[論文レビュー] Cross-scale ecological theory sheds light on the maintenance of biodiversity

James P. O’Dwyer, Stephen J. Cornell|arXiv (Cornell University)|May 22, 2017

Ecosystem dynamics and resilience参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、後向きFokker-Planck方程式を用いて、空間的に明示的でスケールを跨ぐ中立的生物多様性理論を構築し、種の多様性分布が空間スケールに応じてどのように変化するかを解析的に予測する。この理論は、中立モデルのみでは熱帯林における局所的種多様度と希少種の多様性を著しく低く見積もっていることを明らかにし、非中立的プロセスが説明しなければならない重要なギャップを定量化する。

ABSTRACT

One of the first successes of neutral ecology was to predict realistically-broad distributions of rare and abundant species. However, it has remained an outstanding theoretical challenge to describe how this distribution of abundances changes with spatial scale, and this gap has hampered attempts to use observed species abundances as a way to quantify what non-neutral processes are needed to fully explain observed patterns. To address this, we introduce a new formulation of spatial neutral biodiversity theory and derive analytical predictions for the way abundance distributions change with scale. For tropical forest data where neutrality has been extensively tested before now, we apply this approach and identify an incompatibility between neutral fits at regional and local scales. We use this approach derive a sharp quantification of what remains to be explained by non-neutral processes at the local scale, setting a quantitative target for more general models for the maintenance of biodiversity.

研究の動機と目的

• 空間スケールに跨る種の多様性分布の変化を解析的に予測することで、中立的生物多様性理論におけるギャップを埋めること。
• 空間的に暗黙的なモデルが抱える曖昧なフィッティングパラメータを回避する空間的に明示的な中立モデルを構築すること。
• 地域スケールのモデル適合が、熱帯林の局所スケールの種多様性パターンと整合しているかどうかを検証すること。
• 中立的予測と実証データとの乖離を定量化し、非中立的プロセスが説明しなければならない残りの部分を特定すること。

提案手法

• 時間と空間を跨る確率的集団動態を記述するため、後向きFokker-Planck方程式を用いて空間的に明示的な中立的理論を定式化する。
• 種の多様性と領域の生成関数のモーメント方程式の階層を導出し、種の多様性と領域の関係（SAR）および種の多様性分布（SAD）の解析的取り扱いを可能にする。
• 生成関数の機能的微分を用いて修正モーメントの式を導出し、定常状態下でこれを解く。
• モーメント階層に対して切断近似を適用し、一次および二次モーメントに焦点を当てて、システムを解析的に扱えるようにする。
• 異なる種分化および拡散率の下で、近似の正確性を空間的に明示的な数値シミュレーションと照合して検証する。
• 局所スケールの種多様性パターンを予測するために、スパarsityな地域的および大陸的スケールのデータを用いてモデルをパラメータ化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中立理論が予測する種の多様性分布は、空間スケールに応じてどのように変化するか？
• RQ2 地域スケールのデータからパラメータ化された空間的に明示的な中立モデルは、観察された局所的種多様性分布を定量的に再現できるか？
• RQ3 空間的に暗黙的な中立モデルが局所データに適合できるのは、生物学的仮定が正確だからか、それともフィッティングの自由度のおかげか？
• RQ4 局所的生物多様性のどの程度が中立性によって説明されておらず、それはどのように定量化できるか？
• RQ5 拡散と中立的ダイナミクスが、実際に観察された局所コミュニティにおける希少種の高頻度をどれだけ生成できるか？

主な発見

• 空間的に明示的な中立モデルは、熱帯林の局所的コミュニティで観察された希少種の数を著しく低く見積もる種の多様性分布を予測する。
• 地域スケールのパターンにフィットさせたとしても、モデルの局所的種多様性分布の予測は、実証データと著しく乖離している。
• 乖離は希少種に対して最も顕著であり、中立的プロセスのみでは局所的生物多様性パターンを説明できないことを示唆する。
• モデルは、中立性によって説明されない、特に希少種を含む局所的種多様性の大幅な部分が残っていることを定量化し、非中立的メカニズムが説明すべき定量的目標を提示する。
• 結果は、拡散と中立的ダイナミクスが、実証データで観察された一時的希少種の高頻度を生成しないことを示し、中立性の十分性に疑問を呈する。