当一个新的物种被引入一个生态系统时，它可能会成功建立自己，也可能会无法立足而灭绝。麻省理工学院（MIT）的物理学家们现在开发出了一种公式，可以预测这两种结果中哪一种更有可能发生。
研究人员基于对数百种不同情景的分析创建了这一公式，这些情景是通过在实验室中培养的土壤细菌种群进行建模的。他们现在计划在更大规模的生态系统中测试这一公式，包括森林。这种方法也有助于预测益生菌或粪便微生物群移植（FMT）是否能成功对抗人类胃肠道的感染。
“人们吃了很多益生菌，但其中许多根本无法侵入我们的肠道微生物组，因为即使引入了它们，也不一定意味着它们能生长、定植并有益于健康。”该研究的主要作者、麻省理工学院硕士（2019届）、博士（2024届）胡继良表示。
麻省理工学院物理学教授杰夫·戈尔（Jeff Gore）是这篇论文的资深作者，该论文今天发表在《自然生态与进化》期刊上。蒙彼利埃植物健康研究所研究员马蒂厄·巴比耶（Matthieu Barbier）和以色列理工学院物理学教授盖伊·布宁（Guy Bunin）也是该论文的共同作者。
种群波动
戈尔实验室专门利用微生物以受控方式分析物种间的相互作用，以更好地了解自然生态系统的行为。在之前的工作中，团队曾用细菌种群展示了改变微生物生活环境如何影响其形成的社区稳定性。
在这项研究中，研究人员希望研究决定新物种入侵成功或失败的因素。在自然群落中，生态学家假设生态系统的多样性越高，其抵抗入侵的能力就越强，因为大多数生态位已经被占据，留给入侵者的资源很少。
然而，在自然和实验系统中，科学家们观察到这并不总是正确的：虽然一些高度多样化的种群对入侵具有抵抗力，但其他高度多样化的种群更容易被入侵。
为了探讨这两种结果为何会发生，研究人员建立了超过400个来自MIT周围土壤的细菌群落。研究人员建立了由12至20种细菌组成的群落，六天后，他们随机选择一种物种作为入侵者加入。在实验的第12天，他们对所有细菌进行了基因组测序，以确定入侵者是否已经在生态系统中建立了自己。
在每个群落中，研究人员还改变了细菌生长培养基中的营养水平。当营养水平较高时，微生物表现出强烈的相互作用，表现为对食物和其他资源的竞争加剧，或通过pH介导的交叉毒素效应等机制产生的相互抑制。一些这些种群形成了稳定状态，其中每种微生物的比例在一段时间内变化不大，而另一些则形成了大多数物种数量波动的群落。
研究人员发现，这些波动是入侵结果最重要的因素。波动较大的群落往往更加多样化，但也更容易被成功入侵。
“波动不是由环境变化驱动的，而是由物种间的相互作用引起的内部波动。我们发现波动的群落更容易被入侵，而且比稳定的群落更加多样化。”胡继良说。
在一些入侵者成功建立自己的种群中，其他物种仍然存在，但数量较少。在其他种群中，一些本地物种因竞争而完全消失。这种排挤现象在生态系统中物种间竞争激烈时更可能发生。
在物种间相互作用较强、多样性较低且较为稳定的生态系统中，入侵更可能失败。
无论群落是稳定还是波动，研究人员发现，入侵前群落中原有物种的存活比例可以预测入侵成功的概率。这一“存活比例”可以通过将局部群落内的多样性（通过该区域内物种数量测量）与区域多样性（整个区域内物种数量）的比率来估计。
“研究局部和区域多样性是否可以用于预测自然群落对入侵的易感性将是令人兴奋的。”戈尔说。
预测成功
研究人员还发现，在某些情况下，物种到达生态系统的顺序在入侵是否成功中起到了作用。当物种之间的相互作用较强时，后来引入的物种成功融入的可能性较小。
当相互作用较弱时，这种“优先效应”消失，无论微生物到达的顺序如何，最终都会达到相同的稳定平衡。
“在强相互作用条件下，我们发现入侵者因为较晚到达而处于不利地位。这在生态学中很有趣，因为人们一直发现，在某些情况下，物种到达的顺序非常重要，而在其他情况下则无关紧要。”胡继良说。
研究人员现在计划尝试在有物种多样性数据的生态系统中复制他们的发现，包括人类肠道微生物组。他们的公式可以帮助预测口服益生菌或FMT的成功率，FMT是一种用于治疗严重感染如艰难梭菌的实验性治疗方法，其中从捐赠者的粪便中提取有益细菌移植到患者的结肠中。
“入侵可能是有害的，也可能是有益的，取决于具体情况。”胡继良说。“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成功入侵。对于土壤保护，人们会向土壤中引入益生菌或有益物种。在这种情况下，也希望入侵者能成功。”
该研究由施密特多学科奖和斯隆基金会资助。
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