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生物多样性和生态系统功能之间关系的具体情形

2011-02-28 12:51 生命科学研究快报 阅读 0
核心摘要: 据 自然 杂志报道 研究人员生成了20个海洋细菌物种 以便让它们适应少量资源 专性物种 或很多资源 广谱物种 并能够对由这些菌种构建的群落的生物多样性进行操纵 结果证明 专性物种的群体平均来说生产力更 关键词:生态系统、轴突
   

据《自然》杂志报道,研究人员生成了20个海洋细菌物种,以便让它们适应少量资源(专性物种)或很多资源(广谱物种),并能够对由这些菌种构建的群落的生物多样性进行操纵。结果证明,专性物种的群体平均来说生产力更高,因为它们能够利用环境的异质性,但专性物种对于—生态系统功能曲线”斜率的贡献更大。这项工作为决定物种灭绝所产生的功能后果的进化史首次提供了实验证据,并且对于保护策略方面的工作也有参考价值。

 

(1)生物多样性是一个复杂网络

传统上,生物多样性的研究存在较大的难度,其主要原因之一就是于其复杂性和动态性。可以说,生物多样性是一个由基因、物种、生态系统以及维持地球上生命的生态过程所组成的复杂的网络体系。生物多样性是一个综合性的术语,常包含从基因到物种和生态系统范围的各种尺度和组织水平上的类型、形态、空间配置、过程和生物系统的相互作用,以及导致他们存在的进化史。

当前,生物多样性正在经受着前所未有的快速变化,而这些变化又具有长期、复杂、后果滞后和难以预测的特点。因此,上述要闻的研究成果是对生物多样性研究的一个重要补充:传统上对生物多样性的研究通常只集中于物种的丰富程度,但忽略了物种间的相互作用。现有的研究或事先假定物种间的相互作用为均匀分布或一次只考虑两个或几个物种间的相互作用。专性物种的群体研究则为这种相互作用的发展提供了很好的依据。

 

2)生物体内的网络结构、生态系统复杂网络的共同特性

第200期的《生命科学研究快报》对生物分子调控进行了分析:随着“人类基因组计划”的实施和“后基因组时代”的到来,研究人员逐渐意识到,生命并非是一架基于还原论原理建造的“自动机”,而是一个按照与还原论大相径庭的方式构成的“复杂系统”。

这种生物体内的网络结构,与本期要闻所提及的生态系统复杂网络存在复杂系统的一些共性:无所不在的相互作用。如果从这一角度来看,几乎所有的标度上,复杂系统都具有网络的特征:每一个细胞又是分子之间通过生化反应而形成的一个网络,人的大脑是由神经细胞通过轴突连接而成的一个网络,食物链以及生态系统则可以视为由物种构成的一个网络。

(3)考察对象的转变

也就是说,对于生命科学而言,随着研究的逐步深入,其基本的考虑对象已经不再是传统科学中所而是它们之间的相互作用和相互关系。

 

(4)系统的动态演化机制研究

另一方面,在分析方法上,要获得对生命体和生态系统中动态的演化网络的动态分析能力,不能简单的依靠物理统计的方法,而需要更加深入的研究系统的动态演化机制。

复杂网络起源于生物学与社会学,也最终会逐渐成为这两个领域的重要研究方法,服务于生物学的动态演化研究。

 

(5)生物神经系统的复杂网络特点

除了上述提及的细胞内生物分子网络和生态系统网络外,在生命科学的研究对象中,生物神经系统也是具有极其复杂结构的信息网络系统,包括各种感受器官和中枢神经系统。复杂脑网络可分为基于神经解剖学的结构性网络(structural network )、由于神经元集群的非线性动力学行为呈现统计学依赖性模式所产生的功能性网络(functional network)、以及比功能性网络更强调节点之间相互因果作用的效率性网络(effective network)等。

2008年5月,来自美国印第安那大学、哈佛大学医学院、瑞士洛桑大学和洛桑联邦理工学院创建出首张完整的大脑网络地图,它的精细程度无与伦比。该图反映了人类大脑皮层中负责高等思维的数百万神经纤维,如何相互连接和“交谈”。更为重要的突破是,研究人员从中确定出了一个大脑单一网络核心,它对于左右脑半球的工作都至关重要。新研究标志着人类在理解自身最复杂和最神秘器官上的一大进步。他们不仅提供了大脑连接的综合地图,同时也描述了一种新型无创技术,以便其他研究人员能够将构建数万亿大脑神经联系的高清晰地图工作进行到底。

2010年,美国国家科学院院刊(PNAS)刊发了一篇划时代意义的文章,题为“猕猴大脑长距网络架构”(一种开放式文件),研究人员着重于383个脑区的长距网络和通过大脑白质传输的6 602个长距大脑连接,它们就是辽阔的大脑区域间的“州际公路”,短距的灰质连接(基于神经元)在局部大脑区域和下分结构构成“局部连路”。他们的研究建立一个公开的数据库名为猕猴大脑连接数据校对(CoCoMac),它汇集了来自过去半个多世界400多研究人员发布的神经解剖学的解剖跟踪数据的科研报告。

                                                    (江洪波 整理)
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