[論文レビュー] Nested interaction networks represent a missing link in the study of behavioural and community ecology

Pierre‐Olivier Montiglio, Kiyoko M. Gotanda+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2018

Plant and animal studies参考文献 56被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ノード（例：遺伝子、個体、種）が互いに埋め込まれており、相互作用がレベルを越えて存在する階層的生物学的システムをモデル化することで、行動生態学とコミュニティ生態学を統合する包括的枠組みとしてネスト型相互作用ネットワークを導入する。ネスト構造が間接的効果やレベル間の影響伝播を可能にすることを示し、進化的・生態的・行動的スケールを越えた統合的研究の概念的基盤を提供する。

ABSTRACT

Interactions are ubiquitous across biological systems. These interactions can be abstracted as patterns of connections among distinct units such as genes, proteins, individual organisms, or species which form a hierarchy of biological organisation. Connections in this hierarchy are arranged in a nested structure: gene and protein networks shape phenotypic traits and together constitute individuals, individuals are embedded within populations, populations within communities, and communities within ecosystems. This pervasive "nestedness" of networks can result in propagation of the effects from within-level interactions at one level to units at higher or lower levels of organization. The concept of nested biological networks is implicit in a variety of disciplines ranging from the study of genetic circuits regulating phenotypic trait expression (Babu et al. 2004), to the study of predator-prey interactions influencing community composition (Poisot et al. 2016). However, studies typically only address interactions within and among directly neighbouring hierarchical levels, such as genotypes and phenotypic traits, or populations and communities. Here, we formalise nested networks as having nodes that can contain, or be embedded in, other nodes, and where edges can bridge connections between sets of embedded nodes. We then argue that explicitly accounting for network nestedness across levels of organization will encourage integrative thinking on new interdisciplinary research fronts. We focus on two phenomena in particular: (i) indirect connections among units can arise from the structure of connections at higher or lower levels of organisation, (ii) the propagation of effects across neighbouring hierarchical levels of organization. This framework of nested interaction networks provides a tool for researchers across disciplines to conceptualize their work as elements on a common scaffold.

研究の動機と目的

• 遺伝子からエコシステムに至る生物学的組織の階層的レベルを越えた相互作用統合の欠落を埋めるため。
• ノードが他のノードに埋め込まれており、エッジがレベルを越えて接続するネスト型ネットワークの概念を形式化するため。
• あるレベルでのネットワーク構造が、他のレベルに間接的な接続を生み出し、影響を伝播させることを示すため。
• 共通の概念的枠組みを提供することで、統合的・多様な分野の研究を促進するため。
• 複雑な生物学的システムを理解するうえで欠けているリンクとしてネスト型ネットワークを位置づけるため。

提案手法

• ノードが他のノードに埋め込まれており、階層的なレイヤーを形成するシステムとしてネスト型ネットワークを定義する。
• 埋め込まれたノードの集合を接続するエッジを通じて、レベルを越えた接続性を実現する。
• ネットワーク構造を介して、低レベルの相互作用から高レベルまたは低レベルへの影響の伝播を形式化する。
• 既存の実証的および理論的例（例：遺伝子回路、捕食者-被捕食者ウェブ）を用いて、ネスト型ネットワークのダイナミクスを説明する。
• ネットワーク理論を生物学的階層に適用し、ネスト構造がシステムレベルの特性に与える影響を分析する。
• ゲノム、行動、集団、コミュニティ生態学の概念を統合する枠組みを提供することで、多様分野研究の基盤を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高いまたは低いレベルでの相互作用の構造的組織が、生物学的ユニット間の間接的接続をどのように生じさせるか。
• RQ2 ネスト型ネットワーク構造を通じて、ある階層的レベルでの相互作用の影響が他のレベルにどのように伝播するか。
• RQ3 ネスト構造が生物学的システムの安定性、ダイナミクス、進化に及ぼす影響は何か。
• RQ4 ネスト型相互作用ネットワークが、多様な生物学的分野を統合する枠組みとしてどのように機能するか。
• RQ5 自然システムに見られるどのメカニズムが、ネスト型ネットワーク組織に反映されたり依存しているか。

主な発見

• ネスト型相互作用ネットワークは、ノードが他のノードに埋め込まれており、生物学的システムの階層的組織を可能にする形式的構造を提供する。
• 埋め込まれたノードを接続するエッジにより、レベルを越えた接続が可能となり、個々のレベルでは顕在しない間接的相互作用が生じる。
• ネスト型ネットワークの構造が、遺伝子相互作用からコミュニティレベルのダイナミクスに至るまで、階層的レベルを越えた影響の伝播を促進する。
• この枠組みにより、あるレベルで見られる孤立した相互作用が、ネットワークトポロジーを通じて他のレベルの結果に影響を与える仕組みが説明できる。
• 行動生態学、コミュニティ生態学、進化生物学の研究統合に共通の概念的基盤を提供する。
• 遺伝子回路や捕食者-被捕食者相互作用からの実証的例は、ネスト型ネットワーク構造の普遍性と実用性を示している。