[論文レビュー] Persistence of complex food webs in metacommunities

Gesa A. Böhme, Thilo Groß|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2012

Plant and animal studies参考文献 16被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、局所的なパッチが単純な捕食連に限定されるが、景観規模の結合性により雑食性と共存が可能となるメタコミュニティにおける、複雑な食物網の持続的条件を計算する一般化された解析的枠組みを開発する。主な発見は、雑食性が低いか同じ栄養段階の被捕食者を捕食する場合に最も持続的であり、持続的範囲はパッチネットワークの結合性と相互作用ネットワーク構造によって決定されることである。

ABSTRACT

Metacommunity theory is considered a promising approach for explaining species diversity and food web complexity. Recently Pillai et al. proposed a simple modeling framework for the dynamics of food webs at the metacommunity level. Here, we employ this framework to compute general conditions for the persistence of complex food webs in metacommunities. The persistence conditions found depend on the connectivity of the resource patches and the structure of the assembled food web, thus linking the underlying spatial patch-network and the species interaction network. We find that the persistence of omnivores is more likely when it is feeding on (a) prey on low trophic levels, and (b) prey on similar trophic levels.

研究の動機と目的

• 局所的な食物連が単純であるにもかかわらず、複雑な食物網がメタコミュニティで持続する一般的な条件を特定すること。
• 空間的ネットワーク構造（地理的ネットワーク）と種の相互作用ネットワークが、食物網の持続的条件にどのように影響するかを調査すること。
• 雑食性がパッチネットワーク全体における複雑な食物網の安定化に果たす役割を特定すること。
• 任意の食物網構成のメタコミュニティにおける持続的範囲を計算するスケーラブルな数学的形式を構築すること。

提案手法

• 各パッチが種によって占領されているか否かの2値状態モデルを用い、局所的絶滅と拡散がダイナミクスを支配する。
• 絶滅率を栄養段階に基づく累積和としてモデル化し、高い栄養段階の種はその捕食者が絶滅した際に絶滅する。
• 適切なパッチが到達可能で、強い競争相手に占領されておらず、かつ餌が存在する必要がある拡散ルールを適用する。
• 焦点となる雑食性が存在しない状況でのパッチダイナミクスを記述するための遷移行列形式（S*）を導入する。
• 雑食性が存在する場合のパッチ利用可能性を考慮するために、修正された行列減算を用いて遷移行列（Sx）を適応させる。
• 導出された行列（M̂ と M̂）の固有値解析を用いて、最大固有値に基づいて持続的閾値を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所的なパッチが単純な捕食連しか支持しない場合、雑食性はどのような条件下でメタコミュニティで持続可能となるか？
• RQ2 雑食性の餌となる種の栄養段階の差が、共存範囲の大きさと位置にどのように影響するか？
• RQ3 地理的ネットワークの結合性（平均次数⟨k⟩）は、雑食性および専門的捕食者の持続的条件にどのように影響するか？
• RQ4 相互作用ネットワークの構造とメタコミュニティスケールでの複雑な食物網の安定性の間にはどのような関係があるか？

主な発見

• 低栄養段階（例：栄養段階1と3）の被捕食者を捕食する雑食性は、離れた段階のものに比べてより広い共存範囲を示す。
• 非隣接栄養段階の種を捕食する雑食性の持続的範囲は、隣接する段階のものよりも小さく、拡散率zの低い値にシフトしている。
• 栄養段階4の捕食連において、栄養段階1と3のものに雑食性が及ぶ場合、解析的共存範囲は2/(13+√97) < z < 1/(5+√13) であり、シミュレーション結果と一致する。
• 行列M̂ = s₂ · (−s₁⁻¹)の最大固有値が上側持続的閾値を決定し、M̂が下側閾値を決定する。
• シミュレーション結果は、解析的閾値がメタコミュニティにおける種の出現・消滅を正確に予測できることを確認している。
• 本手法は、非隣接雑食性を持つ4栄養段階捕食連の例で示されるように、メタコミュニティにおける最大食物網の出現を成功裏に予測している。