[論文レビュー] Modelling Food Webs

Barbara Drossel, Alan J. McKane|ArXiv.org|Feb 17, 2002

Plant and animal studies参考文献 85被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、食物連鎖の理論的モデルをレビューし、静的、動的、種のアセンブリ／進化的モデルの3つに分類する。進化的およびアセンブリモデルは、段階的な種の侵入または種分化を模擬することで、ランダムまたは静的モデルが人口動態の下でしばしば崩壊するのとは異なり、大規模で安定した食物連鎖を生成することを示している。

ABSTRACT

We review theoretical approaches to the understanding of food webs. After an overview of the available food web data, we discuss three different classes of models. The first class comprise static models, which assign links between species according to some simple rule. The second class are dynamical models, which include the population dynamics of several interacting species. We focus on the question of the stability of such webs. The third class are species assembly models and evolutionary models, which build webs starting from a few species by adding new species through a process of "invasion" (assembly models) or "speciation" (evolutionary models). Evolutionary models are found to be capable of building large stable webs.

研究の動機と目的

• 食物連鎖の構造と安定性をモデル化する理論的アプローチを統合すること。
• 初期のランダムまたは静的モデルが現実の食物連鎖のダイナミクスを捉えられていないという限界を扱うこと。
• 理論的予測では不安定であるはずなのに、自然界では大規模で複雑な食物連鎖がなぜ安定しているのかを解明すること。
• 食物連鎖モデリングにおけるより現実的な人口動態と進化的メカニズムの導入を提唱すること。
• 系統的なデータ収集の重要性と機能的応答のモデル安定性における役割を強調すること。

提案手法

• 食物連鎖モデルを3つのカテゴリに分類する：静的、動的、種のアセンブリ／進化的モデル。
• 静的モデルを用いて、人口動態を伴わない単純なルールに基づき捕食者・被捕食者関係を割り当てる。
• 動的モデルを用い、人口方程式（例：ロトカ＝ヴォルテラ）を適用して、種間相互作用下での食物連鎖の安定性を評価する。
• 進化的およびアセンブリモデルを実装し、初期の小さな食物連鎖から始めて、種の侵入または種分化によって食物連鎖を構築する。
• 簡略化されたロトカ＝ヴォルテラ方程式に頼らず、現実的な機能的応答を人口動態に組み込む。
• 競争、資源制限、エネルギー移動効率が食物連鎖の構造と安定性にどのように影響するかを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高次の複雑さと接続性を示す現実の食物連鎖は、なぜ理論的予測とは異なり安定しているのか？
• RQ2 進化的およびアセンブリプロセスは、ランダムモデルと比較して食物連鎖の安定性と構造にどのように影響するのか？
• RQ3 現実的な機能的応答は、食物連鎖モデルの安定性と現実性をどの程度向上させるのか？
• RQ4 食物連鎖の典型的な形状（短い鎖、少ない基本的・頂点的種）を規定する構造的原則は何か？
• RQ5 競争とエネルギー変換効率は、食物連鎖の栄養段階構造にどのように影響するのか？

主な発見

• 進化的およびアセンブリモデルは、種の侵入または種分化による段階的積み重ねによって、大規模で安定した食物連鎖を成功裏に生成する。
• 現実的な構造を持つランダムに構築された食物連鎖は、一般に人口動態の下で不安定となり、崩壊する。
• 食物連鎖の形状は、特定の詳細ではなく、外部資源の制限、捕食者間の競争、非最適なエネルギー変換といった一般原則に起因する。
• 種の数は栄養段階が上昇するに従い一定の点まで増加するが、その後は高次のレベルでのバイオマス不足により減少し、短い食物連鎖が生じることを説明する。
• 捕食者間の競争と調整可能な捕食効率が、現実的なリンク密度と食物連鎖構造を生み出す主要因である。
• ロトカ＝ヴォルテラモデルに比べ、人口動態により現実的な機能的応答を組み込むことで、モデルの安定性が向上し、計算負荷も低減されることが期待される。