Review on detection of critical transition in ecosystems

当一个存在多稳态的生态系统临近突变阈值点时, 外界条件即使发生一个微小变化, 也会引发生态系统的剧烈响应, 使之进入结构和功能截然不同的另一稳定状态, 这种现象称为重大突变(critical transition)。重大突变所导致的稳态转换总是伴随着生态系统服务的急剧变化, 可能对人类可持续发展产生重大影响。预测生态系统突变的发生非常困难, 但科学家在此领域的大量研究结果表明, 通过监测一些通用指标可以判断生态系统是否不断临近重大突变阈值点, 进而可以进行生态系统重大突变预警。该文对近年来生态系统重大突变检测领域所取得的成果进行总结与归纳, 论述了生态系统重大突变的产生机制及其后果, 介绍了生态系统突变预警信号提取的理论基础, 从时间和空间两个维度总结了近年来生态系统重大突变预警信号的提取方法, 概述了当前研究面临的挑战, 指出生态系统突变预警信号的检测应充分利用时空动态数据, 并且联合多个指标, 从多个角度进行综合预警, 此外, 还应重视生态系统结构与重大突变之间的关系, 增强生态系统突变预警能力。     

生态系统灾难性突变研究进展

生态系统灾难性突变是指一个具有多稳态的生态系统, 当驱动因子临近临界点时, 外界环境条件发生微小改变生态系统则产生剧烈响应, 使生态系统从原有稳态转变为另一种生态效益大大降低的稳态。灾难性突变的前提是多稳态的存在, 多稳态是生态系统在相同条件下, 存在结构和功能截然不同的稳定状态。文章阐述了生态系统中灾难性突变的概念, 综述了灾难性突变在湖泊、海洋、森林等生态系统中的存在性和突变的研究现状, 对灾难性突变过程中的多稳态、恢复力、迟滞效应和灾变的预警现状进行了探讨, 并对灾变的产生机制、恢复力的定量研究、生态系统修复的实践和预警信号的深入研究方面进行了展望。大量的理论研究证实灾难性突变是生态系统中的一个普遍现象, 但从实验角度来看研究成果较少且需不断完善。     

生态阈值:概念、方法与研究展望

生态阈值概念是20世纪70年代提出的,主要指生态系统的几个稳态之间突然改变的点或区域。在阐明生态系统结构与功能的关系、构建区域可持续发展范式以及服务于生态系统管理和生态红线的划定中,生态阈值的检测和量化有着重要的理论和实践意义。该文首先梳理了前人关于生态阈值的概念、类型的一些提法,从预警研究角度提出可以从两个层次理解生态阈值概念:生态阈值点是系统从量变到质变的转折点,类似于红色界限;而生态阈值带可以理解为量变过程中不同稳态之间的转换区域,类似于黄色与橙色预警边界带。黄色生态阈值表示生态系统可通过自身的调节能力重新达到稳定状态;橙色生态阈值表示需要排除干扰因子使得生态系统重新达到平衡;而红色生态阈值为关键阈值点,超过此阈值,生态系统将发生不可逆的退化甚至崩溃。该文还总结了目前确定生态阈值的主要方法,主要是基于野外观测数据的统计分析与模型模拟方法。最后,基于生态系统服务、生物多样性保护与生态系统管理等几个当今生态学热点研究领域,简单总结归纳了生态阈值的研究现状,并提出生态阈值未来的3个研究难点和方向:1)开展针对生态阈值检测和量化的研究;2)关注生态阈值的尺度效应并加强野外观测;3)发挥生态阈值的预警作用,指导"生态红线"的划定和生态系统管理。     

干旱区生态系统稳态转换及其预警信号——基于景观格局特征的识别方法

在日益加剧的气候变化和土地开垦、放牧等人类活动干扰下,具有多稳态特征的干旱区生态系统可能会经历从相对健康状态到退化状态的稳态转换,导致生态系统的功能下降。早期预警信号的识别是生态系统稳态转换研究的热点,也是管理实践中防止生态系统退化的关键环节。以往预警信号研究聚焦于通用信号如自相关性、方差等统计学指标,然而这些指标对于具有特定机制的干旱区生态系统可能并不适用。基于干旱区景观格局特征所发展起来的空间指标为生态系统稳态转换提供了独特的空间视角,对于理解干旱区生态系统退化过程和机理具有科学意义和实践价值。介绍了干旱区生态系统稳态转换现象及其转换机制;聚焦景观生态学的指标和方法,从空间视角总结基于干旱区景观格局特征的关键预警指标(植被覆盖度、植被斑块形态、植被斑块大小频率分布和水文连通性等),重点剖析这些关键指标的概念、量化方法、识别特征及其实践应用;最后针对指标的优势和局限性对未来的研究方向进行展望,包括发掘潜在景观指标,加强干旱区生态系统变化的多种驱动要素的相互作用机制研究,开展多时空尺度的实证研究,构建生态系统稳态转换预警信号的整体分析框架,以及加强指标阈值的量化研究等方面。     

