多物種共存是群落生態(tài)學(xué)研究的核心，是生物多樣性保護(hù)的基礎(chǔ)，其關(guān)鍵是生物間的相互作用。從19世紀(jì)的Logistic種群增長(zhǎng)模型，到20世紀(jì)的Lotka-Volterra競(jìng)爭(zhēng)模型、和極限相似性等，再到21世紀(jì)的當(dāng)代物種共存理論等的近200年研究，其主體都是建立在生物間直接相互作用的基礎(chǔ)之上。受還原論思維的影響，人們習(xí)慣將復(fù)雜自然群落分解還原為簡(jiǎn)單的配對(duì)物種間的直接相互作用，然后再將這些配對(duì)組裝起來(lái)重新認(rèn)識(shí)原先的自然群落。在這“一分一合”的過(guò)程當(dāng)中，諸多與復(fù)雜系統(tǒng)相關(guān)的信息隨之丟失，其中最為重要的一個(gè)方面即為生物間的間接相互作用，因?yàn)閺?fù)雜的自然群落因多物種間的相互作用形成的網(wǎng)絡(luò)并不能簡(jiǎn)單的還原為配對(duì)物種之間的直接相互作用 (圖1)。因此，僅基于物種間的直接相互作用的模型很難準(zhǔn)確模擬和預(yù)測(cè)個(gè)體適合度、種群動(dòng)態(tài)以及物種共存和群落的穩(wěn)定性，這種理論預(yù)測(cè)與現(xiàn)實(shí)觀測(cè)的鴻溝使得生態(tài)學(xué)家開(kāi)始更加關(guān)注生物間的間接相互作用，尤其是高階相互作用 (Higher-Order Interactions, HOIs)。
圖1鄰體樹(shù)木對(duì)目標(biāo)樹(shù)木的直接影響 (紅色箭頭) 與高階影響 (藍(lán)色箭頭) 示意圖。
高階相互作用 (圖1) 一般定義為物種j (Transmitter of HOIs) 對(duì)物種i (Receiver of HOIs) 的直接相互作用作用強(qiáng)度 (αij) 因物種k的(Initiator of HOIs) 存在改變強(qiáng)度 (βijk)，因而也被稱為相互作用的調(diào)節(jié) (Interaction modifications)。近年來(lái)，人們從理論層面上開(kāi)始探討高階相互作用在物種共存與生物多樣性維持中的重要意義，然而卻鮮有研究在自然群落去驗(yàn)證高階相互作用的普遍性和重要性。
近日，我校生命科學(xué)學(xué)院儲(chǔ)誠(chéng)進(jìn)教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合澳大利亞昆士蘭大學(xué)、廣西植物研究所、捷克Silva Tarouca研究所和捷克布爾諾孟德?tīng)柎髮W(xué)(Mendel University in Brno)的科研人員，在National Science Review上發(fā)表了題為“Beyond direct neighbourhood effects: higher-order interactions improve modelling and predicting tree survival and growth”的論文對(duì)此進(jìn)行了研究。
該研究首次明確指出個(gè)體水平高階相互作用 (Individual-level HOIs)，既能統(tǒng)一狹義高階相互作用 (Hard-HOIs) 與廣義高階相互作用 (Soft-HOIs) 在定義上的分歧，又能在計(jì)算直接和高階相互作用時(shí)明確考慮個(gè)體信息 (個(gè)體大小和空間位置等)；并提出了量化個(gè)體水平高階相互作用的新方法。在此基礎(chǔ)上，對(duì)捷克一個(gè)25公頃的溫帶森林樣地 (Zofin) 中兩個(gè)優(yōu)勢(shì)物種歐洲水青岡 (Fagus sylvatica) 和歐洲云杉 (Picea abies) 個(gè)體水平高階相互作用進(jìn)行了檢驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)包含高階相互作用的模型可以顯著提高對(duì)歐洲水青岡和歐洲云杉存活與生長(zhǎng)的預(yù)測(cè)。在該樣地中，鄰體對(duì)目標(biāo)個(gè)體的直接影響均不利于目標(biāo)個(gè)體的存活和生長(zhǎng)，但是正的高階相互作用弱化了這種直接競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度 (圖2)。因此，以往研究因忽略鄰體高階相互作用很可能低估了鄰體對(duì)目標(biāo)個(gè)體的直接作用強(qiáng)度。該研究首次提供了森林群落中樹(shù)木間高階相互作用的證據(jù)，并為廣泛檢驗(yàn)高階相互作用在自然群落中的普遍性和重要性，探索高階相互作用的緯度格局，揭示高階相互作用的發(fā)生機(jī)制及其對(duì)生物多樣性維持的影響提供了重要的基礎(chǔ)。
圖2 鄰體對(duì)目標(biāo)樹(shù)種歐洲水青岡 (Beech) 和歐洲云杉 (Spruce) 存活和生長(zhǎng)的累加影響、直接影響和高階影響。
生命科學(xué)學(xué)院博士后李遠(yuǎn)智為該研究論文的第一作者，儲(chǔ)誠(chéng)進(jìn)教授為通訊作者。該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (“杰青”項(xiàng)目、“優(yōu)青”項(xiàng)目和青年項(xiàng)目)、中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。
