《BioSystems》：From the origin of life to a biosphere: Formation of artificial ecosystems where species shape and are shaped by each other
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本研究构建了一个模型生物群落演化系统，探讨物种间互为环境的动态适应过程。实验初始物种属性与非生物环境尺寸作为独立变量，通过宏观演化的"解开"机制，物种数量从1逐渐增长至5000以上。研究发现群落结构形成与物种互作强度相关，而非单纯受环境制约，并引入BIP、AIP等指标量化生态互作与适应性辐射现象。研究旨在通过模型揭示生物群落自组织形成的深层机制，激发跨学科思考。
埃夫根尼·伊万科|阿列克谢·贝卢索夫
俄罗斯科学院乌拉尔分院数学与力学研究所，S·科瓦列夫斯卡亚街16号，叶卡捷琳堡，620108，俄罗斯
摘要
我们研究了模型生物群落的发展过程，在这些群落中，各个物种相互之间扮演着环境的角色。每个实验都从一种物种在非生物环境中出现开始。这种初始物种的特性（以及非生物环境的大小）是实验的独立参数。在宏观进化的后续阶段，每个现有物种可以根据其当前的适应度改变其数量，并通过突变产生新的物种。在这个过程中，物种的命运越来越受到其他物种的影响，而非生物环境的影响。通过所描述的机制，人工生物群落从单一物种发展为在它们自己创造的适应性景观中共同进化的复杂网络。
我们使用多种指标来追踪生物群落的演化，希望发现有趣的特性和模式。在可能的情况下，我们尝试为实验结果提供合理的解释。然而，这项工作的主要目的不是回答问题，而是提出新的问题，激发具有不同背景的读者的思考和类比。
章节摘录
灵感与目的
在长期共同进化的生物群落中，相互作用的物种倾向于形成紧密连接的系统，在这些系统中，物种既改变非生物环境，又彼此充当生物环境。非生物变化可以由微生物、植物和动物的代谢副产品驱动，这些副产品会影响群落周围空气、水和土壤的化学成分。植物可以改变水分循环、固定土壤并提供阴凉；动物可以
基于代理的生命启发模型的背景
在这些模型中，受生物学启发的代理（个体或整个物种）在密集的互动中共同发展，这些模型受到了相当多的关注（参见例如Sole和Valverde（2013年）、de Vladar等人（2017年）以及Maitra等人（2024年）的研究）。将这样的代理与物种联系起来的目的通常是为了阻止它们之间的直接基因交换，并关注生态关系（Dolson和Ofria，2021年）。存在一些已知的关系，其中
模型生物圈的结构：生物部分与非生物部分
“生物圈”模型由非生物环境（AE）和生物群落（BC）组成，类似于一个由相互作用物种居住的实验室微观世界。
非生物环境（AE）在时间上是恒定的，在空间上是均匀的：没有拓扑结构，也没有障碍物，隔离是不可能的（图1a）。信号可以无延迟地从AE传递到各个物种，以及物种之间的传递（图1b）。AE对每个物种的影响在其整个生命周期内保持不变，尽管这
指标
为了研究生物群落的演化过程，我们引入了一些指标作为独立实验参数的函数。请注意，这些参数包括初始物种的表型特征以及非生物环境的大小。对于每个独立变量
, , , , , , , , , , 及其允许的值, 我们重复进行了1000次BC演化实验，其中保持不变，而其余5个独立变量的值
计算实验、结果与讨论
我们在呈现实验结果时采用的一般方法是讨论所有观察到的现象，即使它们看起来很琐碎。然而，为了减少文章的篇幅，大部分讨论被移到了附录中。这些讨论旨在概述观察到的现象，而不是实际解释它们，为读者提供自己思考的起点。我们在论文的最后一节总结了一些我们认为最具启发性的观察结果。
由于
群落
我们所说的群落是指彼此相互有利的一组物种。在我们的模型中，如果BIP(A,B) < 0，则认为物种A对物种B有利。为了形式化群落的概念，我们将BC表示为一个有向图G，其中节点代表物种，有向边(A,B)的存在条件是BIP(A,B) < 0。衡量网络中群落表现的一种经典方法是Newman的模块性（参见Newman（2006年）和Leicht等人的研究）。
占据度层
在本节中，我们通过RCH中BCs绘制的轨迹来更仔细地观察它们的发展
精选观察结果
在本节中，我们整理了一些来自附录中讨论的实验中最有趣、最出乎意料和最具启发性的结果。
- 第一个结果可以简要概括为“更简单的生活意味着更简单的生物群落”。具体来说，在有利条件下（无论是非生物条件下的高AIP值导致大量能量输入，还是生物条件下的接近零的BIP值导致较少的竞争），我们观察到更好的初始条件会导致更简单的生物群落。这种模式在两种情况下都出现了
CRediT作者贡献声明
埃夫根尼·伊万科：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，软件，方法论，调查，形式分析，概念化。阿列克谢·贝卢索夫：可视化，验证，软件。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
