不可能的生态：生态群落中的相互作用网络与共存稳定性

一个生态群落是否允许稳定共存？确定回答此问题的一般原理是理论生态学的核心问题。随机矩阵理论方法已揭示物种间竞争、互利和捕食者-猎物相互作用对共存稳定性影响的总体趋势。然而，一个生态群落不仅由这些不同相互作用类型的计数决定，还由其网络排布决定。这无法在可直接支撑随机矩阵理论方法的统计描述中加以考虑。为此，我们在此发展了一种不同的方法，即对小型生态群落进行穷举分析，以表明这种相互作用排布对共存稳定性的影响可超过这些总体趋势。我们通过结合$N\leqslant 3$物种的精确结果与数值探索，分析了具有Lotka-Volterra动力学、含$N\leqslant 5$个物种的所有相互作用网络。令人惊讶的是，我们发现其中极小子集为“不可能的生态”，其中稳定共存非平凡地不可能。我们证明，一般生态中稳定共存的可能性由类似的罕见“不可约生态”决定。通过对相互作用强度随机采样，我们进而表明，即便仅在相同生态相互作用的网络排布上不同的生态，其稳定共存的概率也可跨越多个数量级变化。最后，我们证明本方法能揭示相互作用网络的进化或环境扰动效应。总体而言，本工作揭示了相互作用完整网络结构对生态群落共存稳定性的重要性。