[論文レビュー] The general theory of species abundance distributions

Michael G. Bowler, Colleen K. Kelly|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2010

Plant and animal studies参考文献 25被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、統計力学を応用することで、種多様度分布（SAD）の主要理論を統一し、2つの根本的な生態学的原則である、群集サイズの有限上限と個体当たりの出生・死滅率を特定する。中立理論、マスター方程式アプローチ、およびニッチに基づくモデルを統合し、柔軟なニッチと多スケールの時間的変動がコミュニティ構造に重要であることを明らかにする。

ABSTRACT

A central issue in ecology today is that of the factors determining the relative abundance of species within a natural community. The proper application of the principles of statistical physics to the problem of species abundance distributions (SADs) has enabled us to identify the fundamental ecological principles responsible for the near universal features observed. These principles are (i) a limit on the number of individuals in an ecological guild and (ii) per capita birth and death rates. We thus unify the neutral theory of Hubbell [1], the master equation approach of Volkov et al [2, 3] and a recent attempt at deploying statistical mechanics to deal with this problem, the idiosyncratic [extreme niche] theory of Pueyo et al [4]; we have identified the true origin of the prior in [4]. We also find in our results clear indications that niches must be very flexible and that temporal fluctuations on all sorts of scales are of considerable importance in community structure.

研究の動機と目的

• 種多様度分布（SAD）に関する長年の矛盾を解消すること。
• 自然界で観察されるSADの近似的に普遍的な形状の背後にある根本的生態学的原則を特定すること。
• 中立理論、マスター方程式モデル、ニッチに基づく手法を、統一された統計力学フレームワークの下で統合すること。
• 時間的変動とニッチの柔軟性がコミュニティ構造に果たす役割を明確にすること。
• Pueyoらの個別的（極端なニッチ）理論における事前分布の真の起源を明らかにすること。

提案手法

• 種多様度分布（SAD）を統計集団としてモデル化するため、統計力学の原則を適用する。
• 生態群集に含まれる個体数に有限の上限を導入するという重要な制約を提示する。
• マスター方程式フレームワーク内で、個体当たりの出生および死滅率を確率的遷移率として組み込む。
• 全個体数およびエネルギー／資源の制限の制約の下で、最大エントロピー原理からSADを導出する。
• Hubbellの中立理論とVolkovらのマスター方程式アプローチを、統一された統計力学的定式化によって統合する。
• Pueyoらの個別的理論における事前分布が、同じ統計枠組みから自然に生じることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多様なエコシステムにおいて普遍的に観察される種多様度分布の形状を生み出す根本的生態学的原則は何か？
• RQ2 中立理論、マスター方程式モデル、ニッチに基づく理論を、一つの理論的枠組みで統合できるか？
• RQ3 Pueyoらの個別的（極端なニッチ）理論で用いられる事前分布の起源は何か？
• RQ4 複数の時間スケールにわたる時間的変動が、種多様度パターンにどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 生態群集の有限サイズが、種多様度分布にどのような制約をもたらすか？

主な発見

• 種多様度分布の近似的に普遍的な形状は、2つの核心的原則、すなわち群集サイズの有限上限と個体当たりの出生・死滅率に起因する。
• 本モデルは、中立理論、Volkov らのマスター方程式アプローチ、Pueyo らの個別的理論を、同じ統計力学的基盤から生じることを示すことで、これらを成功裏に統合した。
• Pueyo らの個別的理論における事前分布は恣意的ではなく、同じ制約の下で最大エントロピー原理から自然に生じる。
• 結果から、ニッチは非常に柔軟でなければならないことが示唆され、剛性のあるニッチ差異化では観察されるSADパターンを説明できない。
• 複数の時間スケールにわたる時間的変動が、コミュニティ構造および多様度分布の形成に顕著で無視できない役割を果たすことが示された。
• 本フレームワークは、実証データと整合的であり、かつ以前は別個の理論的アプローチであったものを統合する定量的・予測可能なSADモデルを提供する。