防止物种种群崩溃

1990年，北大西洋的渔民们捕捞到了超过20万吨的鳕鱼；在1992年，他们却几乎一无所获。鳕鱼捕捞的崩溃造成成千上万的加拿大渔民和工厂工人失去了工作，而北方鳕鱼渔业也就此一蹶不振。现在，物理学家通过研究实验室酵母发现了一种新方法以预知这样的衰退再次逼近的时间。研究人员希望他们发出的警报信号能够帮助渔业和野生动物管理人员及时采取行动以拯救备受压力的物种种群。位于美国麦迪逊的威斯康星大学生态学家Stephen Carpenter认为，该研究小组的报告是“一篇非常好的文章”，它“可能引发一些新的见解。” Carpenter曾经在湖区研究过类似的早期预警信号。

防止物种种群崩溃的关键是发现问题的早期迹象。一个公认的警告信号就是，相比健康的系统，不健康的系统往往需要更长的时间从干扰中恢复过来。科学家称之为“临界慢化”。例如，Carpenter和同事就发现：当他们在湖中加入捕食性鱼类——大嘴鲈鱼时，藻类会放缓恢复到正常水平的速度。然而，测量自然界中的这种慢化进程可能会需要多年研究所获得的数据——而这对于许多渔业工作人员和野生动物管理者而言是可望而不可即的。

衰落。该图显示了1992年北大西洋鳕鱼捕捞业的崩溃。

再来说说酿酒酵母，也俗称啤酒酵母。2012年6月，美国剑桥市麻省理工学院的物理学家Jeff Gore和同事报告称，他们成功地在实验室中培养的这些单细胞的菌类种群中诱导出了“临界慢化”现象。啤酒酵母细胞在其环境中将不可食用的糖分解成为可食用的糖，这意味着邻居的工作推动了这些个体的工作——特别是在高密度的条件下是这样的。因此，科学家们能够通过对它们进行稀释从而给其种群造成压力。研究人员发现，在密度较低的条件下，当生长过程中的种群受到一定剂量的盐的冲击后，该种群需要花更长的时间以回到先前的水平，而这个剂量的盐可以伤害或杀死酵母。但是一个孤立的实验室种群是一个高度人工的系统。在真正的生态系统中生物会在其生活的环境中从一处移动到另一处。

所以，在他们新的研究中， Gore和同事将多个酵母种群用迁移的方式连接了起来。研究人员在多个塑料托盘中培养了一排排成组的、小的、圆形井状的酵母菌落——想象一下就像是小型蛋盒的下半部分被分隔成8行而不是两行。每天早上,科学家们会将每一个种群中四分之一的酵母转移到紧邻该种群的菌落当中，从而模拟就像鱼儿从一个湖区游到另一个湖区的自然传播过程。而后，研究小组对每组菌落中的一个“培养井”中的细胞进行稀释直到一个极低的密度,从而产生了被他们称为“坏区”的区域。研究者在接下来的一个星期里测量了每个种群的规模后发现，紧邻“坏区”中受到压力的酵母种群的菌落也出现了衰退的情况。但是与受到压力的区域隔着两个或两个以上“培养井”的种群仍保持着健康的状态。

科学家随后对酵母种群展开了致命的打击。他们开始稀释其余“培养井”中的酵母细胞，从而使整个集体接近崩溃的状态。他们发现在坏区与距离坏区最近的健康“培养井”之间隔着的“培养井”数目从两个增加到了三个或三个以上。 Gore和同事称这种距离为“复苏长度”，他们认为在实际环境中该“复苏长度”也可以在具有不同健康程度的栖息地中被观察到。例如,管理人员可以监控渔场附近的海洋保护区中鱼类的数量，如果发现渔场的边缘与最近的健康鱼类种群之间的距离加大了的话，那么管理人员就可以对捕鱼活动加以限制。“复苏长度”是一个“新的指示工具，这一工具目前还未被建议使用。”Gore说。他的研究小组将研究结果于近日发表在了《自然》杂志的网络版上。

Carpenter说：“最酷的是,这一研究成果可以应用到现实的情景当中。”他设想着生态学家们可以通过研究牧场或其他生态系统的卫星图像来寻找增加了的“复苏长度”。Carpenter同时指出，虽然“现实的生态系统要远比一维梯度的培养酵母菌落复杂得多”，但是Gore在实验室中的实验给像他们所做的这种整体生态系统研究增添了通常是该类研究做不到的方面：即实验易于复制且易于控制。Carpenter在一份邮件中写道：“酵母实验让我们思考问题又多了一个角度。”

对于Gore来说，下一步的工作是去联系那些可能会受益于他的实验结果的人。最近，他开始与其他的科学家们合作，这些科学家致力于研究具有经济和生态重要意义的系统，例如渔场系统和蜜蜂种群系统。他承认：“人们未必想要拯救我实验室里的这些濒临崩溃的酵母，我们真正想拯救的是野生的物种种群。”(EurekAlert!)