【原】生物群落随着能量地形的高低而变化—实现数据驱动的生物多样性变化预测—

Wsz6868 2025-05-02 发布于浙江

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生物群落随着能量地形的高低而变化—实现数据驱动的生物多样性变化预测—

(筑波研究学园都市记者会、环境省记者俱乐部、环境记者会、文部科学记者会、科学记者会同时发放)

2025年4月30日，星期三

国立研究开发法人国立环境研究所

国立研究开发法人理化研究所

在实现自然积极成为社会课题的过程中，生物多样性变化预测的必要性日益提高。另一方面，众所周知，在漫长的进化历史背景下，由各种生物构成的生态系统即使发生同样的环境变化，也会表现出独特的行为。因此，迄今为止，在广泛的条件下预测生物多样性的状态变化是很困难的。

由国立环境研究所的角谷拓室长、理化学研究所生物资源研究中心的铃木健大研究员、北卡罗莱纳大学格林斯堡的照井慧助教组成的研究小组，利用被称为能量地形分析的方法，对多个生物物种的组合(以下称为“群落组成”)进行了研究。 )的能量进行了估算。以模拟生成的群体和各种野外群体为对象，在变化前和变化后进行了能量评估，结果显示群体组成的时间变化会从能量高(不稳定)状态向能量低(稳定)状态呈现可预测的轨迹。并且，明确了变化前的状态越不稳定，群体组成的变化就越大。

能量地形分析可以根据生物群落的空间模式进行能量估计，因此也适用于没有长期观测数据的情况。本研究的成果将通过提供支持生物多样性预测的基础性知识和技术，为实现自然积极做出贡献。

本研究成果于2025年4月21日刊登在《美国科学院院报( PNAS )》上。

1 .研究的背景和目的

适用于广泛条件的生物多样性预测方法尚未确立

生物多样性的丧失成为社会课题，推进面向其解决的措施(自然积极)的机会正在提高。为了实现自然积极，评价生物多样性的状态，正确预测生物多样性的变化是基础。另一方面，众所周知，在漫长的进化历史背景下，由各种生物构成的生态系统，即使发生同样的环境变化，也会表现出各自独特的行为。因此，迄今为止，在广泛的条件下预测生物多样性的状态变化是很困难的。可以说，正在寻求适用于各种生物分类群和包括大环境不均匀性在内的大范围尺度等的方法。

什么是群体组成的能量

近年来，在生态学领域得到应用的能量地形分析具有成为这种方法的基础的可能性。在能量地形分析中，首先根据实际观测到的群体组成的模式和环境条件，构建推测群体组成的统计模型。在此基础上，测量作为评价对象的人群组成与统计模型的推测有多大的差异。在能量地形分析中，将该模型与评价对象之间的差异的大小作为人群组成的能量。也就是说，作为对象的群体组成越难实现，与统计模型的差异就越大，也就是说能量越高。

能量高度与不稳定性关系的假设

对于每个群体组成状态和环境条件的组合，能量地形分析可以根据群体组成的变化路径绘制能量曲面(能量地形) (图1 )。如上所述，能量高的人群组成是难以实现的人群组成。因此，如图1的箭头所示，可以预想能量高的群体很难实现，即使观测到，也容易向能量更低的方向变化。但是，除了数理模型和微生物群落等部分例外，迄今为止还没有以生物群落为对象进行过这种关系的验证。如果在各种生态系统中这种关系是正确的，那么现在能量高的群体是不稳定的，由此可以预测将来很可能会经历巨大的能量减少和巨大的群体组成变化(图1 )。

图1 .根据实际生物群落组成数据推算的能量地形示例。当环境条件不同时(如环境①、②、③)，群体组成的变化途径也不同。另外，即使在环境条件不随时间变化的情况下，群体也有向能量低的方向变化的倾向(蓝色箭头)。

2 .研究目的和方法概述

模拟人群验证

本研究首先利用同时模拟大量人群动态的数值模型，模拟人群组成随时间的变化，生成了不同时间点的人群组成数据集。在验证中，在2个时间点的数据集内，将前者用作训练数据(当前数据)，将后者用作验证数据(将来数据) (图2 )。结果显示，根据训练数据被评价为能量较高的群体，验证数据的能量变化会向更低的方向发生，而且群体组成的变化也会变大(图2 )。

图2 .用模拟实验研究群体组成的能量高度和群体变化的关系的结果的例子。表明当前群体组成的能量越大，未来的能量减少越大(左图)，群体组成的变化程度也越大(右图)。另外，在使模拟的条件发生各种变化的情况下也得到了同样的结果。

在实际生态系统中的验证

本研究对实际的生态系群落(鸟类、淡水鱼类、淡水贝类、浮游植物)也进行了与对模拟群落进行的验证相同的验证。在验证中，为了和模拟一样用于训练数据和验证数据，以在不同的两个时间点观测到群体组成的数据集为对象。所有分类群都得到了一致的结果:当前群体组成能量较高的群体将来倾向于能量大量减少，而且将来倾向于经历更大的群体组成变化(图3 )

图3 .研究实际生态系统中群落组成的能量高度与群落变化的关系的结果。横轴呈回归系数，负值与两者呈负相关，正值与两者呈正相关。在所有系统中，都显示出现在的群体组成的能量越大，将来的能量减少越大(左图)，群体组成的变化程度也越大(右图)。

三.研究成果的意义和今后的展望

用于生态学领域一般规律探索的起爆剂

本研究表明，生物多样性的变化遵循简单统一的规律，即目前状态下能量更高的群体组成更不稳定，将来容易发生更大的变化。该成果表明，此前被认为是概率论或中立过程的群体变化中的广泛现象，从群体状态能量这一新的评价轴来看，有可能具有隐性结构。基于本研究成果的这种重新研究，有望为加深对生态系统这一复杂系统的动力学的理解做出巨大贡献。

对实现数据驱动的生物多样性预报的贡献

此外，本研究的成果可以成为生物多样性领域新一代类型的未来预测的基础，也可以称为数据驱动的生物多样性预报。近年来，以环境DNA分析为代表，生物多样性的观测技术取得了惊人的发展。能量地形分析是一种数据驱动的方法，有越多的数据可用，可以进行更高精度的能量地形估计。因此，通过安装观测技术，将每天积累的生物群落数据输入以能量地形分析为核心的分析平台，就可以高频率地输出生物多样性变化预报，为描绘这样的具体情况奠定了基础。本研究的成果，作为支持生物多样性预测的科学技术基础之一，将为实现自然积极面，进而保护广泛的全球共通点做出巨大的贡献。