资源梯度下竞争性水生植物种群进化导致双稳态湖泊生态系统崩溃

本研究针对浅水湖泊生态系统在富营养化过程中可能发生的清水态-浊水态突变问题，通过建立沉水植物与浮叶植物的不对称竞争模型，结合适应性动力学（Adaptive Dynamics）和结构化种群模型，揭示了性状进化如何通过生态-进化反馈影响双稳态系统的临界阈值。研究发现进化过程会导致复杂的振荡性分化、多样化甚至进化自杀现象，为理解气候变暖背景下湖泊生态系统的突变机制提供了新视角。

　　

浅水湖泊如同地球的"生态晴雨表"，其清水态与浊水态的双稳态转换一直是生态学研究的经典范例。当营养盐输入超过临界阈值，原本清澈见底的水体可能突然变得浑浊不堪，沉水植物（submerged macrophytes）被藻类取代，形成难以逆转的生态灾难。传统研究多聚焦于生态过程，而法国国际理论科学中心（ICTS）的Sirine Boucenna团队在《Theoretical Population Biology》发表的研究首次系统揭示了进化力量如何重塑这种生态突变。

研究采用适应性动力学框架，构建了沉水植物与浮叶植物（floating macrophytes）沿营养盐扩散梯度（u）竞争的模型。通过分析生长深度（growth depth）这一关键性状的进化轨迹，结合结构化种群模拟，解析了单物种进化与共进化（co-evolution）场景下的动态差异。

生态动力学
模型重现了经典的双稳态现象：低营养扩散下沉水植物主导的清水态，与高扩散下浮叶植物主导的浊水态共存。浮叶植物通过表层遮光抑制沉水植物，而沉水植物则通过底泥营养吸收限制竞争者，形成正反馈循环。

进化动态
性状进化产生三类非平凡模式：(1) 周期性振荡——生长深度随扩散率变化呈现极限环；(2) 分支分化——单一种群分裂为深浅两个生态型；(3) 进化自杀——适应性进化意外导致种群崩溃。这些现象在扩散率u≈0.4时表现最为显著。

共进化效应
当两种植物同时进化时，系统表现出更强的稳定性缓冲。但出乎意料的是，共进化并未显著改变单物种进化时的基本动态格局，仅使临界阈值偏移约15%。

该研究突破性地证明进化过程可独立于环境变化触发生态突变。生长深度性状的适应性进化可能使系统提前抵达临界点，这对预测气候变暖下的湖泊生态转型具有预警价值。特别是进化自杀现象的发现，暗示某些看似适应性的进化反而可能加速生态系统崩溃。研究为生态-进化耦合理论（eco-evolutionary dynamics）在突变系统中的应用建立了新范式，其建模框架可扩展至珊瑚礁、草原等其他双稳态生态系统研究。