微生物群落——由数百万种不同物种的细胞组成的庞大生态系统——在地球生命中发挥着重要作用，从产生氧气到帮助消化。尽管微生物群落非常重要，但要完全了解这些错综复杂的群落如何形成和发挥作用，对科学家来说却是一个挑战。

但在一项新研究中，我和我的同事开发了一个新的数学框架，旨在解释微生物关系是如何出现的。通过更好地了解这些群落，我们可以更好地保护和管理它们，这可能对我们地球的健康产生深远的影响。

我们对微生物群落(栖息在不同环境和生物体中的数千种微生物的集合)的大部分理解都来自于对它们之间差异的研究。研究人员经常调查似乎塑造这些微生物群落的生态和进化因素。

但很难确定这些因素是否真的导致了差异，还是仅仅是巧合。这就是为什么了解微生物组形成背后的真正驱动因素如此重要。它有助于我们了解这些群落存在的原因以及它们如何发挥作用。

如果您和我一样，曾惊叹于自然界中植物和动物的繁衍生息，那么您就见证了生态和进化力量的运作，就像查尔斯·达尔文在19世纪所看到的那样。这些大型生态系统所遵循的相同原则也适用于微生物世界。

因此，为了开展研究，我和我的同事借鉴了达尔文的经验。我们研究了可能导致许多多细胞生物形成如此多样化微生物群的生态和进化因素。这些生物包括海绵、昆虫、人类和鱿鱼。我们的发现令人震惊。尽管物种之间存在巨大差异，但它们的微生物群落都适用相同的基本规则。

例如，微生物在不同环境之间移动的能力及其快速进化的速度是决定它们生活在哪里的重要因素，无论是在植物的根部还是在动物的肠道中。当然也有例外。例如，在大熊猫和小熊猫中，饮食在塑造肠道微生物方面起着至关重要的作用，而某些植物，如小芸苔属植物拟南芥，则通过化学防御来控制其根部微生物群。

一旦我们确定了这些机制，挑战就是将我们的见解组织成一个连贯的框架。这类似于达尔文通过自然选择提出的进化论。这就是数学发挥作用的地方。

数学对于我们理解周围的世界至关重要，无论是量子力学还是生命本身的复杂性。通过应用数学模型，我们可以理解塑造微生物群的复杂因素。

微生物生态系统的新模型

我们的框架有助于解释令人费解的观察结果，例如为什么有些海洋海绵充满了微生物，而另一些却只有少量微生物。我们的研究是独一无二的，因为它让我们首次能够全面思考这些复杂的共生关系。它融合了生态和进化的思维方式。我们希望我们的框架将成为未来研究其他微生物生态系统的基础。

我们目前正在将研究范围扩大到海绵，探索微生物之间代谢产物(如维生素和氨基酸)的交换如何影响其群落结构。我们的框架非常灵活，因此可以适应不同的系统研究。它有助于更​​深入地了解微生物与其宿主之间的相互作用。

由于人类继续影响着我们的自然生态系统，这种定量方法至关重要。它可以帮助我们找到这些问题的解决方案。

例如，我们最近通过研究支持珊瑚定居的微生物网络，展示了微生物组研究如何改善珊瑚礁保护工作。通过操纵这些网络，我们可以更有效地帮助恢复珊瑚种群。

当然，挑战仍然存在。例如，我们仍然不了解微生物休眠，这是一些微生物在压力下采取的一种策略。它们减少活动，同时增加对恶劣外部条件的抵抗力。这有点像熊冬眠以躲避冬天。

尽管存在这些问题，我们仍然乐观地认为，像我们这样的数学框架将为未来的发现铺平道路。它可以增进我们对大大小小的生态系统的理解——从微生物群落到涉及植物和动物的大型生态系统。这反过来又有助于揭开自然界的秘密。这些知识可以用来为子孙后代保护生物多样性。