生态系统的多稳态与突变

许多生态系统可能在短时间内发生难以预料的状态突变, 其中一些生态系统突变的机理可以用多稳态理论进行解释。近年来生态系统的多稳态和突变现象及其机理吸引了研究者和管理者的广泛关注。本文重点对生态系统多稳态的理论基础、识别方法及稳态转换发生的早期预警信号进行综述, 并基于典型生态系统过程对现实世界中可能观测到的稳态转换进行实例分析, 最后对多稳态概念框架和理论应用中的潜在争议进行讨论, 以期为非线性生态系统动态的理论研究、管理实践和生物多样性保护等提供参考。     

生态系统多稳态研究进展

在多稳态的生态系统中，外力可能导致生态系统状态突然之间发生不可逆转的转变，从而达到一个新的平衡状态。但目前对多稳态理论的系统研究很少，如何使用预警信号来预测生态系统的状态转变依旧是个难题。通过多稳态理论的梳理提出了一个更加综合的多稳态定义，并以放牧模型为例，系统总结了多稳态理论的相关概念，将多稳态理论应用在生态系统演替和扰沌理论的解释中；通过对生态系统稳态转换预警信号的原理、优缺点和应用条件的分析，对不同尺度下多稳态的研究方法进行了归纳；最后提出了目前多稳态领域的研究问题和未来的研究重点。结果表明：（1）将时间和空间预警信号结合在一起，并量化正确预警信号的概率，对错误预警信号的比例进行加权，可能会提供更准确的稳态转换的预报。（2）定量观测试验适用于小尺度的研究，而较大尺度的研究则采用简化的模型来模拟研究，选择正确的尺度极有可能改变预警信号的可靠性。（3）结合多稳态理论研究生态系统临界转换和反馈控制机制，并将基于性状的特征指标和进化动力学纳入其中，是生态系统修复实践的重要研究方向。（4）将多稳态相关理论和生态保护管理政策的实践相结合，是多稳态理论未来应用的前景。本研究为多稳态理论和实践的深入研究提供科学支撑。     

生态系统状态跃变的早期预警信号及检测

生态系统在气候变化和土地利用及人类活动等的影响下其状态会由某一稳态转变到另一稳态。由于环境压力的复杂性、非线性、随机性等特征，往往导致状态转变表现为非线性、突变、跃变等特点。准确界定系统状态跃变的拐点或阈值点存在很大的挑战，而捕捉接近临界拐点前的生态系统结构和属性上的变化特征作为早期预警信号是切实可行的。早期预警信号理论经历理论框架构建、方法确立、机理认知等近半个多世纪的探索，已经由最初的通过仅依赖检测临界点恢复力的速率减慢、方差增加、系统自相关增强等统计学信号过度到更加多样化的检测方法，如检测系统组分属性的变化特征，诊断系统组分各属性之间的关系变化，系统组分的性状变化、系统组分网络结构变化等等，并且试图整合多信号提高预警的精确性。利用来自自然生态系统的长时间高密度数据集和空间代替时间的数据集，基于多度及性状信号的早期预警，结合稳定性、临界恢复力的减速、以及统计参数的指示作用对系统跃变进行早期诊断和预警是预测生态学的主旨。早期预警信号的深入研究不仅能够完善已有理论的不足，同时还能够为生态系统的保护和管理提供切实有效的理论指导。     

浅水湖泊生态系统稳态转换的阈值判定方法

浅水湖泊生态系统对人类干扰的反应会随着干扰力度的改变或增强而出现突然的变化,即发生稳态转换;对其机理和驱动机制的揭示将有助于对湖泊富营养化的控制及恢复.基于“多稳态”理论的稳态转换研究已广泛开展,但对浅水湖泊生态系统稳态转换的驱动机制结论各异,采用的阈值判定方法相差很大,主要有实验观测、模型模拟和统计分析3种.实验观测多关注少数特定指标,指标筛选过程复杂且工作量大;模型模拟虽能从较为全面的尺度上理解生态系统稳态变化的特征和主要机理过程,但在模型误差和不确定性的处理等问题上尚存在不足;统计分析方法基于对长时间序列数据的统计变化规律分析,用以判断或者预警稳态转换现象的发生,是目前最为常用的方法.目前稳态转换领域的研究大都是对已发生的稳态转换进行机制分析或过程反演,对未来预测与预警的问题仍然亟需加强.     

