上海交通大学：《生物技术与人类》通识课程教学资源（学生阅读理解）大型复杂生态系统能否稳定存在？

上海交通大学通识教育立项核心课程 课程名称：生物技术与人类课程编号： BI906姓名：徐万洪 班级： F1107104 学号： 5110719099专业： 数学金融 阅读与理解 题目编号 27 得分 序 阅读文章名称 1 A new hominin foot from Ethiopia shows multiple Pliocene bipedal adaptations 2 Additive threats from pathogens,climate and land-use change for global amphibian diversity 3 Causes,consequences and ethics 4 Changing Arctic Ocean freshwater pathways 5 Clonal evolution in relapsed acute myeloid leukaemia revealed by whole-genome sequencing 6 Comparing the yields of organic and conventional agriculture 7 Consequences of changing 8 Ecology drives a global network of gene exchange connecting the human microbiome 9 Emerging fungal threats to animal,plant and ecosystem health 10 Evolution of increased complexity in a molecular machine 11 Genetic contribution to stability and change in intelligence from childhood to old age 12 Getting the measure of biodiversity 13 Global patterns in biodiversity 14 Global warming preceded by increasing carbon dioxide concentrations during the last deglaciation 15 Insights into hominid evolution from the gorilla genome sequence 16 Prediction mutation outcome from early stochastic variation in genetic interaction partners 17 Rapid evolutionary divergence and ecotypic diversification of germination behavior in weedy rice populations 18 Recent contribution of glaciers and ice caps to sea level rise 19 Regeneration of whole fertile plants from 30000-y-old fruit tissue buried in Siberian permafrost 20 Reversal of cocaine-evoked synaptic potentiation resets drug-induced adaptive behaviour 21 Stability and complexity in model ecosystems 22 Stability criteria for complex ecosystems 23 Systematic conservation planning 24 The diversity-stability debate 25 The Medicago genome provides insight into the evolution of rhizobial symbioses 26 Twenty-first-century warming of a large Antarctic ice-shelf cavity by a redirected coastal current 27 Will a Large Complex System be Stable

上海交通大学通识教育立项核心课程 课程名称： 生物技术与人类 课程编号： BI 906 姓名： 徐万洪 班级： F1107104 学号： 5110719099 专业： 数学金融 阅读与理解 题目编号 27 得分 序 号 阅读文章名称 1 A new hominin foot from Ethiopia shows multiple Pliocene bipedal adaptations 2 Additive threats from pathogens, climate and land-use change for global amphibian diversity 3 Causes, consequences and ethics 4 Changing Arctic Ocean freshwater pathways 5 Clonal evolution in relapsed acute myeloid leukaemia revealed by whole-genome sequencing 6 Comparing the yields of organic and conventional agriculture 7 Consequences of changing 8 Ecology drives a global network of gene exchange connecting the human microbiome 9 Emerging fungal threats to animal,plant and ecosystem health 10 Evolution of increased complexity in a molecular machine 11 Genetic contribution to stability and change in intelligence from childhood to old age 12 Getting the measure of biodiversity 13 Global patterns in biodiversity 14 Global warming preceded by increasing carbon dioxide concentrations during the last deglaciation 15 Insights into hominid evolution from the gorilla genome sequence 16 Prediction mutation outcome from early stochastic variation in genetic interaction partners 17 Rapid evolutionary divergence and ecotypic diversification of germination behavior in weedy rice populations 18 Recent contribution of glaciers and ice caps to sea level rise 19 Regeneration of whole fertile plants from 30000-y-old fruit tissue buried in Siberian permafrost 20 Reversal of cocaine-evoked synaptic potentiation resets drug-induced adaptive behaviour 21 Stability and complexity in model ecosystems 22 Stability criteria for complex ecosystems 23 Systematic conservation planning 24 The diversity–stability debate 25 The Medicago genome provides insight into the evolution of rhizobial symbioses 26 Twenty-first-century warming of a large Antarctic ice-shelf cavity by a redirected coastal current 27 Will a Large Complex System be Stable

