生物表型多样性形成与丧失的进化动力学机制研究

Understanding the mechanism of biodiversity formation and loss remains a core problem in evolutionary biology.In this project,first,we will analyze the fundamental characteristics of phenotypic diversity of biological populations.Then by using mathematical modeling and analysis, we will investigate the coevolution of phenotypic traits in ecosystems subject to Allee effect,the evolution of phenotypic traits under nonequilibrium population dynamics and the evolution of dispersal.With the theory of Adaptive Dynamics,the theory of Dynamical Systems and numerical simulations,we will clarify some interesting evolutionary phenomena in ecosystems,such as evolutionary branching,evolutionary suicide,evolutionary cycle and evolutionary chaos,and reveal the novel mechanisms of formation,maintenance and loss of species.Particularly, we will discuss the impact of Allee effect,competition mode and interspecific interactions on the evolution of species.Moreover,by using the patch models and integral operator,we will investigate the evolutionary patterns of dispersal strategy in structured metapopulations and analyze the effect of heterogeneous environments.We will investigate under what conditions the evolutionary branching of dispersal strategy will occur and whether the dimorphic metapopulation can coexist on a much longer evolutionary timescale.Our study not only provides mathematical models and theoretical guidence for the study of evolving biodiversity,but also provides new insights for the protection of ecological balance.

理解生物表型多样性的形成与变化机制是进化生物学研究中的一个核心问题。我们将在充分认识生物表型特征进化多样性基本特征的基础上，围绕具有Allee效应的生态系统中种群表型特征的共同进化、动态平衡生态系统中种群表型特征的进化和扩散的进化几个主题建立动力学模型。利用适应动力学理论、动力系统理论和计算机模拟等手段研究Allee效应、竞争方式、环境梯度和种间关系等生物因子对种群表型特征进化的影响，分析模型产生分支和混沌的条件，阐明生态系统中生物表型特征的进化分支现象、进化灭绝现象、周期进化现象和进化混沌现象；利用斑块模型和积分算子探索集合种群系统中种群扩散策略的进化模式，研究空间异质性和Allee效应等对扩散进化的影响，分析具有空间结构的种群产生进化分支的条件。相关研究结果可以帮助揭示生物多样性的形成、维持与丧失过程及其动力学机制，为生物多样性的研究提供数学模型和理论指导，为保护生态平衡提供定量参考。

生物多样性是地球演化的独特产物，是人类生产和生活中不可缺少的自然财富。我国既是生物多样性特别丰富的国家，又是生物多样性受到严重威胁的国家之一。因此，人们迫切需要知道生物多样性起源、维持与丧失的动力学过程及其进化动力学机制，从而为生物多样性的保育和决策提供科学依据。所以，研究生物表型多样性形成与丧失的进化动力学机制成为进化生物学研究中的一个重大问题。. 我们在充分认识典型生态系统中生物表型特征进化多样性基本特征的基础上，建立了捕食者和食饵种群的进化动力学模型。利用适应动力学理论、动力系统理论和数值模拟等方法，主要研究了Allee效应、竞争方式和种间关系等生物因子对种群表型特征进化多样性的影响，分析了捕食者和食饵种群产生进化分支和进化灭绝的生态条件和进化条件以及多同态种群长期进化稳定共存的条件，讨论了Allee效应、共同进化和环境变化对种群产生进化分支和进化灭绝的影响。我们发现在最基本的一种捕食者一种食饵系统中，捕食者种群捕食能力的适应性进化能促进其产生进化分支；在非对称相互作用下，捕食者和食饵种群的共同进化能促进他们产生进化多样性；在两种捕食者一种食饵系统中，食饵种群防御能力的适应性进化促进了其产生进化多样性；在三级营养食物链系统中，顶级捕食者种群促进了中间层捕食者种群产生进化多样性。相关结果阐明了典型生态系统中生物表型特征产生进化分支和进化灭绝的进化动力学机制。. 我们的研究结果不仅揭示了典型生态系统中生物表型多样性形成、维持与丧失的动力学过程及其进化动力学机制，而且为生物多样性的研究提供了数学模型和理论指导，为保护生态平衡提供了科学依据和定量参考。有关方法和结果对病毒进化多样性的研究也有移植或借鉴作用。