[논문 리뷰] Nested interaction networks represent a missing link in the study of behavioural and community ecology

Pierre‐Olivier Montiglio, Kiyoko M. Gotanda외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 03.

Plant and animal studies참고 문헌 56인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 생물학적 계층에서 노드(예: 유전자, 개체, 종)가 상호 내재되어 있고 상호작용이 수준을 넘어서 연결되는 구조를 모델링함으로써 행동생태학과 사회생태학을 통합하는 통합적 프레임워크로 내재된 상호작용 네트워크를 제안한다. 이는 간접적 영향력과 수준 간 영향력 전파를 가능하게 하며, 진화적, 생태적, 행동적 척도에서의 다학문적 연구를 위한 개념적 기반을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 유전자에서 생태계에 이르기까지 생물학적 조직의 계층적 수준 간 상호작용 통합의 격차를 메우기 위해.
• 노드가 다른 노드에 내재되어 있고 간선이 수준을 연결하는 내재된 네트워크 개념을 체계화하기 위해.
• 한 수준의 네트워크 구조가 다른 수준으로의 간접 연결과 영향력 전파를 어떻게 유도하는지 보여주기 위해.
• 공통의 개념적 프레임워크를 제공함으로써 통합적이고 다학문적인 연구를 장려하기 위해.
• 내재된 네트워크를 복잡한 생물학적 시스템을 이해하는 데 있어 빠진 연결고리로 위치시키기 위해.

제안 방법

• 노드가 다른 노드에 포함되거나 내재되어 계층적 레이어를 형성하는 시스템으로 내재된 네트워크를 정의하기 위해.
• 다른 수준 간에 내재된 노드의 집합을 연결하는 간선을 통해 상호작용을 모델링함으로써 수준 간 연결성을 가능하게 하기 위해.
• 네트워크 구조를 통해 하위 수준의 상호작용에서 유도된 영향력이 더 높거나 더 낮은 수준으로 전파되는 방식을 체계화하기 위해.
• 유전적 회로, 천적-피식자 웹 등 기존의 실증적 및 이론적 사례를 사용하여 내재된 네트워크 역학을 설명하기 위해.
• 생물학적 계층에 네트워크 이론을 적용하여 내재성이 시스템 수준의 성질에 어떻게 영향을 미치는지 분석하기 위해.
• 유전체학, 행동, 집단, 사회생태학의 개념을 통합함으로써 다학문적 연구를 위한 기반을 제안하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 더 높거나 더 낮은 수준에서의 상호작용 구조적 조직이 생물학적 단위 간의 간접적 연결을 어떻게 생성하는가?
• RQ2 내재된 네트워크 구조를 통해 한 계층 수준의 상호작용에서 유도된 영향력이 다른 수준으로 어떻게 전파되는가?
• RQ3 내재성이 생물학적 시스템의 안정성, 역학, 진화에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 내재된 상호작용 네트워크가 다양한 생물학적 분야를 통합하는 데 어떻게 기여할 수 있는가?
• RQ5 자연계의 어떤 메커니즘이나 구조가 내재된 네트워크 조직을 반영하거나 의존하는가?

주요 결과

• 내재된 상호작용 네트워크는 노드가 다른 노드에 내재되어 있어 생물학적 시스템의 계층적 조직을 가능하게 하는 체계적 구조를 제공한다.
• 내재된 노드를 연결하는 간선은 수준 간 연결성을 가능하게 하며, 개별 수준에서 명백하지 않은 간접적 상호작용을 생성한다.
• 내재된 네트워크의 구조는 유전적 상호작용에서 사회생태계 수준의 역학에 이르기까지 수준 간 영향력 전파를 촉진한다.
• 이 프레임워크는 한 수준에서 고립된 것으로 보이는 상호작용이 네트워크 구조를 통해 다른 수준의 결과에 영향을 줄 수 있음을 설명한다.
• 이 접근법은 행동생태학, 사회생태학, 진화생물학 간 연구 통합을 위한 공통의 개념적 기반을 제공한다.
• 유전적 회로와 천적-피식자 상호작용에서의 실증 사례는 내재된 네트워크 구조의 광범위한 존재와 유용성을 보여준다.