生态系统稳态转换检测研究进展

在气候变化、人类活动等影响下,生态系统结构和功能可能发生大规模的突变,导致生态系统从一个相对稳定的状态进入另一个稳定状态,这种现象称为稳态转换。由于生态系统的复杂性,准确刻画生态系统多稳态并界定其临界点尚存在挑战,提升对生态系统稳态转换的检测和预测能力依旧是生态学领域研究的热点和难题。基于多稳态理论和稳态转换经典概念框架,阐释了稳态转换检测的理论基础;归纳总结出四种稳态转换检测方法的原理和优劣势;鉴于稳态转换的尺度依赖性,梳理了单一生态系统、区域综合生态系统和全球生态系统不同尺度下的稳态转换检测方法、研究思路和应用案例。基于研究进展和问题现状,提出在未来研究中,亟待发展适应复杂系统的综合检测方法;创新稳态转换多尺度分析的技术方法体系;深化生态系统稳态转换驱动机制研究,构建多元耦合机理模型;进而深化稳态转换检测结果链接生态系统管理的实践研究;解析生态系统服务和可持续发展机制。     

我国生态系统生态阈值研究基础

生态系统中广泛存在非线性变化,表现为系统状态随着压力的逐渐增加而发生骤然转变。为解释这种变化,国外生态学家提出了生态阈值和稳态转换的概念,不断完善理论和方法体系,开展机理和案例研究,深化对复杂系统演化机制的理解,并开始应用于环境管理。在我国,近几十年来在各类生态系统中开展了大量关于压力-响应的定量化研究,取得了丰富成果。这些研究在本质上与生态阈值和稳态转换理论范式紧密关联。本文以“中国生态阈值和稳态转换案例数据库”为基础,按照河流、湖泊、湿地、森林、草地、河口与海洋、农田、荒漠、城市、冻原10种生态系统类型,筛选归纳了相关生态阈值,并阐释了稳态转换机理。将研究案例与生态阈值、稳态转换理论范式进行衔接,目的是整合多领域研究成果,作为生态系统复杂性研究的基础,推动其在生态环境监测、生态安全预警以及生态标准创新发展领域中的应用。     

浅水湖泊稳态转换预警识别方法局限与展望

浅水湖泊水体底泥交换强烈,极易受人类活动干扰,超过一定阈值即可能发生灾难性的稳态转换,对其有效识别有助于湖泊富营养化的及时防控与修复。浅水湖泊稳态转换可通过系统关键变量(叶绿素、溶解氧、浮游动物、鱼类等)的时间序列(判别不同稳态)、预警信号及阈值等进行识别,其中预警识别可为湖泊生态系统稳态转换提供预判信息,有利于早预警早行动。目前,浅水湖泊稳态转换预警识别因子(方差及自相关性等)主要用于"临界慢化"现象,但在强大外力作用、强烈随机扰动及极端事件下,这些"临界慢化"因子则可能出现误用或错用。基于浅水湖泊基本特征,针对稳态转换的不同驱动机制,探讨"临界慢化"因子的适用性与局限性,并展望其未来发展方向,旨在为湖泊生态系统稳态转换预警识别提供科学参考。     

陆地生态系统临界转换理论及其生态学机制研究进展

随着气候变化和人类活动对陆地生态系统双重扰动的不断加剧,越来越多的研究已经意识到生态系统结构和功能会发生难以预知的突变,并且恢复起来需要很长时间.开发判别典型生态系统临界转换的早期预警模型及理解其生态学机制成为生态学研究的热点.目前,基于跨越多个时空尺度的理论和实验研究,提出了多种预警陆地生态系统临界转换的理论框架和指...     