Robert M.May.Will a Large Complex System be Stable?Nature,1972,238:413~414 大型复杂生态系统能否稳定存在？ 徐万洪 一、背景知识 生态系统的稳定性是指生态系统保持正常动态的能力，主要包括抵抗力稳定性和恢复力 稳定性。本论文只讨论恢复力稳定性。生态系统具有恢复力稳定性是由于生态系统具有自我 调节能力。生态系统的自我调节能力主要表现在3个方面：第一，是同种生物的种群密度的 调控，这是在有限空间内比较普遍存在的种群变化规律：第二，是异种生物种群之间的数量 调控，多出现于植物与动物或动物与动物之间，常有食物链关系：第三，是生物与环境之间 的相互调控。本论文只考虑前两种调节。 Gardner,,M.R.和Ashby,W.R.教授在1970年的Nature杂志上指出(Nature,1970,228:784), 他们通过电脑模拟4,7,10个物种组成的生态系统，得出结论：大型复杂生态系统在关联度 (connectance,由食物网结构决定)未达到临界值时以较大的概率保持稳定，一旦突破临界 值，系统会急剧地转向不稳定。 二、创新点 Robert M.May教授认为Gardner,.M.R.和Ashby,W.R.教授计算机模拟的物种数过少，所 以采用了数学理论分析的方法研究大型复杂生态系统的稳定性。 三、读后感 Robert M.May教授设想一个具有n个物种的生态系统，以xl,x2,…,xn表示n各物种各自 的数量。那么这各物种互相影响的关系可以用一阶常微分方程 dX/dt=f(X,t) 来表示，假设各物种相互影响的能力与时间无关，关系式转变为 dX/dt=f(X) 考虑系统稳定性即求微分方程的平衡解，为方便处理，将X)在奇点附近泰勒展开，从而得到 线性关系式 dX/dt=AX 系数矩阵A的元素A(j)表明了物种j对物种i的影响(A(j=0表明物种j与物种i不相关， A(ij)>0物种j与物种i共生或物种j被物种i捕食，A(j0物种j捕食物种i) 再假设如果只存在单个物种系统是稳定的，那么系数矩阵A的对角线元素应当为负，简单起

Robert M. May.Will a Large Complex System be Stable?Nature,1972,238:413~414 大型复杂生态系统能否稳定存在？ 徐万洪 一、背景知识 生态系统的稳定性是指生态系统保持正常动态的能力，主要包括抵抗力稳定性和恢复力 稳定性。本论文只讨论恢复力稳定性。生态系统具有恢复力稳定性是由于生态系统具有自我 调节能力。生态系统的自我调节能力主要表现在 3 个方面：第一，是同种生物的种群密度的 调控，这是在有限空间内比较普遍存在的种群变化规律；第二，是异种生物种群之间的数量 调控，多出现于植物与动物或动物与动物之间，常有食物链关系；第三，是生物与环境之间 的相互调控。本论文只考虑前两种调节。 Gardner,M.R.和 Ashby,W.R.教授在 1970 年的 Nature 杂志上指出（Nature,1970,228:784), 他们通过电脑模拟 4,7,10 个物种组成的生态系统，得出结论：大型复杂生态系统在关联度 （connectance，由食物网结构决定）未达到临界值时以较大的概率保持稳定，一旦突破临界 值，系统会急剧地转向不稳定。 二、创新点 Robert M. May 教授认为 Gardner,M.R.和 Ashby,W.R.教授计算机模拟的物种数过少，所 以采用了数学理论分析的方法研究大型复杂生态系统的稳定性。 三、读后感 Robert M. May 教授设想一个具有 n 个物种的生态系统，以 x1,x2,……，xn 表示 n 各物种各自 的数量。那么这 n 各物种互相影响的关系可以用一阶常微分方程 dX/dt=f(X，t) 来表示,假设各物种相互影响的能力与时间无关,关系式转变为 dX/dt=f(X) 考虑系统稳定性即求微分方程的平衡解，为方便处理，将 f(X)在奇点附近泰勒展开，从而得到 线性关系式 dX/dt=AX 系数矩阵 A 的元素 A（i,j)表明了物种 j 对物种 i 的影响（A（i,j)=0 表明物种 j 与物种 i 不相关， A（i,j)>0 物种 j 与物种 i 共生或物种 j 被物种 i 捕食，A（i,j)<0 物种 j 捕食物种 i） 再假设如果只存在单个物种系统是稳定的，那么系数矩阵 A 的对角线元素应当为负，简单起

