試圖破譯影響復雜生態群落行為的所有因素，是一項艱巨的任務。然而，一組科學家如今已經表明，這些生態系統的行為可以根據兩個信息來預測，它們分別是群落中的物種數量，以及它們之間相互作用的強度。

在對實驗室中生長的細菌的研究中，研究人員能夠定義生態群落的三種狀態，并計算出它們從一種狀態轉變到另一種狀態的必要條件。這些發現讓研究人員能夠為生態系統創建一幅 "相圖"，也就是類似物理學家用來描述控制水從固體到液體再到氣體轉變的條件的圖譜。

相圖的神奇和美妙之處在于，它以一種非常簡單的形式總結了大量的信息。它可以追蹤出一條邊界，能預測穩定性喪失和種群波動的開始。這項研究已發表在《科學》上。

種群動態

自然生態系統的動態很難研究，這是因為，雖然科學家可以觀察物種之間的相互作用，但一般無法在野外進行控制實驗。

一些實驗室團隊轉而使用微生物，比如細菌和酵母，以可控的方式分析物種間的相互作用，從而更進一步了解自然生態系統的行為方式。

近年來，已經有研究證明競爭和合作行為會如何影響種群，并確定了種群崩潰的早期預警信號。隨著探索的深入，一些實驗室已經逐漸從一次研究一兩個物種，發展到了針對更大規模的生態系統的研究。

當科學家努力研究更大的群落時，他們希望開始檢驗一些理論物理學家對大型復雜生態系統的動態做出的預測。其中一個預測便是，根據群落中的物種數量和物種之間相互作用的強度，生態系統會經歷不同的穩定性階段。在這個框架下，相互作用的類型，比如捕食、競爭還是合作，并不重要。只有相互作用的強度才重要。

為了檢驗這一預測，研究人員創造了許多不同的細菌群落，這些群落涵蓋的細菌種類從 2 到 48 種不等。針對每個群落，他們用由不同的物種集形成的不同的合成群落，來控制物種數量。他們還能夠通過增加食物數量來加強物種之間的相互作用，這導致種群增長，也可能帶來環境的變化，比如酸化加劇。

這就好比擁有了一個可調節的旋鈕，可以定量測量和分析生態系統發生的細節。

（圖／William Lopes, Gore Lab）

這些實驗操縱的結果證實，理論正確地預測了會發生什么。起初，每個群落都存在于一個被稱為 "穩定的完整存在" 的階段，在這個階段中，所有物種可以共存，而互不干擾。

隨著物種數量或者它們之間的相互作用增加，群落進入了第二階段，被稱為 "穩定的部分共存"。種群仍然會保持穩定，但一些物種也會滅絕。整體群落仍然處于一種穩定的狀態，也就是說，在一些物種滅絕后，種群又回到了平衡狀態。

（圖／William Lopes, Gore Lab）

最后，隨著物種數量或者相互作用的強度進一步提高，群落進入第三階段，這一階段的特點是種群波動更為劇烈。生態系統變得不穩定，意味著種群隨著時間的推移持續波動。雖然一些滅絕發生了，但這些生態系統往往有整體存活物種的更大的一部分。

預測行為

利用這些數據，研究人員能夠畫出一張相圖，用來描述生態系統如何基于兩個因素發生變化，也就是物種數量和它們之間相互作用的強度。這很像物理學家能夠僅僅根據兩個條件（溫度和壓強）來描述水的行為變化，而不需要對每個水分子的確切速度和位置進行更詳細的勾勒。

雖然科學家無法獲得復雜生態系統中的所有生物機制和參數，但研究證明，它的多樣性和動態可能是涌現現象，這些可以從生態群落的幾種集合屬性中預測出來。

這種相圖的建立可以幫助生態學家在信息量有限的情況下，對森林等自然生態系統中可能發生的情況進行預測，因為需要知道的只是物種的數量和它們的互動程度。這些預測純粹是基于這個復雜群落內相互作用的統計分布。

研究人員現在正在研究新物種在原本孤立的種群（類似于島嶼生態系統）之間的流動，如何影響這些種群的動態。這可能有助于闡明，即使在滅絕發生時，島嶼如何能夠保持物種多樣性。