稳态转换视角下生态系统服务变化过程与作用机制

优化生态系统服务供给是实现人类社会与自然生态系统和谐发展的必然途径。生态系统在平衡与非平衡之间复杂的转化模式使生态系统服务研究备受阻力,如何科学地解析生态系统服务内在调控机制是实现从自然资源利用到生态系统功能优化的关键。从论述生态系统稳态转换驱动机制入手,阐明扰动发生后稳态转换的路径、生态系统功能对扰动的响应模式;基于稳态转换视角深入诠释生态系统服务内涵及变化过程,以"结构-过程-功能-服务-人类福祉-可持续性"为核心架构来发展生态系统服务理论框架,并从生态系统敏感性和恢复力等内在属性探讨生态系统服务对结构和功能变化的响应情况;解析当土地利用变化超过生态系统阈值时,各项生态系统服务间的互馈作用。基于稳态转换视角评述生态系统服务变化过程与作用机制,以期为生态系统服务研究及生态系统管理提供新视角。     

火烧信号对种子萌发影响的研究进展

火作为一个基础的生态因子, 对森林、草地等陆地生态系统的结构和功能有着重要的影响。种子萌发是种子植物的重要生活史阶段, 也是火后植被更新和恢复的主要途径。植被燃烧产生了烟、热以及与烟相关的一系列火烧信号, 在打破种子休眠, 促进种子萌发方面发挥重要作用。该文将火烧信号分为物理信号和化学信号, 物理信号主要是伴随火烧产生的高温, 化学信号主要包括气态烟以及近年来从烟水中提取的影响种子萌发的关键化学物质karrikins和glyceronitrile。该文围绕火烧的基本信息, 火烧信号对种子萌发的影响, 火烧信号在实践中的应用3个方面进行系统综述, 重点探讨了不同类别的火烧信号及其交互作用对种子萌发的影响。在系统总结火烧信号对种子萌发影响的研究进展的基础上, 提出未来的研究应与烟信号作用机理的探究以及全球变化等方面相结合, 旨在充分发挥火的生态服务功能, 为火的科学管理应用和退化生态系统恢复提供理论支撑。     

生态阈值研究进展

生态阈值是指生态系统从一种状态快速转变为另一种状态的某个点或一段区间，推动这种转变的动力来自某个或多个关键生态因子微弱的附加改变。生态阈值现象普遍存在于自然生态系统中。主要有两种类型：生态阈值点（ecological threshold point）和生态阈值带（ecological threshold zone）。在生态阈值点前后，生态系统的特性、功能或过程发生迅速的改变。生态阈值带暗含了生态系统从一种稳定状态到另一稳定状态逐渐转换的过程，而不像点型阈值那样发生突然的转变。后者在自然界中可能更为普遍。在自然资源保护和生态系统可持续管理中，生态阈值研究有着重要的理论和实践意义，受到生态学和相关学科的密切关注。其研究已经在森林、草原、湖泊、海洋等生态系统，从不同角度，针对不同生态因子广泛开展。由于生态因子相互作用的复杂性，有关生态阈值的性质及其在不同空间尺度上的联系仍然存在很大的不确定性。在未来的研究中必须加强综合和定量化研究，进一步提高应用生态阈值的能力。在全球变化和生态响应研究领域，生态阈值研究将会有更大的发展空间。     

IKBKB基因c.1183T>C点突变小鼠的建立及基本表型分析

该研究主要为探究IKBKB基因c.1183TC位点突变对人免疫器官淋巴细胞的影响。采用CRISPR/Cas9技术构建相应点突变模式小鼠,并提取小鼠(C57BL/6J)基因组DNA进行PCR及一代测序、鉴定及扩繁,使用密度梯度离心法提取小鼠脾脏及胸腺淋巴细胞,采用Real-time PCR及Western blot检测淋巴细胞中IKKs家族各亚基(IKKα、IKKβ和IKKγ) mRNA及蛋白的表达,并使用分子运行模式(molecular operating environment,MOE)软件分析蛋白PDB结构及建立3D模型。小鼠基因测序结果表明成功构建点突变稳定基因型小鼠;与野生型小鼠相比,纯合突变小鼠IKBKB mRNA表达无明显变化,而IKKβ蛋白表达明显降低;蛋白结构分析结果提示,突变后的IKKβ蛋白空间构型明显改变。研究初步表明,IKBKB Y397H突变导致小鼠脾脏及胸腺的淋巴细胞中IKKβ蛋白明显下降,可能是由于突变导致蛋白结构发生改变而使其稳定性降低,这为进一步探究该位点突变对免疫细胞稳态调节及其致病机制提供了新思路及实验基础。     

