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。     

基于动态网络生物标志物的甲流疫情早期预警算法研究

为了让各个国家在甲型流感病毒暴发前做好预防措施有效应对甲流疫情,选取了中国、埃及和印度三个发展中国家,以及美国、英国、澳大利亚、加拿大、意大利、荷兰和韩国7个发达国家的甲型流感病毒蛋白质数据,利用特征向量构建十个蛋白质相互作用的动态网络,找出动态网络生物标志物,构造早期预警指标,从而有效识别甲流疫情暴发的早期预警信号。通过模型分析与各国报道的实际暴发年比较,发现该模型可以较准确、可靠地识别出各国甲流暴发前的临界点。     

生物分子网络弹性研究进展

弹性是生物分子网络重要且基础的属性之一,一方面弹性赋予生物分子网络抵抗内部噪声与环境干扰并维持其自身基本功能的能力,另一方面,弹性为网络状态的恢复制造了阻力。生物分子网络弹性研究试图回答如下3个问题：a. 生物分子网络弹性的产生机理是什么？b. 弹性影响下生物分子网络的状态如何发生转移？c. 如何预测生物网络状态转换临界点,以防止系统向不理想的状态演化？因此,研究生物分子网络弹性有助于理解生物系统内部运作机理,同时对诸如疾病发生临界点预测、生物系统状态逆转等临床应用具有重要的指导意义。鉴于此,本文主要针对以上生物分子网络弹性领域的3个热点研究问题,在研究方法和生物学应用上进行了系统地综述,并对未来生物分子网络弹性的研究方向进行了展望。     

农业生态经济系统耦合过程模型的建立及应用

基于"一般系统论中系统演化"的思想、"Thornes关于植被和土壤侵蚀耦合模型"等思路,构建了农业生态经济系统耦合过程的基础模型和扩展模型。通过该模型能够揭示农业"生态—经济"的互动过程、确定农业经济系统影响生态系统的临界点,这对于开发利用农业资源、制定农业生态经济系统可持续发展方案具有重要的现实意义。以纸坊沟流域20余年农业生态经济系统演变资料为基础,借鉴已有研究结果,通过对"模型"参数的计算,建立了反映纸坊沟流域不同情境下农业生态经济系统耦合过程模型,结果表明:按照农业生态经济系统现状演变轨迹,农业生态系统自我调节的临界点为en(t)=1.22×el(t);如果继续完善系统循环,强化"林草资源-畜牧业"链网,在生态系统阈值范围内可增强经济系统功能;如果停止"退耕"而出现复垦,生态系统自我调节的临界点变为en(t)=0.69×el(t),单位生态系统功能减弱。为此,必须稳定退耕还林工程,促进农业资源合理、高效利用,加速产业优化升级,这样方能实现农业生态经济系统健康、持续发展。     

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...     

高水分、富含淀粉植物组织的扫描电镜制备技术优化

应用常规高真空扫描电子显微镜观察生物样品必须经过脱水和干燥处理,但无论采用临界点干燥还是冷冻干燥方法,都存在样品表面不同程度失真的问题。植物高水分、富含淀粉组织样品经处理后,容易出现淀粉流失、细胞壁变形等现象,从而造成扫描图像粗糙,无法获得真实的细胞内部结构。本文通过对CO_2临界点干燥、化学固定样品冷冻干燥和新鲜样品冷冻干燥3种扫描电镜样品制备技术中后期制样进行机械断裂和液氮脆断改进,优化出两种植物高水分、富含淀粉组织的扫描电镜样品制备方法:(1)样品首先进行FAA化学固定,经冷冻干燥后用液氮脆断,对断面喷金镀膜和扫描电镜观察。利用该方法所得细胞结构完整,细胞壁整齐,淀粉粒和蛋白轮廓明确,可用于分析淀粉粒和蛋白颗粒在细胞内的分布。(2)新鲜样品直接进行冷冻干燥,经液氮脆断后对断面喷金镀膜和扫描电镜观察。利用该方法所得细胞壁整齐,淀粉粒轮廓更清晰,并且无蛋白颗粒干扰,用于分析淀粉粒在细胞内的分布更加理想。     

一个具有年龄结构的博弈理论模型的研究

考虑一个鹰-鸽博弈的模型.在这个模型里,动物只知道自己的年龄,而不知道对方的年龄.对于这一个博弈模型,将会证明,在进化的平衡点上,存在两个不同的年龄临界点x1和x2(不妨设x1小于x2),并且年龄在这两个临界点之间的动物将会选择鹰策略;而年龄小于x1和年龄大于x2的动物将会选择鸽子策略.在这里,战争发生的可能性大小定义为:当两个个体相遇时,双方都选择鹰策略的概率.进一步,即使动物仅知道自己的年龄,那么在进化稳定性上战争发生的可能性大小也要比标准的鹰-鸽博弈中战争发生的可能性大小要低.     

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。     

蝗虫的行军

一项新实验显示，在虫口密度增加到某个临界点之后，本来各自游荡的蝗虫会突然组织成军团，有秩序地行进，正是在这样的行军中，蝗群将所过之处的禾苗啃食殆尽，留下荒凉与饥饿。     

扫描电镜生物样品的快速制备方法研究

本文通过改进菌类和纤毛等娇嫩样品在临界点干燥前的制备程序和适当的缩短梯度脱水的时间,使采用戊二醛单固处理的样品达到双固定的效果,提高了部分生物样品的制备质量,为制备娇嫩的扫描电镜样品提供了一条简易而快速的制备方法。