Individual-based Modeling and Ecology (Princeton Series in Theoretical and Computational Biology) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Princeton University Press

作者:Volker Grimm

出品人:

页数:428

译者:

出版时间:2005-07-18

价格:USD 115.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780691096650

丛书系列:

图书标签:

• 生物
• 数学
• Individual-based modeling
• Ecology
• Computational biology
• Theoretical biology
• Population dynamics
• Agent-based modeling
• Mathematical modeling
• Simulation
• Ecosystem modeling
• Biodiversity

好的，这是一本关于复杂系统与生态学的图书简介，重点聚焦于宏观生态学现象的微观机制解释，以及计算模型在理解生物多样性、种群动态与生态系统功能中的应用。 --- 复杂系统的涌现：从个体交互到宏观生态格局的构建 （A Primer on Emergent Properties: Constructing Macro-Ecological Patterns from Micro-Scale Interactions） 图书概述 本书深入探讨了当代生态学研究的前沿领域——如何利用计算和理论工具，解析自然界中复杂生态系统的结构与功能。我们不再仅仅满足于描述宏观尺度的现象，而是致力于揭示这些现象背后的驱动力：微观尺度上个体生命体之间、以及个体与环境之间的动态交互作用。 本书旨在为读者提供一个坚实的理论框架，用以理解生态学中的“涌现”现象（Emergence）。生态系统是典型的复杂适应系统（Complex Adaptive Systems, CAS），其整体行为（如物种分布、食物网结构、生物量波动）并非简单地是其组成部分行为的总和，而是源于大量个体基于简单规则的实时互动所自发产生的。 我们聚焦于基于主体的建模方法（Agent-Based Modeling, ABM）和非线性动力学，将传统的种群生态学、群落生态学与信息论、统计物理学相结合，构建出能够反映现实生物学过程的理论模型。本书强调，理解生态系统的稳定性和恢复力（Resilience），必须从理解异质性（Heterogeneity）和空间结构（Spatial Structure）入手。 第一部分：理论基石与建模范式 第一章：生态学中的复杂性挑战 本章首先界定了生态系统复杂性的内涵，区分了“复杂”与“混沌”的不同。我们回顾了经典生态学模型（如Lotka-Volterra方程）的局限性，特别是它们在处理个体异质性、随机事件和空间关联性方面的不足。引入了统计物理学的视角，将生态网络视为一种具有内在连接结构的统计集合。 关键议题： 如何从连续变量假设转向离散主体建模的必要性；反馈回路在驱动非线性动态中的作用。 第二章：个体化方法论的崛起（The Rise of Individual-Based Approaches） 详细阐述了为什么需要从基于种群（Population-level）的建模转向基于个体（Individual-level）的建模。个体模型（或称基于主体的模型，ABM）允许我们明确定义个体的生理限制、行为规则、繁殖策略和空间移动能力。 我们将系统地介绍ABM的构建模块：主体定义、环境网格（Grid/Network Representation）、交互规则（Competition, Predation, Dispersal）以及时间步进机制。通过具体的案例（如昆虫群落的空间分布），展示ABM如何自然地解释宏观模式的形成。 核心概念： 异质性（Diversity of Traits）的显式表示；自组织临界性（Self-Organized Criticality）在生态扰动中的体现。 第三章：网络理论在生态结构中的应用 本章将生态系统的交互关系——无论是食物网的捕食关系，还是物种间的竞争联系——抽象为数学网络。我们不再将网络视为静态的，而是动态演化的系统。重点讨论了网络拓扑结构（如模块化、中心性、小世界特性）如何影响生态系统的稳定性、信息流和能量流动效率。 聚焦分析： 随机网络、无标度网络与生物网络结构的差异；网络鲁棒性（Robustness）对极端事件（如关键物种的消失）的抵抗力。 第二部分：核心生态过程的机制解释 第四章：种群动态与空间格局的耦合 经典种群生态学往往假设均匀的、无限的（或周期性的）空间。本部分将个体移动（Dispersal）视为一个关键的动态变量，而非一个简单的参数。我们探讨了如何通过引入空间异质性（如地形、资源斑块的分布）来解释为什么某些物种的种群波动表现出空间同步性，以及为什么某些地区会出现物种的聚集现象（Aggregation）。 案例研究： 扩散限制平衡（Dispersal-limited Equilibria）与空间连锁反应（Spatial Cascades）。 第五章：竞争、共存与生物多样性的涌现 本书的核心挑战之一是解释为什么在资源有限的环境中，大量物种能够共存（即“竞争排斥原理”的例外）。我们运用ABM来模拟资源竞争的动态过程，强调了随机性、环境波动和生态位重叠的交互作用。通过模拟物种间的非线性反馈，展示了如何产生动态共存（Dynamic Coexistence），而非静态的“拉锯战”。 模型创新： 引入“生态位动态化”的概念，即物种的有效生态位并非固定不变，而是随其群体的密度和空间位置实时演化的。 第六章：捕食者-猎物系统的时空振荡与“斑图形成” 捕食关系是生态系统中最具代表性的非线性反馈。本章深入研究了具有空间结构时的捕食者-猎物系统。我们将利用反应-扩散方程（Reaction-Diffusion Equations）与ABM相结合，解释霍克斯（Turing）斑图在生态学中的体现，即捕食者和猎物如何在空间中形成周期性的“斑块”或“波纹”。这解释了为何在不同区域观察到的种群密度差异巨大。 理论深度： 讨论了空间结构如何打破非空间模型中常见的稳定振荡，转而产生更复杂的、具有空间尺度的周期性模式。 第三部分：从机制到前沿应用 第七章：群落组装与生态系统功能的计算模拟 生态系统功能（Ecosystem Functioning, EF）——如初级生产力、碳循环、养分截持——是评估生态系统健康程度的关键指标。本章关注群落组装（Community Assembly）过程。我们模拟了不同历史路径（History Dependency）如何影响最终群落的结构，以及不同物种组合如何导致EF的冗余性（Redundancy）和互补性（Complementarity）。 焦点探讨： 在气候变化背景下，通过改变环境条件（如温度、降水），观察模型如何预测功能性状（Functional Traits）的演变和关键EF的丧失或维持。 第八章：人为干扰与生态系统恢复力的量化 在人类活动日益增强的今天，理解生态系统如何应对干扰至关重要。本书运用前面构建的模型，对不同尺度的干扰（如栖息地破碎化、外来物种入侵、气候冲击）进行压力测试。我们不再使用单一的稳定性指标，而是引入了多维度指标来量化系统的恢复力（Resilience）、适应力（Adaptability）和脆弱性（Vulnerability）。 结论导向： 强调个体行为的规则性如何决定了宏观系统在接近“临界点”（Tipping Points）时的敏感性，并为保护生物学提供基于机制的干预策略。 读者对象 本书适合具有生态学或生物学背景，并希望深入掌握计算建模技术的研究生、博士后研究人员以及希望将复杂系统理论应用于生物科学的学者。它也为高级本科生提供了理解现代理论生态学框架的优秀入门材料。本书的理论推导严谨，但力求通过直观的案例和模型可视化，使复杂的数学概念易于理解和应用。 ---

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