Noise-induced excitability: bloom, bust and extirpation in autotoxic population dynamics

物种种群常随其生长而修改其环境。当环境反馈的作用速度慢于种群增长时，系统可能发生超支-崩溃动力学，即种群超出其承载容量并随后崩溃。在极端情况下，这种崩溃可导致总灭绝。虽然确定性模型通常无法捕捉这些有限时间灭绝事件，但本文提出了一个从 individual-based 模型派生的随机框架，以描述超支-崩溃-灭绝动力学。我们识别出一种噪声驱动的类阈值行为，具体取决于初始条件，种群要么发生“超支”，要么在扩张前就被灭绝。此外，我们描述了从一种可激动（excitable）制度到持久制度的转变，后者表明大多数轨迹在第一次崩溃后立即被吸收态捕获，而大多数种群则到达准稳态。我们表明，这一转变由噪声强度和环境-种群时间尺度之比决定。该框架为理解入侵物种、植物 succession、微生物动力学以及癌症肿瘤消除等不可逆转变提供了理论依据。