B淋巴细胞活化分子事件及相关病理机制

B细胞是体液免疫的重要执行细胞,其活化是机体产生保护性抗体的关键步骤.目前人们对B细胞早期活化的动态分子事件和信号起始机制等仍然未知.本文将重点总结超高清成像技术和高速高分辨率活体成像技术在B细胞领域的应用,这些研究将帮助人们理解B细胞早期活化的机制.本文系列总结了静息态下维持B细胞存活的B细胞受体(B cell receptor,BCR)滋养信号的研究进展,并提出了滋养信号来源的几种可能的模型.描述了抗原刺激导致的BCR活化的信号通路,并重点探讨了成像技术进步带来的关于BCR信号通路起始的机制探索这一免疫学领域的重大问题.结合高速高分辨率活细胞成像技术在免疫学领域的应用,抗原刺激后BCR活化过程中一系列动态变化过程和高级结构的形成能够被实时捕获.此外,还探讨了B细胞记忆性免疫发生的机制,重点阐述了亲和力成熟和BCR亚型转换,尤其是IgG(Immunoglobulin G)型BCR胞内尾巴对快速强烈的记忆性免疫反应的帮助.B细胞活化机制的调节过程发生异常会破坏正常的B细胞稳态平衡和免疫疾病的发生,本文总结抑制性调节受体FcγRIIB(Fcγreceptor IIB)突变与自身免疫病的关系,以及BCR信号通路信号分子突变与B细胞肿瘤的关系,这些研究将加深人们对B细胞免疫疾病的认识和相应医疗手段的改进.     

生态阈值确定方法综述

生态系统在环境条件变化时表现出的剧变或阈值现象是当前生态学研究的热点,但是生态阈值定量检测的困难阻碍了这一主题的研究与应用。本文从典型案例入手,通过分析潜在生态阈值的S型曲线式、补给-压力式和跃迁式驱动-响应机理,归纳了局部加权回归散点平滑法、分段回归、高斯模型、拐点分析软件、稳态转换检测软件、指示种阈值分析和系统动力学仿真模型7种生态阈值确定方法,并评述了其优缺点和适用性,以期为生态阈值的定量分析研究提供方法借鉴。     

长江口滨海湿地潮间带生态系统的多稳态特征

多稳态现象普遍存在于多种生态系统中,它与生态系统的健康和可持续发展密切相关,已成为生态学研究的热点与难点,但是目前有关滨海湿地生态系统多稳态的形成机制还缺乏深入研究.本文以崇明东滩鸟类自然保护区的潮间带生态系统为研究对象,通过以下内容,开展滨海湿地多稳态研究: 1)通过验证多稳态的判定依据“双峰”和“阈值”特征,证实长江口潮间带生态系统存在多稳态,并确定其稳态类型;2)通过监测潮间带生态系统水动力过程、沉积动力过程以及盐沼植物生长和扩散情况,分析盐沼植被与沉积地貌之间的正反馈作用,进而探讨潮间带生态系统多稳态的形成机制.结果表明: 1)潮间带生态系统的归一化植被指数(NDVI)频度分布存在明显的双峰特征,且盐沼植物成活存在生物量阈值效应,均证实潮间带生态系统存在多稳态,“盐沼”和“光滩”是潮间带生态系统的两种相对稳定状态;2)崇明东滩盐沼前沿的沉积地貌表现出泥沙快速淤积的趋势,显著促进了盐沼植物的生长,盐沼植物与泥沙淤积之间的这种正反馈作用是潮间带生态系统形成多稳态的主要原因;3)盐沼植被扩散格局监测结果在景观尺度上也表明,泥沙淤积作用促进了潮间带生态系统“盐沼”和“光滩”多稳态的形成.本研究既丰富了滨海湿地稳态转换的机理研究,也为我国开展海岸带保护、修复和管理提供了科学依据,具有重要的理论和实践意义.     

早三叠世生物与环境研究进展

早三叠世的生物和环境是古生代生态系统向中-新生代(现代型)生态系统重大转变过程中的中间产物,代表了显生宙地球演化史上一种十分特殊的状态,其不仅是全面揭示古、中生代之交突变事件的关键,而且是探索当代生物多样性和生态系统的起源和早期演化的出发点.中国南方具有研究古、中生代之交海洋生物和环境突变事件和过程的最佳条件,也是当前国际上相关研究中取得成果最多的地区之一.文中重点总结近年来在中国南方早三叠世地层、古生物和环境等方面所取得的主要研究成果和关键进展,并在新的认识基础上初步提炼该重大突变期的生命和环境过程.提出一些当前亟待研究的关键科学问题,总结古、中生代之交生物和生态系统从大灭绝-残存-复苏-辐射演化的4个重要阶段,并论证早三叠世生物复苏-辐射过程的多期次性.