一种数学模型已经被开发出来，以预测引入新物种对生态系统的影响，预测这些物种是会繁衍生息还是衰退消亡。
将新物种引入生态系统可能会导致其成功建立，也可能导致其最终灭绝。麻省理工学院的研究人员创造了一个可以准确预测这些结果的公式。
科学家们基于对实验室土壤细菌培养的多种情况进行了广泛分析，构建了他们的模型。他们计划在更大的生态系统中验证他们的公式，比如森林。这个框架也可能有助于预测益生菌和粪便微生物群移植（FMT）疗法在治疗人类肠道感染中的有效性。
“许多益生菌被消费，但其中很多无法有效地定植于肠道微生物群。引入它们并不保证增长或健康益处，”研究的主要作者，朱良胡（Jiliang Hu） SM ’19，PhD ’24 解释道。
麻省理工学院的物理教授杰夫·戈尔（Jeff Gore）是发表在《自然生态与进化》期刊上的这项研究的高级作者。来自蒙彼利埃植物健康研究所的马修·巴尔比耶（Matthieu Barbier）和以色列理工学院的物理教授盖·布宁（Guy Bunin）也是论文的合著者。
种群变化
戈尔的实验室专注于利用微生物研究受控环境中物种之间的相互作用，旨在增强对生态系统行为的理解。他们之前的研究显示，微生物环境的改变如何影响社区的稳定性。
在这项研究中，团队试图确定影响物种入侵成功或失败的因素。生态学家此前理论认为，生态系统中更高的生物多样性增强了其对入侵的抵抗力，因为大多数生态位都被填满，新入侵者的资源有限。
然而，在自然界和实验室环境中，证据表明情况并不总是如此——虽然一些生物多样性很高的生态系统确实抵抗入侵，但其他生态系统可能更容易受到入侵。
为了揭示为何会出现如此不同的结果，研究人员创建了来自当地土壤的400多个土壤细菌群落。他们组成了12到20种细菌的组合，然后在六天后引入一种随机物种作为入侵者。在实验的第十二天，他们对所有存在的细菌进行了基因组测序，以检查入侵者是否占据了生态位。
在每次实验中，细菌生长基质中的养分水平都进行了变化。高养分设置增强了微生物之间的相互作用，导致资源竞争加剧或由于pH相关毒素等因素的相互抑制。一些社区实现了稳定，其中微生物的比例在一段时间内保持相对恒定，而其他社区则表现出显著的人口波动。
研究表明，这种波动在决定入侵结果方面至关重要。波动较大的社区往往表现出更高的多样性，但也展现出成功入侵的更高可能性。
“这些波动并不是由于环境变化引起的，而是来自内部物种之间的相互作用。我们的发现表明，波动的社区在抵御入侵方面更为脆弱，并且与稳定的社区相比多样性更高，”胡指出。
在入侵者繁荣的社区中，其他物种仍然存在但数量减少，而在某些情况下, 驻留物种则完全被竞争出局。这种位移在特征明显的强烈物种竞争的生态系统中更为常见。
相反，在具有稳定和较少多样性种群的生态系统中，物种之间的相互作用更强，入侵更有可能失败。
研究人员发现，在入侵之前幸存的原始物种的比例是预测入侵成功的指标。这个“生存比例”可以通过比较局部多样性（特定区域的物种数量）与区域多样性（更大区域的物种总数）来评估自然社区。
“如果能研究局部和区域多样性是否可以预测自然生态系统的入侵易感性，那将是很有趣的，”戈尔表示。
确定成功
研究还揭示，在特定条件下，物种引入的顺序会影响入侵成功。当物种之间的相互作用较强时，后来到的物种在早期物种定居后面临较低的建立机会。
在互动较弱的情况下，这种“优先效应”是微不足道的，导致无论物种到达顺序如何都保持一致的稳定状态。
“我们发现，当交互作用强烈时，后来到的入侵者处于劣势。这在生态学中很有趣，因为在某些情况下，到达的顺序显著重要，而在其他情况下则没有，”胡补充道。
研究人员计划在具有可用物种多样性数据的生态系统中验证他们的结果，包括人类肠道微生物组。他们的模型可以预测益生菌治疗的有效性，这涉及到摄入有益细菌，或用于治疗严重感染的FMT程序，如C. difficile感染，这涉及将有益细菌从捐赠者的粪便移植到患者体内。
“入侵可能是有益的或有害的，这取决于背景，”胡表示。“例如，在使用益生菌或FMT治疗C. difficile感染时，我们希望有益物种的成功入侵。同样，在农业中，当益生菌或有利物种被引入土壤时，我们也希望它们成功整合。”