见，设对角线元素都为-1。那么矩阵A可以写成B-L,其中I为单位阵，B的对角线元素为0. 由于假设所研究的系统是随机配置的，所以矩阵B的元素是服从期望为零的随机分布的。再 假设该分布的均方值为α。 至此研究系统稳定性的问题转化为研究常微分方程 dX/dt=AX 平衡解稳定性的问题。所以当系数矩阵A的特征值实部全部小于零时系统稳定。 下面讨论系数矩阵一旦取定，系统稳定的概率大小。根据Wigner的随机矩阵半圆律，当 n充分大时，如果an(-1/2),那么系统稳定的的概率趋近于0. 当n远大于1时，随着a突破临界值n(-1/2),系统的稳定性变化是极其迅速的，具体而 言，过渡区的宽度是n(-2/3),可见当n很大，过渡区极窄，这与Gardner,,M.R.和Ashby,W.R. 教授的结论是一致的。 特别的，如果系统是由相互独立的若干个子系统构成的，即系数矩阵A是准对角阵，且 矩阵B关联度为C(即矩阵B元素以概率C服从随机分布，以概率1-C取0)，那么有结论 如果a(nC)(-l/2),那么系统稳定的的概率趋近于0 由上述推理还可以得出两个推论： 1.如果两个系统稳定性相近，那么有a1*nl(1/2)=a2*n2(1/2) 这表明了在一定的稳定性条件下，系统的约束力α与系统各物种的关联度C是反相关的。即 稳定性相同的系统，如果约束力强，则关联度弱：若约束力弱，则关联度强。 2如果系统由若干独立子系统构成，那么即使各子系统的关联度较高，仍有可能获得比整 体联系，关联度较低的系统更稳定。这与自然界实际情况是一致的

见，设对角线元素都为-1。那么矩阵 A 可以写成 B-I,其中 I 为单位阵，B 的对角线元素为 0. 由于假设所研究的系统是随机配置的，所以矩阵 B 的元素是服从期望为零的随机分布的。再 假设该分布的均方值为α。 至此研究系统稳定性的问题转化为研究常微分方程 dX/dt=AX 平衡解稳定性的问题。所以当系数矩阵 A 的特征值实部全部小于零时系统稳定。 下面讨论系数矩阵一旦取定，系统稳定的概率大小。根据 Wigner 的随机矩阵半圆律，当 n 充分大时，如果αn^(-1/2),那么系统稳定的的概率趋近于 0. 当 n 远大于 1 时，随着α突破临界值 n^(-1/2)，系统的稳定性变化是极其迅速的，具体而 言，过渡区的宽度是 n^(-2/3),可见当 n 很大，过渡区极窄，这与 Gardner,M.R.和 Ashby,W.R. 教授的结论是一致的。 特别的，如果系统是由相互独立的若干个子系统构成的，即系数矩阵 A 是准对角阵，且 矩阵 B 关联度为 C（即矩阵 B 元素以概率 C 服从随机分布，以概率 1-C 取 0），那么有结论 如果α（nC）^(-1/2),那么系统稳定的的概率趋近于 0. 由上述推理还可以得出两个推论： 1.如果两个系统稳定性相近，那么有α1*n1^(1/2)=α2*n2^(1/2) 这表明了在一定的稳定性条件下，系统的约束力α与系统各物种的关联度 C 是反相关的。即 稳定性相同的系统，如果约束力强，则关联度弱；若约束力弱，则关联度强。 2.如果系统由若干独立子系统构成，那么即使各子系统的关联度较高，仍有可能获得比整 体联系，关联度较低的系统更稳定。这与自然界实际情况是一致的