当一个新物种进入生态系统时，它可能会成功建立自己或无法立足。麻省理工学院的研究人员最近设计了一个公式来预测这些结果。这项研究基于广泛的建模和实验室实验，主要针对土壤细菌进行研究。
物种入侵的机制
由物理系教授杰夫·戈尔（Jeff Gore）领导的麻省理工学院物理学家团队分析了数百个实验场景，以确定影响引入物种成功与否的因素。该团队基于对细菌群落的研究得出的公式，可能对理解自然生态系统、改进益生菌或增强粪便微生物移植（FMT）等治疗方法具有重要意义。
“人们食用了很多益生菌，但其中许多根本无法侵入我们的肠道微生物组，因为引入并不意味着它可以生长、定植并有益于健康。”研究的主要作者、麻省理工学院博士生胡继良（Jiliang Hu）指出。
实验研究细菌群落
研究人员研究了超过400个土壤细菌群落，每个群落包含12到20种本地土壤中的细菌。他们向每个群落引入了一种新的细菌物种，并监测了12天的结果。通过测序细菌基因组，研究团队评估了入侵者是否成功建立了自己。
为了进一步了解环境因素的作用，研究团队改变了细菌培养基中的营养水平。高营养水平通常导致激烈的物种互动，例如竞争食物或通过pH介导的交叉毒素效应等机制抑制其他物种。
研究人员观察到了两种类型的群落行为：稳定种群，其中物种数量保持不变；波动种群，其中物种丰度随时间变化。
成功物种入侵的关键因素
研究表明，种群规模的波动是入侵成功的关键决定因素。波动较大的群落更为多样化，更容易受到成功的入侵。“这种波动不是由环境变化驱动的，而是由物种之间的相互作用引起的内部波动。”胡继良解释道，“我们发现波动的群落更容易被入侵，也比稳定的群落更多样化。”
在多样性较低、种间竞争较强的稳定群落中，入侵者成功的可能性较小。然而，在波动的生态系统中，入侵者有时可以与原有物种共存，尽管数量较少。在其他情况下，入侵者可能会胜过并取代某些常驻物种。
物种相互作用和“存活比例”
研究人员确定了一个称为“存活比例”的因素——即入侵后原始物种的比例——作为入侵成功的一个可靠预测指标。在自然生态系统中，这个存活比例可以通过比较局部多样性（特定区域内的物种）与区域多样性（更广泛区域内的物种）来近似。
另一个重要发现是物种到达顺序的影响。当物种间的相互作用较强时，较晚引入的入侵者成功的机会减少。然而，当相互作用较弱时，到达顺序几乎没有影响，群落会达到相似的平衡状态。
对医学和生态学的影响
研究人员计划将其公式应用于更大的生态系统，并探索其对人体肠道微生物组的相关性。例如，该公式可以帮助预测益生菌或用于治疗艰难梭菌感染的FMT治疗的成功率。
“入侵可能是有害的，也可能是有益的，这取决于具体情境。”胡继良指出，“在某些情况下，如益生菌或用于治疗艰难梭菌感染的FMT，我们希望健康的物种能够成功入侵。”
在农业方面，该公式可以指导将有益微生物引入土壤的努力，以促进植物生长或保护作物免受病原体侵害。同样，它也可以为保护策略提供信息，预测生态系统如何响应入侵物种或恢复工作。
未来研究方向
未来的研究将测试局部与区域多样性比率是否可以在有可用多样性数据的生态系统中预测入侵成功率。该团队还计划调查驱动观察到的种群波动的基本机制，以及这些动态如何适用于各种生态背景。
这项研究发表在《自然生态与进化》杂志上，揭示了物种相互作用、多样性和环境因素在塑造生物入侵结果方面的复杂关系，其潜在应用涵盖了环境保护、农业和人类健康等多个领域。
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