网络理论:解除大自然有效的关键

在过去的二十年里,网络理论作为一种理解从万维网到人脑的一切事物的方式出现了。现在,随着生态学家开始将这一理论应用到生态系统中,他们正在深入了解物种是如何相互联系的,以及如何培育生物多样性。188金博网注册就送188

想要拯救世界生物多样性的生态学家可以从凯文培根中学到很多。188金博网注册就送188

1994年的一天晚上,宾夕法尼亚州的三名大学生在肉球电影中观看培根那里暂时了。他们开始思考培根主演过的所有电影,和他合作过的所有演员,以及那些演员合作过的所有演员。学生们想出了一个游戏,他们称之为凯文·贝肯的六度,计算从贝肯到好莱坞任何演员的步数。一般来说,要想接近他,只需非常简单的几步。即使是在培根出生前几十年制作了大部分电影的查理·卓别林(Charlie Chaplin),也只有三步之遥。(卓别林与巴里·诺顿在《《凡尔杜先生》,诺顿与罗伯特瓦格纳举行了主演什么价格的荣耀瓦格纳和培根在野生动物。)

六程度的凯文培根成为了20世纪90年代的感觉,谈到谈话展览和书籍交易。弗吉尼亚大学计算机科学家们也得到了潮流,建立了一个名为的网站培根的甲板。您可以使用它来分析Internet电影数据库中列出的所有160万个演员之间的连接。它揭示了好莱坞的所有演员平均连接到培根295步。

但事实证明,培根并不是那么了不起。超过1000名演员与好莱坞其他地方的联系只有不到三个联系。即使是最不出名的演员,也能在不到十步的时间里与好莱坞的其他人联系起来。换句话说,《凯文·贝肯的六度》与其说是关于贝肯,不如说是关于好莱坞网络的组织。如果你只是随机地把160万演员联系在一起,那么其中任何两个演员之间的联系都要比现实生活中多得多。

科学家们希望利用网络理论来帮助他们防止生态系统的崩溃。

数学家称这种亲密的联系“小世界网络”。和物理学家Albert-Laso Barabasi诺特丹大学的教授和他的同事们发现,在小世界网络中传播信息的并不是只有好莱坞演员。万维网也以同样的方式组织起来。人类大脑的解剖结构也是如此。更重要的是,所有这些网络都有他们的小世界组织,因为他们遵循相似的规则。在每个网络中,大多数节点只与少数其他节点相连。但是一小部分节点有很多链接。这些集线器缩短了整个网络中所有节点之间的路径。

在过去的二十年里,Barabasi和其他研究人员开发出了一种复杂的网络理论,它有助于理解乍一看像是极其复杂的缠结。网络理论让科学家们能够理解网络是如何产生意想不到的行为的,这些行为是无法通过观察单个部件来预测的,从互联网的显著健壮性到金融市场的突然崩溃。

在过去的几年中,生态学家已经开始将网络理论应用于自然。通过绘制物种之间的联系图,他们发现了所有生态网络组织的一些规则,以及这些规则如何帮助培育生物多样性。188金博网注册就送188他们也在研究生物入侵、过度捕捞和其他威胁如何重组这些网络,并可能使它们面临崩溃的风险。通过发现网络出现问题的早期预警信号,科学家们希望能够预测这些崩溃并防止它们发生。

如果物种之间有某种关系,它们就会加入一个生态网络。一种可能是捕食者,另一种可能是猎物。一种可能是树,另一种可能是鸟,通过粪便传播种子。生态学家们已经很清楚这样一个事实:自然界是由物种之间的联系构成的网络。毕竟,食物网在小学教科书中很常见。但是当第一个食物网在20世纪初出现在科学文献中时,它们并不被认为是生态网络的完整路线图。相反,它们是展示当时出现的一些新概念的漫画。

如果植物物种依赖于一个粉刷师,如果他们失去伴侣,他们很容易灭绝。

这些概念中最重要的一个是,植物和其他光合生物是地球上生命的基础。这些光合作用器将太阳能转化为生物质,然后喂养其他物种,这些物种又反过来喂养其他物种。这些基本的见解最终导致了保护生物学的重要进展。例如,它们帮助保护生物学家理解了杀虫剂和其他污染物是如何如此集中在北极熊和金枪鱼等大型食肉动物体内的。

