隐藏在生态系统中的混沌

当生态学在 19 世纪第一次被确认为一门正式的科学时，一种普遍的假设是，自然遵循着简单的且容易理解的规则，就像一个由严丝合缝的齿轮驱动的机械钟。如果科学家能够测量正确的变量，就可以预测结果，比如，更多降水就意味着更好的苹果收成。

但随着认识的深入，人们越来越意识到，混沌在自然中无处不在，天气系统中，水流涡旋里，行星轨道上 ……

混沌系统是一种在短期内或许可以预测，但长期无法预测的系统，它们由对事件的非线性反应所主导，对初始条件的微小差异非常敏感。

在过去几十年间，生态学家也试图将混沌的概念引入生态学。然而，到了 20 世纪 90 年代，一些评估自然界种群中混沌普遍性的元分析却表明，混沌在自然种群中似乎不存在，或者非常罕见，大约只有一成的种群似乎发生着混沌变化，其余的则是以某种稳定循环的方式变化，或者发生随机波动。这好像有些出乎意料。

近日，一项新的分析颠覆了原先的观点。更详细的研究认为，自然种群中的混沌比之前认为的要普遍得多。论文已发表在《自然 · 生态与进化》上。

有规律、随机还是混沌？

在生态系统中，生物种群的波动通常也很大。对种群变化来说，生态学家思考的一个关键问题是，这些波动是有规律的，也就是围绕一些理论上 " 稳定 " 的平衡点变化，还是随机、完全不可预测的，抑或是，它们是混沌的？

虽然先前的研究表明混沌在生态种群中非常罕见。但在新研究中，团队在评估后认为，先前元分析中的方法学假设对检测混沌存在偏见。这可能是由于有限的数据量，并且使用了不恰当的方法，原先的结论并不是来自生态系统固有的稳定性。

在新的分析中，科学家有了更多可用的数据。团队使用了更新的混沌检测新算法，并在模拟数据集上对它们进行了严格的测试。随后，他们将三种最好的方法应用于全球种群动态数据库的 172 个种群时间序列的数据集。

结果发现，在分析的生态数据库中，超过 30% 的种群存在混沌动态的证据。

这项新的分析还揭示了混沌动力学、寿命和体型之间有趣的联系。混沌在浮游生物和昆虫中最为普遍，在鸟类和哺乳动物中则最不普遍，鱼类相对居中。

也就是说，很多短寿命的物种倾向于有混沌的种群动态，它们也是倾向于有 " 大起大落 " 变化动态的物种。

预测的内在局限性

了解种群波动的模式，对预测种群大小，以及它们对管理干预措施的反应有着深远的影响。

这些结果表明，生态预测可能存在着一种内在局限性。这也提醒了人们，在对生态系统进行保护和管理中，不应该使用基于平衡的方法，特别是针对那些短寿命的物种。

比如，从渔业管理的角度来看，研究人员希望能预测鱼类种群，以便为渔业捕捞设定限制。如果人们没有意识到混沌的存在，可能就会失去使用适合混沌系统的方法进行短期预测的可能性，而对我们进行长期预测的能力过于自信。