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生命找到出路：自适应阈值网络中合作结构的涌现

SeanMaley1,2,CarlosGershenson1,andStuartA.Kauffman3

1SUNYBinghamton,NY,USA

2SUNYFingerLakesCommunityCollege,NY,USA

3InstituteforSystemsBiology,Seattle,WA,USA

2025年7月19日

本

译摘要

中

1关于新的组织层次是如何演化的，一直存在长期的争论[21].这似乎不太可能，

v因为合作必须胜过竞争[22].一个被广泛研究的例子是自催化集合的出现[9]，这似

3

5乎是生命演化的一个先决条件。通过一个简单的模型，我们调查了倾向于合作与对

2

3抗的变化如何塑造网络动态，揭示了即使在普遍存在对抗性互动的情况下，更高层

1

.次的组织也会形成。一般来说，我们观察到系统中的元素数量增加会导致质变。

7

0我们提出了一种随机阈值导向网络模型[24]，该模型将节点特定特征与动态边

5

2形成和节点移除相结合，模拟任意水平的合作与竞争。在我们的框架中，内在的节

:

v点价值通过各种阈值规则决定有向链接。我们的模型生成带有符号边缘（反映支持/

i

x对抗，标记为“帮助”/“伤害”）的多重有向图，最终产生两个并行但相互依赖的

r

a阈值图。在我们方法中纳入时间增长和节点更替允许探索社区的进化、适应及潜在

崩溃，并揭示连接性和韧性的相变。

我们的研究结果扩展了经典的随机阈值和Erdős-Rényi模型[8],为生物和经济

环境中的自适应系统提供了新的见解，特别强调其在集体能力集[19]中的应用。

该框架还应有助于进行预测，这些预测将通过正在进行的土壤微生物群落实验来

验证。

1介绍

生命驱动——并被驱动——相互作用。每个生物体将其独特而广泛的因果属性带入

其环境，不断适应和“修补”以建立有益的互动或减轻有害的互动。尽管存在进化压力

和竞争，我们经常观察到复杂、自我维持的互惠支持网络在生命系统中常规出现[22]。

理解这些网络如何以及为何可靠形成对于理论生物学和复杂系统科学都至关重要。

1

微生物群落特别能说明这一现象。尽管（或者，可能是由于）生化和生态多样性极

大，稳定且相互依赖的群落会反复出现。即使初始互动主要是对抗性的，微生物也找到

了共存甚至互相受益的方式，形成可以被视为“集体能力集”[19]：拼凑而成、自我组

织化的结构，利用社区成员之间的因果属性组合。

为了实证研究这一现象，正在进行的实验工作旨在混合56种细菌和56种真菌物

种，观察是否有新的稳定生态系统从巨大的潜在互动模式空间中产生。虽然我们主要关

注的是复杂的土壤微生物群落，但这个概念超越了生物学范围。人类经济具有非常相似

的动力学特征。技术创新和市场多样性是由现有产品、服务和思想的重组所驱动的。随

着越来越多的企业或发明家进入市场，新的产品和服务找到“利基”，形成一个自我强

化且不断演化的相互依赖网络。

在本文中，我们提出了一种基于简单假设的自适应阈值网络模型，旨在探索促进稳

定、合作结构形成的条件。我们的模型不是专注于特定的进化游戏或具体的生态场景，

而是研究可能的交互模式的更广阔空间，确定大规模、强连接社区（SCCs）可靠形成

和持续存在的条件。此外，由于“替代社区状态可以作为系统动态的结果而产生，而不

受环境差异驱动”[11]，我们模型广泛且不依赖于特定环境的设计是充分合理的。

使用一个简单的模型，我们的结果表明，即使