[論文レビュー] Large-scale evolution and extinction in a hierarchically structured environment

Claus O. Wilke, Stephan Altmeyer+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 1998

Evolution and Genetic Dynamics被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、階層的構造を持つ環境において、すべてのスケール（個体種からグローバルレベルまで）にわたる環境変化が発生するが、フィードバックがない大規模な進化および大量絶滅の確率的モデルを提案する。このモデルは、スケールフリーなランダムな環境的撹乱が、絶滅のパルスや長期的な多様性の傾向といった主要なマクロ進化的パターンを再現できることを示し、マクロ進化的ダイナミクスにおける生物的共進化と非生物的要因の両方を統合的に研究するための包括的フレームワークを提供する。

ABSTRACT

A class of models for large-scale evolution and mass extinctions is presented. These models incorporate environmental changes on all scales, from influences on a single species to global effects. This is a step towards a unified picture of mass extinctions, which enables one to study coevolutionary effects and external abiotic influences with the same means. The generic features of such models are studied in a simple version, in which all environmental changes are generated at random and without feedback from other parts of the system.

研究の動機と目的

• マクロ進化に及ぼす生物的共進化と非生物的環境要因の両方を捉える包括的モデリングフレームワークの構築を目的とする。
• 複数の空間的・時間的スケールにわたる環境変化が、種の生存および絶滅に与える影響を調査することを目的とする。
• ランダムでスケール不変な環境的撹乱が、大量絶滅などの観察されたマクロ進化的パターンを再現できるかどうかを検討することを目的とする。
• 生物系が環境にフィードバックしない状況下での大規模進化的ダイナミクスの一般的な特徴を分析することを目的とする。
• 階層的システムにおける完全に確率的な環境的駆動要因下での絶滅ダイナミクスを研究するためのベースラインモデルを提供することを目的とする。

提案手法

• モデルは階層的環境構造を採用し、局所的からグローバルスケールまで、複数のスケールにわたる環境変化を組み込む。
• 環境撹乱は各スケールでランダムかつ独立に生成され、種のダイナミクスからのフィードバックは存在しない。
• 種は、すべてのスケールにおける環境変化の累積的効果に依存する適応度を持つ実体として表現される。
• 進化はランダムな突然変異と選択のシミュレーションにより再現され、適応度が閾値未満に下がると絶滅が発生する。
• 系統的多様性、絶滅率、種の入れ替えの時間的パターンといった統計的指標を用いて、システムのダイナミクスを分析する。
• 環境の階層構造とランダム性がマクロ進化的結果に与える影響を隔離するために、簡略化されたバージョンでモデルを実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数のスケールにわたる環境変化が、大規模な進化的ダイナミクスおよび絶滅パターンにどのように影響を与えるか？
• RQ2 ランダムでスケール不変な環境撹乱が、大量絶滅や多様性の変動といった観察されたマクロ進化的傾向を再現できるか？
• RQ3 環境の階層構造が、絶滅イベントの時間的構造に果たす役割は何か？
• RQ4 生物的フィードバックの欠如とマルチスケール環境ノイズの存在が、長期的な種の生存に与える影響は何か？
• RQ5 完全に確率的な環境モデルが、実際の化石記録データの統計的特徴をどの程度説明できるか？

主な発見

• 生物的フィードバックが存在しない状況下でも、化石記録で観察されるような絶滅パルスや長期的な多様性傾向をモデルが再現する。
• 局所的、中間的、グローバルスケールの環境変化が、すべて集団的にマクロ進化的ダイナミクスを規定しており、特にグローバルスケールの撹乱が絶滅リスクに最も顕著な影響を及ぼす。
• 絶滅イベントの分布がパワー則に類似した分布を示し、微調整されたパrameterが不要な状況下でも自己組織的臨界性が生じている可能性を示唆する。
• 複数スケールにわたるランダムな環境的駆動が、ポisson分布でない絶滅統計をもたらし、絶滅の時間的クラスタリングを示している。
• モデルの単純さのおかげで解析的扱いが可能であり、階層的環境構造そのものが複雑な進化的ダイナミクスを生み出せることを明らかにした。
• 種が環境にフィードバックしない状況下でも、現実的なマクロ進化的パターンが出現することから、非生物的要因そのものが大規模な進化的傾向を駆動できる可能性を支持する。