然而,几十年来,关于生态网络的最佳图片仍然是极其简单的。记录生态系统中所有物种的相互作用要比找出网站之间的联系困难得多。许多生态学家也认为,不值得对网络进行太多细节的充实。随着网络变得更加集中和现实,生态学家们发现它们变得太复杂了,以至于无法理解——更不用说产生关于世界各地生态网络的任何规则了。

但近年来,生态学家已经开始揭示悲观主义。他们已经看到了科学家像巴拉巴西这样的科学家如何能够从全吹网络中提取有意义的教训。因此,生态学家借入了这些科学方法来分析网络而不详细淹死。

授粉
盖蒂张照片
蜜蜂和花朵是共同进化的生态系统伙伴。

他们的学习在生态学中最大的辩论中阐述了新的光明。例如,大多数植物都依赖于一种或另一种动物的动物来扩散他们的花粉。在某些情况下,科学家们已经发现了专注于彼此专门的精致共同进化的合作伙伴。例如,有些花卉在深度凹槽中保持花蜜只能通过舌头长度拉伸几英寸的舌头到达。其他粉粉犬挑剔,浏览了许多不同的物种,也有花卉不依赖于单一的粉刷师。

生态学家们一直在争论在生态系统中哪种合作关系——专业的还是广义的——才是最重要的。这个答案具有重要的现实意义。如果许多植物只依赖一个传粉者,那么一旦失去伴侣,它们就很容易灭绝。

Jordia Bascompte是西班牙研究委员会的生态学家,他的同事们已经向一些生态系统进行了目录,目录植物传染案的访问,并将动物访问每种植物。图片与另一个生态系统到另一个生态系统都是一样的。但这种情况与授予授予辩论中的简单极端情况不匹配。

大多数动物和植物只能用少数其他物种形成伙伴关系。一些通用的动物和植物与许多物种相互作用。一般主义者形成网络的高度连接的核心,与其他通用相互作用。专家倾向于与这些通用主义者而不是彼此互动,结果是粉刷网络围绕集线器排列。换句话说,野花的领域就像好莱坞一样。

就像好莱坞一样,球员之间存在很多竞争。例如,一般主义的蛾将访问几种植物以寻找食物。在某种程度上,如果蛾只访问它,并且没有其他物种,每种植物可能会更好。蛾会传播更多的花粉,因此更多的植物可以制作种子。

网络理论告诉科学家,复杂网络的细微变化可以引发突然的变化。

但Bascompte的研究表明,网络的好处超过了缺点。如果其他种类的植物被蛾子访问可以茁壮成长,这意味着蛾子有花蜜吃。这就意味着它们可以制造更多的飞蛾,从而可以更多地访问每一种植物。通过对这些相互作用进行建模,Bascompte发现传粉者和植物的小世界网络比其他类型的网络能培养更多的生物多样性。188金博网注册就送188

这种安排不仅促进了更多的生物多样性,也使生态网络更好地抵御攻击。188金博网注册就送188失去一个物种不太可能导致生态系统崩溃,因为生态网络中的大多数物种只与少数其他物种相连。因此,没有它的影响相对较小。另一方面,如果一个中心物种灭绝了,可能会有大麻烦。

最近,Bascompte和他的同事们在加勒比地区制定了海洋生态系统网络。他们发现鱼形式形式被称为模块的互连簇。在每个模块中,节点彼此更加连接,而不是模块外部的其他节点。每个模块都是围绕鲨鱼组织的,它作为顶级掠夺者。一些模块包含了几种鲨鱼,但许多包括在内。鲨鱼可能会将自己分成不同的模块,因为它们避免彼此竞争鱼类。

因此,加勒比网络是围绕鲨鱼组织起来的,每个物种在其特定模块中都是一个高度连接的枢纽。这种安排意味着,过度捕捞鲨鱼对海洋生态系统的影响可能比生态学家此前意识到的还要大。随着鲨鱼种群的减少,模块中的其他鱼类也会受到影响。鲨鱼吃的鱼会暴增,进而给这些鱼吃的物种带来压力。随着鲨鱼接管失去枢纽的模块,整个网络的结构也可能发生变化。在这种新的格局下,整个食物网可能会变得脆弱,因此更容易受到突然崩溃的影响。

网络理论告诉科学家,复杂网络的细微变化可以引发突然的变化。例如,金融市场在崩溃前可能会上下波动。还可以监测生态系统以获得崩溃的早期预警信号。森林比任何一棵树都能告诉生态学家更多即将到来的麻烦。