莫 冉,宋卫信,李 群,张 锋

甘肃农业大学理学院, 兰州 730070

物种多样性的产生和维持机制一直是生态学领域的热点问题。传统的竞争排斥原理认为,多物种竞争单一有限的资源时,只有竞争力最强的可以存活,其他参与者都会消亡[1- 2]。后来,现代竞争共存理论提出,竞争物种也可以在同一环境中共存[3]。那么怎么从物种间相互作用的角度来解释竞争共存的机制？近年,微生物生态学的发展揭示出,微生物物种之间普遍存在的代谢互养关系(cross-feeding)可能是维持微生物多样性的一种机制[4- 8]。实验室研究表明,在连续培养中的长期进化研究表明,受单一资源限制的微生物群体(如肠道微生物、土壤微生物)会进化出稳定的多态性,对种群结构进行分析：降解优势生长的菌株排泄出的产物可以用作另一种菌株的底物资源促使其生长[9- 13]。这种物种1产生的代谢资源可以被物种2利用,促进物种2生长的关系称为单向互养关系。如果将多个竞争同一有限碳源的微生物物种混合在一起培养,发现它们能够稳定共存,此时外界碳源耗尽,培养基中的碳源都来自这些微生物细胞的代谢副产物[14- 16]。这种物种间利用彼此代谢资源的关系称为双向互养关系。

互养关系的广泛存在已得到大量实验验证,但是相关的理论研究还比较少[7,15,17- 19],尤其实验中很难量化观察到代谢产物的产生率[14],所以数学模型是解开互养关系复杂性的重要工具。本文考虑两物种间单向、双向及多物种间双向互养的三种关系结构,整合资源及物种动态,建立微生物互养关系的动力学模型,系统地研究了互养关系中代谢资源的利用能否促进共存以及如何促进共存。……