[논문 리뷰] Exploring the coevolution of predator and prey morphology and behavior

Christoph Adami, Jason H. Moore외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 01.

Evolutionary Game Theory and Cooperation참고 문헌 32인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 에이전트 기반의 계산 모델을 사용하여 적의 혼란 효과가 사냥개체의 군집 행동과 적의 시각 시스템 진화 사이의 공진화 순환을 이끄는 것을 입증한다. 이는 사냥개체를 탐지하고 따라잡는 데 갈등하는 요구 조건들이 적의 복잡한 전방 시력 시스템의 진화를 유도하며, 하이브리드 시각 시스템이 공진화 순환을 닫을 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

A common idiom in biology education states, Eyes in the front, the animal hunts. Eyes on the side, the animal hides. In this paper, we explore one possible explanation for why predators tend to have forward-facing, high-acuity visual sys- tems. We do so using an agent-based computational model of evolution, where predators and prey interact and adapt their behavior and morphology to one another over successive generations of evolution. In this model, we observe a coevolutionary cycle between prey swarming behavior and the predators visual system, where the predator and prey continually adapt their visual system and behavior, respectively, over evolutionary time in reaction to one another due to the well-known predator confusion effect. Furthermore, we provide evidence that the predator visual system is what drives this coevolutionary cycle, and suggest that the cycle could be closed if the predator evolves a hybrid visual system capable of narrow, high-acuity vision for tracking prey as well as broad, coarse vision for prey discovery. Thus, the conflicting demands imposed on a predators visual system by the predator confusion effect could have led to the evolution of complex eyes in many predators.

연구 동기 및 목표

• 사냥개체의 전방 시력과 고해상도 시력의 진화적 원인을 조사하기 위해.
• 적의 혼란 효과가 사냥개체의 시각 시스템과 피사육의 방어 행동 사이의 공진화에 어떻게 영향을 미치는지 탐구하기 위해.
• 하이브리드 시각 시스템이 사냥개체의 시력에 대한 갈등하는 요구 조건을 해결하고 공진화 순환을 닫을 수 있는지 판단하기 위해.
• 진화적 시간에 걸쳐 사냥개체의 형태와 피사육 행동 사이의 동적 피드백 순환을 모델링하기 위해.

제안 방법

• 에이전트 기반의 계산 모델이 다수의 세대에 걸쳐 사냥개체와 피사육 간의 진화적 역학을 시뮬레이션한다.
• 사냥개체는 해상도와 시야 각도가 다양하게 진화하는 시각 시스템을 가지며, 피사육은 탐지 및 추적 성공률을 낮추기 위해 군집 행동을 진화시킨다.
• 모델은 고밀도의 피사육이 인지적 간섭으로 인해 사냥 효율이 떨어지는 적의 혼란 효과를 포함한다.
• 진화적 선택은 사냥 성공률에 기반하며, 적합도는 성공적인 사냥과 생존율에 의해 결정된다.
• 시각 시스템 특성은 해상도와 시야 너비를 나타내는 조절 가능한 파라미터로 모델링되어 감각 설계의 상충관계를 시뮬레이션한다.
• 모델은 하이브리드 시각 시스템(좁은 고해상도 시력과 넓은 저해상도 시력의 조합)이 공진화 순환을 안정화시킬 수 있다는 가설을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적의 혼란 효과는 사냥개체의 시력과 피사육의 군집 행동 사이의 공진화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 사냥개체의 시각 시스템은 사냥개체와 피사육 간의 공진화 순환을 이끄는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 하이브리드 시각 시스템은 사냥개체의 시력에 대한 갈등하는 요구 조건을 해결하고 공진화 순환을 닫을 수 있는가?
• RQ4 많은 사냥개체가 복잡한 형태의 전방 시력 시스템을 진화시키지만 그 비용이 있음에도 불구하고, 왜 그러한 진화가 일어나는가?

주요 결과

• 적의 혼란 효과는 피사육의 군집 행동과 사냥개체의 시각 시스템 진화 사이에 지속적인 공진화 순환을 이끈다.
• 높은 해상도의 전방 시력 시스템을 가진 사냥개체는 혼란 효과에도 불구하고 군집 내 개별 피사육을 따라잡을 수 있기 때문에 유리하다.
• 원거리에서 피사육을 탐지하는 것과 개별적으로 따라잡는 것 사이의 갈등은 복잡한 시각 시스템의 진화를 유도하는 선택 압력을 만든다.
• 모델는 사냥개체의 전방 시력 시스템의 진화가 적의 혼란 효과에 대응하기 위한 직접적 적응일 수 있음을 시사한다.
• 넓은 탐지 기능과 좁은 추적 기능을 모두 갖춘 하이브리드 시각 시스템은 공진화 순환을 닫아 공진화 경쟁의 안정성을 높일 수 있다.
• 결과는 적의 혼란 효과가 사냥개체의 복잡한 눈 구조의 진화를 이끄는 핵심적인 진화적 원동력이라는 가설을 지지한다.