[論文レビュー] Exploring the coevolution of predator and prey morphology and behavior

Christoph Adami, Jason H. Moore+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2016

Evolutionary Game Theory and Cooperation参考文献 32被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、エージェントベースの計算モデルを用いて、捕食者の混乱効果が被捕食者群れ行動と捕食者の視覚系進化の共進化サイクルを駆動することを示している。検出と追跡という相反する要求が、捕食者に複雑で前方を向いた眼の進化を促すことが示され、ハイブリッド視覚系は共進化のループを閉じる可能性を示している。

ABSTRACT

A common idiom in biology education states, Eyes in the front, the animal hunts. Eyes on the side, the animal hides. In this paper, we explore one possible explanation for why predators tend to have forward-facing, high-acuity visual sys- tems. We do so using an agent-based computational model of evolution, where predators and prey interact and adapt their behavior and morphology to one another over successive generations of evolution. In this model, we observe a coevolutionary cycle between prey swarming behavior and the predators visual system, where the predator and prey continually adapt their visual system and behavior, respectively, over evolutionary time in reaction to one another due to the well-known predator confusion effect. Furthermore, we provide evidence that the predator visual system is what drives this coevolutionary cycle, and suggest that the cycle could be closed if the predator evolves a hybrid visual system capable of narrow, high-acuity vision for tracking prey as well as broad, coarse vision for prey discovery. Thus, the conflicting demands imposed on a predators visual system by the predator confusion effect could have led to the evolution of complex eyes in many predators.

研究の動機と目的

• 捕食者に前向きで高分解能の眼が進化する背後にある進化的要因を調査すること。
• 捕食者の混乱効果が捕食者の視覚系と被捕食者の反捕食行動の共進化にどのように影響するかを調査すること。
• ハイブリッド視覚系が捕食者視覚にかかる相反する要求を解消でき、共進化のループを閉じられるかどうかを特定すること。
• 進化的時間軸における捕食者形態と被捕食者行動の動的フィードバックループをモデル化すること。

提案手法

• エージェントベースの計算モデルが、複数世代にわたる捕食者と被捕食者の進化的ダイナミクスを模擬する。
• 捕食者は分解能と視野の異なる視覚系を進化させ、被捕食者は検出されにくさと追跡成功率の低下を防ぐために群れ行動を進化させる。
• モデルには、捕食者密度が高いと知覚的干渉により捕食効率が低下する捕食者の混乱効果が組み込まれている。
• 進化的選択は捕食成功に基づき、適応度は成功した狩猟数と生存率によって決定される。
• 視覚系の特徴は、分解能と視野幅を表す調整可能なパラメータとしてモデル化され、感覚設計におけるトレードオフを模擬する。
• モデルは、狭く高分解能の視覚と広く粗い視覚を併せ持つハイブリッド視覚系が、共進化サイクルを安定化させられることを仮説として検証している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 捕食者の混乱効果は、捕食者の視覚と被捕食者の群れ行動の共進化をどのように形作るか？
• RQ2 捕食者の視覚系は、捕食者と被捕食者の共進化サイクルを駆動する役割を果たすか？
• RQ3 ハイブリッド視覚系は、捕食者視覚にかかる相反する要求を解消でき、共進化のループを閉じられるか？
• RQ4 多くの捕食者が、その複雑な形態のコストを負いながらも、なぜ前向きで高分解能の眼を進化させるのか？

主な発見

• 捕食者の混乱効果は、被捕食者の群れ行動と捕食者の視覚系進化の間で持続的な共進化サイクルを駆動する。
• 捕食者が高分解能で前向きを向いた視覚を持つことが好まれる。これは、混乱効果がある中でも群れ内の個体を追跡できるからである。
• 遠くから被捕食者を検出することと、個体を個別に追跡することという相反する要求が、複雑な視覚系の進化を促す選択的圧力を生み出す。
• モデルは、捕食者の前向きで高分解能の眼の進化が、捕食者の混乱効果に対抗する直接的な適応である可能性を示唆している。
• 広範囲の検出と狭い範囲の追跡の両方を可能にするハイブリッド視覚系は、共進化サイクルを閉じ、進化のレースを安定化させられる。
• 結果は、捕食者の混乱効果が捕食者の複雑な眼の形態の進化を促す主要因であるという仮説を支持している。