当6亿年前的埃迪卡拉生物群在海洋中舒展躯体，当恐龙时代的陆地生态系统经历火山喷发的浩劫，地球生命史的每一次剧变都在岩层中留下隐秘印记。如何破译这些跨越亿万年的生态密码，揭示生态系统中生物与环境之间的协同演化、生物与生物之间的军备竞赛？近日，中国地质大学（武汉）陈中强教授团队联合美国加州科学院学者，在国际一流方法学期刊Nature Protocols发表《一种定量评价古生物群落的生态动态变化和功能结构的模拟方法体系》（A modelling approach to quantify ecological dynamics and functional structures of palaeo-communities）的技术创新论文，建立了一套新的古生态模拟的技术方法体系，实现了从化石记录到深时生态系统食物网的重构，拓展了地球生物学研究范式。
图1 文章首页
该文章是《Nature Protocols》自2006年创刊以来，首次发表地球生物学研究方法，被期刊选为亮点论文（This Week's Featured Protocol），标志着该团队在古生态学领域具有创新性的技术方法成果获得了国际同行的认可，彰显了其在方法学上的突破性与重要性。图2 论文被选为期刊亮点文章，置顶于Nature Protocols官网首页进行介绍该方法的核心在于通过系统的步骤解析深时生态系统结构演化的奥秘。首先是古群落数据集的建立。先圈定合适的古群落“时空范围”，不能太宽也不能太长，尽量确保纳入的物种同时存在过，然后从野外、文献和专业数据库里搜集化石信息，不仅要分类学信息，还要收集体型、捕食痕迹等生态线索，为后续研究打下基础。接着是生态功能群的划分。把具有相似功能的物种归到一起，比如“大型爬行动物捕食者”或“小型食虫动物”，这过程需要综合考量多种生态特征。然后是元网络的构建。这一步要找出不同功能群之间可能存在的捕食关系，通过研究捕食痕迹、化石胃容物、功能形态以及体型关系等，把有捕食可能的功能群连接起来，形成一个复杂的网络。再之后是功能结构分析。从功能组成、营养空间等方面入手，分析古群落之间的差异，用超几何概率来检验各功能群物种丰富度的可能性是否均匀，了解古群落的结构特点。之后是食物网建模。借助模型，输入古群落和元网络的描述以及每个功能群的猎物列表，随机生成多个物种级别的古食物网，计算网络营养位置、连接密度等指标，模拟各种扰动情况，比如减少初级生产者或移除顶级消费者，观察次级灭绝情况，探究古群落的稳定性。最后是生态演化动态分析。找到次级灭绝急剧增加的“崩溃临界点”，通过计算崩溃阈值和低扰动下的次级灭绝率来量化群落稳定性，更高的阈值和更低的灭绝率意味着更强的稳定性，从而揭示古群落的演化动态。
该方法具有广泛的适用性，可在不同时空尺度下对陆地、海洋等多种生态系统进行分析，为推动古生物学从单一物种定性描述向生态系统定量研究转型发展提供了关键抓手。这一古生态模拟方法的价值不仅在于重构远古时期生态系统食物网结构，并揭示其稳定性对环境变化的响应机制，更在于为当下的生态保护提供了重要启示。通过对地质历史时期生态系统变化的研究，能够帮助我们更好地理解当前人类活动影响下生态系统的脆弱性与韧性，为预测和应对当代生态危机提供科学依据。当我们用技术重构远古生态系统，本质上是在为现代地球寻找应对危机的“历史智慧”。正如论文所述：“地质记录中的每一次生态崩溃与复苏，都是大自然写给人类的生存指南。”
黄元耕副研究员为该论文的第一和通讯作者，美国Peter Roopnarine教授和陈中强教授共同参与完成，本研究得到了国家重点研发计划青年科学家项目和国家自然科学基金项目的支持。
论文相关信息：Huang, Yuangeng *, Roopnarine, D. Peter, Chen, Zhong-Qiang., A modelling approach to quantify ecological dynamics and functional structures of palaeo-communities. Nature Protocols, 2025.
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41596-025-01201-4
