[論文レビュー] Effects of Mixing Interaction Types on Ecological Community Stability

Samir Suweis, Jacopo Grilli+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2013

Plant and animal studies参考文献 18被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、相互作用的および敵対的相互作用を混合させることで生態系が安定化するという主張に反論する。MougiとKondohの理論的枠組みを再分析することで、著者たちは観察された複雑性と安定性の正の関係が、相互作用タイプの混合によるものではなく、接続度（connectance）と種の数に逆比例するように交互作用強度が人工的に再スケーリングされていることに起因することを示している。研究では、実際の相互作用的ネットワークはこの再スケーリングを支持せず、したがって、複雑性と安定性のパラドックスは相互作用タイプの混合によって解決されていないことが示された。

ABSTRACT

In the last years, a remarkable theoretical effort has been made in order to understand stability and complexity in ecological communities. The non-random structures of real ecological interaction networks has been recognized as one key ingredient contributing to the coexistence between high complexity and stability in real ecosystems. However most of the theoretical studies have considered communities with only one interaction type (either antagonistic, competitive, or mutualistic). Recently it has been proposed a theoretical analysis on multiple interaction types in ecological systems, concluding that: a) Mixture of antagonistic and mutualistic interactions stabilize the system with respect to the less realistic case of only one interaction type; b) Complexity, measured in terms of the number of interactions and the number of species, increases stability in systems with different types of interactions. By introducing new theoretical investigations and analyzing 21 empirical data sets representing mutualistic plant-pollinator networks, we show that that conclusions are incorrect. We will prove that the positive complexity-stability effect observed in systems with different kind of interactions is a mere consequence of a rescaling of the interaction strengths, and thus unrelated to the mixing of interaction types.

研究の動機と目的

• 生態系が安定化されるという主張、すなわち相互作用的および敵対的相互作用を混合させることで安定化が達成されるという主張に反論すること。
• ハイブリッド相互作用系における複雑性と安定性の正の関係が、相互作用タイプの混合に起因するのか、それとも方法論的アーティファクトに起因するのかを調査すること。
• 先行理論的モデルで用いられた再スケーリング仮定が、実際の相互作用的ネットワークデータに対して有効であるかを検証すること。
• 現実的なネットワーク構造と相互作用強度のスケーリングに基づいて、生態系の安定性を再評価すること。

提案手法

• 相互作用的および敵対的相互作用のための別個の相互作用係数を用いて、Lotka-Volterraコミュニティダイナミクスモデルを再定式化した。
• MougiとKondohのモデルで用いられたように、相互作用の強度を相互作用的および捕食的パートナーの数に基づいて再スケーリングするメカニズムを適用した。
• 21の相互作用的植物-受粉者ネットワークの実証データを用いて、相互作用強度がパートナー数の増加に伴い減少するという仮定が妥当であるかを検証した。
• コミュニティ行列の固有値分布を用いた安定性解析により、接続度（C）と種の数（S）を変化させた場合のシステムの安定性を評価した。
• ランダム、カスケード、バイパーティットなネットワーク構造において、再スケーリングありと再スケーリングなしの安定性結果を比較した。
• 式（8）で導出された修正された安定性基準により、σ が √(CS) に逆比例するスケーリングが、相互作用タイプの混合とは独立して安定性の向上をもたらすことが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相互作用的および敵対的相互作用を混合させることで、実際に生態系が安定化されるのであろうか？
• RQ2 ハイブリッド相互作用系における複雑性と安定性の正の関係は、相互作用タイプの混合に起因するのか、それとも方法論的再スケーリングに起因するのか？
• RQ3 実際の相互作用的ネットワークでは、パートナー数の増加に伴い相互作用強度が減少するという仮定が成立するのであろうか？
• RQ4 相互作用強度の再スケーリングが、生態ネットワークにおける安定性-複雑性関係にどのように影響を与えるのか？

主な発見

• MougiとKondohの研究で報告された複雑性と安定性の正の関係は、相互作用タイプの混合によるものではなく、接続度と種の数に逆比例するように交互作用強度が再スケーリングされていることに起因する。
• 21の相互作用的植物-受粉者ネットワークの実証的分析から、相互作用的パートナー数の増加に伴い相互作用強度が増加することが示された。これは、先行モデルが仮定していた「パートナー数の増加に伴い強度が減少する」という仮定と矛盾する。
• 相互作用強度を再スケーリングしない場合、複雑性（S および C）の増加に伴い安定性が低下し、これはMayの元来のパラドックスと整合的である。
• 再スケーリング機構そのものが、単に相互作用タイプの混合がもたらす効果を模倣する安定性-複雑性関係を生み出すことができ、これは純粋に相互作用的ネットワークや純粋に捕食-被捕食ネットワークに対しても同様に成立する。
• 本研究で導出された安定性基準（式（8））により、観察された安定化効果が σ ∝ 1/√(CS) に起因するものであり、相互作用タイプの多様性とは無関係であることが確認された。
• 実際の生態ネットワークは再スケーリング仮定を支持していないことから、安定化効果は自然系の特徴ではなく、モデル設計上のアーティファクトであると示された。