用稳定婚姻问题解释微生物群落中的多重稳定状态

对微生物群落的实验研究经常揭示它们具有多重稳定状态。虽然这些状态通常各自具有恢复力，但某些扰动如抗生素、益生菌和饮食改变会导致向其他状态转变。我们能否可靠地预测此类稳定状态，并引导和控制它们之间的转变？在此我们提出一个受博弈论与经济学中稳定婚姻问题启发的新概念模型，其中微生物群落自然展现出多重稳定状态，每一状态具有不同物种的丰度剖面。我们模型的核心要素是微生物在相互竞争的同时一次利用一种营养物质。仅使用两张排序表——一张为微生物的营养偏好，一张为其竞争能力——我们就能确定所有可能的稳定状态，并预测由特定营养物质或微生物的移除或添加所触发的状态间转变。进一步，以人类肠道中常见的7种拟杆菌属物种利用9种多糖为例，我们预测营养偏好上的相互互补使这些物种得以在高丰度下共存。