生态互利网络结构与动力学特性的涌现

当两类物种间的相互作用互惠互利时，便形成了互利网络。它们是进化塑造的合作的重要范例。动物与植物之间的互利共生在生态群落的组织中起着关键作用。此类生态网络通常演化出一种嵌套架构，该架构独立于物种组成和纬度——专性物种仅与泛性物种所交互节点的一个适当子集进行交互。尽管人们持续努力基于群落层面的稳定性或持久性来解释观测到的网络结构，但此类相关性研究达成的共识极少。在此，我们证明嵌套相互作用网络可能是旨在最大化互利群落中物种丰度的优化原则的结果。通过解析和数值方法，我们表明，由于互利相互作用，给定物种丰度的增加会导致群落中个体总数以及相互作用矩阵嵌套性的相应增加。事实上，物种丰度与相互作用矩阵的嵌套性之间的相关程度取决于互利相互作用的强度。在稳态条件下，变分原理的多种动力学实现均会出现嵌套性以及泛性物种和专性物种的自发涌现。优化后的网络在保持稳定的同时，其恢复力往往低于具有随机分配相互作用的对应网络。特别是，我们通过解析表明，最稀有物种的丰度直接与群落的恢复力相关。我们的工作为研究生态互利网络的涌现结构和动力学特性提供了一个统一框架。