导语


自然界中丰富多样的物种如何能够长期共存？复杂生态系统中的个体如何通过相互作用涌现出集体行为？生态系统的稳定性与多样性来自哪里？物种多样性与生态系统稳定性有怎样的关系？环境波动和物种间相互作用如何影响生态系统稳定性？统计物理为理解复杂生态系统问题提供了新视角。本周四的「非平衡统计物理」读书会，我们邀请到普林斯顿大学博士后研究员崔文平，介绍如何利用统计物理的方法来理解复杂微生物生态系统。

为了探讨统计物理学的前沿进展，集智俱乐部联合西湖大学理学院及交叉科学中心讲席教授汤雷翰、纽约州立大学石溪分校化学和物理学系教授汪劲、德累斯顿系统生物学中心博士后研究员梁师翎、香港浸会大学物理系助理教授唐乾元，以及多位国内外知名学者共同发起「非平衡统计物理」读书会。读书会从12月12日开始，计划每周四晚20:00-22:00进行，持续时间预计12～15周。欢迎感兴趣的朋友一起讨论交流！



内容简介



微生物生态系统的复杂性与多样性一直是科学界关注的焦点。从人类肠道中共存的数百种微生物，到海洋生态系统中繁衍的成千上万种物种，这种惊人的多样性展现了大自然的神奇。在过去的研究中，理论生态学家们主要将注意力集中在研究小规模的生态系统，这些系统通常只包含少数几个物种。然而，随着研究的深入，我们发现这些基于简单系统建立的分析方法和理论框架并不适用于高度复杂多样的微生物生态系统。然而，统计力学为我们提供了一个新的视角，它帮助我们理解了复杂系统中个体行为如何通过相互作用涌现出集体行为。借鉴这一思路，本次读书会旨在介绍一个基于统计物理的理论框架，将自旋玻璃、随机矩阵理论和凸优化方法有机结合来解析理解复杂微生物生态系统存在的基本问题。




内容大纲



    地球和人体上的微生物群落的统计规律

    生态学模型的简介

    统计物理与复杂生态学模型

    对微生物实验数据的建模与分析

    结论及未来展望




核心概念




复杂生态系统 Complex Ecosystems

生物多样性 Biodiversity

消费者-资源模型 Consumer-Resource Model

交互营养共生 Cross-Feeding

自旋玻璃理论 Spin Glass

空腔法 Cavity Method

随机矩阵 Random Matrix





主讲人



崔文平，普林斯顿大学博士后研究员。2011年在中国科学技术大学天体物理学专业取得学士学位，2014年在德国波恩大学取得物理学硕士学位，2021年在美国波士顿学院取得物理学博士学位，博士论文是关于微生物组的统计力学。2021-2024年期间在加州大学圣芭芭拉分校-卡维里理论物理研究所从事博士后研究。研究领域为生物物理，特别是利用统计物理来探索生物系统的基本原理。研究方向包括生态与演化，细胞感知与响应机制，动物行为学，以及人工神经网络的注意力学习机制。具体研究领域涉及：（1）统计物理在生态的发展与应用：应用自旋玻璃理论和随机矩阵理论，探索复杂生态系统中相互作用的规律以及对其动力学行为的影响。（2）演化及群体基因组理论：研究噬菌体与细菌在军备竞赛中的博弈机制及其驱动的协同进化模式。（3）注意力学习：动物及人工神经网络的注意力分配过程中的动态机制。
学者主页：https://wenping-cui.github.io//




参与方式



直播信息
时间：2025年1月16日（周四）晚20:00-22:00
报名参与读书会：

斑图链接：https://pattern.swarma.org/study_group_issue/828


扫码参与「非平衡统计物理」读书会，加入群聊，获取系列读书会回看权限，加入统计物理社区，与社区的一线科研工作者沟通交流，共同推动这一前沿领域的发展。

报名成为主讲人
读书会成员均可以在读书会期间申请成为主讲人。主讲人作为读书会成员，均遵循内容共创共享机制，可以获得报名费退款，并共享本读书会产生的所有内容资源。详情请见：从热力学、生命到人工智能的统计物理之路：非平衡统计物理读书会启动！



参考文献



[1] Wenping Cui, Robert Marsland III, and Pankaj Mehta. Les Houches Lectures on Community Ecology: From Niche Theory to Statistical Mechanics, arXiv:2403.05497
[2] Wenping Cui, Robert Marsland III, and Pankaj Mehta. Diverse communities behave like typical random ecosystems. Physical Review E 104.3 (2021): 034416.
[3] Marsland III, Robert, Wenping Cui, and Pankaj Mehta. A minimal model for microbial biodiversity can reproduce experimentally observed ecological patterns. Scientific reports 10.1 (2020): 3308.
[4] Robert Marsland III, Wenping Cui, Joshua Goldford, Alvaro Sanchez, Kirill Korolev, Pankaj Mehta. Available energy fluxes drive a transition in the diversity, stability, and functional structure of microbial communities. PLoS computational biology 15.2 (2019): e1006793.
[5] Wenping Cui, Jemma M. Fendley, Sriram Srikant and Boris Shraiman. A model of pan-immunity maintenance by horizontal gene transfer in the ecological dynamics of bacteria and phages. arXiv preprint arXiv:2402.19388 (2024).
[6] Cui, Wenping, Robert Marsland III, and Pankaj Mehta. Effect of resource dynamics on species packing in diverse ecosystems.Physical review letters 125.4 (2020): 048101.
[7] Pankaj Mehta, Wenping Cui, Ching-Hao Wang, Robert Marsland III. Constrained optimization as ecological dynamics with applications to random quadratic programming in high dimensions. Physical Review E 99.5 (2019): 052111.


非平衡统计物理读书会启动！


2024年诺贝尔物理学奖授予人工神经网络，这是一场统计物理引发的机器学习革命。统计物理学不仅能解释热学现象，还能帮助我们理解从微观粒子到宏观宇宙的各个层级如何联系起来，复杂现象如何涌现。它通过研究大量粒子的集体行为，成功地将微观世界的随机性与宏观世界的确定性联系起来，为我们理解自然界提供了强大的工具，也为机器学习和人工智能领域的发展提供了重要推动力。

为了深入探索统计物理前沿进展，集智俱乐部联合西湖大学理学院及交叉科学中心讲席教授汤雷翰、纽约州立大学石溪分校化学和物理学系教授汪劲、德累斯顿系统生物学中心博士后研究员梁师翎、香港浸会大学物理系助理教授唐乾元，以及多位国内外知名学者共同发起「非平衡统计物理」读书会。读书会旨在探讨统计物理学的最新理论突破，统计物理在复杂系统和生命科学中的应用，以及与机器学习等前沿领域的交叉研究。读书会从12月12日开始，每周四晚20:00-22:00进行，持续时间预计12周。我们诚挚邀请各位朋友参与讨论交流，一起探索爱因斯坦眼中的普适理论！



详情请见：从热力学、生命到人工智能的统计物理之路：非平衡统计物理读书会启动！


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