了除了基本过程之外的一切”。

首先，威克曼从描述他的兴趣系统的基本理论出发。只是在这种情况下，该系统不是量子力学粒子。它是由简单的食物网连接起来的微小生物体。

在这个网络中，浮游植物是主要生产者，浮游动物是它们的捕食者。

“嗯，确实是食草动物，”威克曼谈到浮游动物时说道。“我们通常不称牛为草食者。”

为了充分理解这一重要关系的运作及其全球影响，研究人员将其分解为由生态和进化驱动的各个组成部分。

例如，浮游植物的大小等微观因素会影响其竞争营养的能力，进而影响细胞的大小以及成为浮游动物食物的可能性。

因此，这些微观因素与宏观变量相关，包括营养物质的分布以及不同浮游生物在其环境中的分布密度或稀疏程度。

在过去的几十年里，科学家们制定了数学模型，分别描述了微观尺度和宏观尺度上的重要关系。威克曼说，然而，弥合尺度的尝试却让研究人员感到失望。

这是因为之前建立这种联系的尝试不得不做出妥协。以前的一些模型选择了简单性，但牺牲了准确性和真实性。其他人则用残酷的计算力来应对这种复杂性，从而使它们更难访问且更难以使用。

“我们的模型包括实际的生态和进化机制，但使用起来足够简单，”威克曼说。

这项工作最初是纯粹的理论，但利奇曼认为应该可以使用现有数据来测试其预测。“当我看到模型与观察结果的吻合程度时，我的眼睛都瞪出来了，”她说。

该团队多年来一直致力于解决这个问题，并发表了一篇早期论文，开发了他们所依赖的生态进化建模技术。

现在，该团队通过将其模型与现实世界的数据结合起来，展示了其模型的潜力。

“宏观生态尺度上出现的模式可以用微生态尺度上个体生物体的特性来解释，这一发现既引人注目又优雅，”美国国家科学基金会生物科学局项目主任史蒂夫·杜吉恩(SteveDudgeon)说，该局为这项工作提供了资助。

“这项研究提供了新的研究途径，可以增强对生态系统以及其中生物体之间的关系将如何随着生态进化动力学在不断变化的环境中相互作用而变化的预测。”

由于生物系统的自然变异，对于习惯了物理学精确性的人来说，该模型及其结果可能看起来很混乱，但威克曼却兴奋地看待它们。

“我们实际上在生态学方面取得了相当好的准确性，”他说。“我们可能没有物理学那样的优雅理论水平，但这只是意味着我们有更多的领域需要探索。”

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