[논문 리뷰] Reconciling cooperation, biodiversity and stability in complex ecological communities

Chengyi Tu, Samir Suweis외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 08.

Plant and animal studies참고 문헌 49인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 기생적 상호작용과 협력적(교차영양) 상호작용을 모두 포함하는 확률적 인구역학 모델을 제안하며, 종의 다양성이 증가할수록 안정성이 향상됨을 보여줌으로써 복잡성-안정성 역설을 정확히 해결한다. 기존의 라플라스-볼타 모델과 달리, 이 프레임워크는 다양한 상호작용 네트워크에서 임의의 수의 종에 대해 전역 안정성과 공존을 보여주며, 특히 상호주의적 또는 공생적 시스템에서 특히 그렇다.

ABSTRACT

Empirical observations show that ecological communities can have a huge number of coexisting species, also with few or limited number of resources. These ecosystems are characterized by multiple type of interactions, in particular displaying cooperative behaviors. However, standard modeling of population dynamics based on Lotka-Volterra type of equations predicts that ecosystem stability should decrease as the number of species in the community increases and that cooperative systems are less stable than communities with only competitive and/or exploitative interactions. Here we propose a stochastic model of population dynamics, which includes exploitative interactions as well as cooperative interactions induced by cross-feeding. The model is exactly solved and we obtain results for relevant macro-ecological patterns, such as species abundance distributions and correlation functions. In the large system size limit, any number of species can coexist for a very general class of interaction networks and stability increases as the number of species grows. For pure mutualistic/commensalistic interactions we determine the topological properties of the network that guarantee species coexistence. We also show that the stationary state is globally stable and that inferring species interactions through species abundance correlation analysis may be misleading. Our theoretical approach thus show that appropriate models of cooperation naturally leads to a solution of the long-standing question about complexity-stability paradox and on how highly biodiverse communities can coexist.

연구 동기 및 목표

• 높은 종 다양성을 가진 생태계 공동체에서 오랫동안 남아있는 복잡성-안정성 역설을 해결하기 위해.
• 교차영양과 같은 협력적 상호작용이 공동체의 안정성과 공존에 어떤 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 상호주의적 또는 공생적 네트워크가 안정적 공존을 지원하는 데 필요한 위상적 조건을 규명하기 위해.
• 종의 상호작용을 추론하기 위해 상대도 분석의 신뢰성에 도전하기 위해.
• 종의 풍부도 분포와 상관 함수와 같은 거시생태학적 패턴을 포괄하는 해석 가능한 모델을 개발하기 위해.

제안 방법

• 기생적 상호작용과 협력적(교차영양) 상호작용을 명시적으로 포함하는 확률적 인구역학 모델을 수립하기 위해.
• 대규모 시스템 근사에서 정확한 해석적 해를 사용하여 종의 풍부도 분포와 상관 함수와 같은 거시생태학적 패턴을 유도하기 위해.
• 네트워크 이론적 분석을 통해 공존과 안정성을 보장하는 상호작용 네트워크의 위상적 특징을 규명하기 위해.
• 모델의 불변 측도에 대한 수학적 분석을 통해 정적 상태의 전역 안정성을 입증하기 위해.
• 모델의 예측을 표준 상관 기반 추론 방법과 비교하여 생태학적 데이터 분석에서의 오해 가능성 노출하기 위해.
• 순수 상호주의적 및 공생적 시스템을 포함한 일반적인 상호작용 네트워크로 프레임워크를 확장하여 다양한 공동체 구조에서의 안정성 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제한된 자원을 가진 고종 다양성 생태계 공동체에서 협력적 상호작용이 존재할 경우 안정적 공존이 달성될 수 있는가?
• RQ2 교차영양 상호작용이 포함될 경우 순수 경쟁적 또는 기생적 모델과 비교해 복잡한 생태계 공동체의 안정성은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 상호주의적 또는 공생적 시스템에서 안정적 공존을 위한 상호작용 네트워크의 위상적 특성은 무엇이며, 이것이 필수적이고 충분한 조건인가?
• RQ4 왜 종의 풍부도 상관 분석은 협력적 공동체에서 종 상호작용을 잘못 추론하게 할 수 있는가?
• RQ5 협력적 생태계 시스템의 정적 상태는 초기 조건과 네트워크 구조에 관계없이 항상 전역적으로 안정적인가?

주요 결과

• 모델은 종의 다양성이 증가할수록 안정성이 향상됨을 보여주며, 이는 기존 라플라스-볼타 모델의 예측와 정반대이다.
• 매우 일반적인 상호작용 네트워크 클래스에서, 대규모 시스템 근사에서 임의의 수의 종이 안정적으로 공존할 수 있다.
• 순수 상호주의적 또는 공생적 네트워크의 경우, 균형 잡힌 상호작용 구조와 같은 특정 위상적 특성이 공존과 전역 안정성을 보장한다.
• 시스템의 정적 상태는 전역적으로 안정적이며, 초기 조건과 관계없이 모든 궤적이 동일한 평형점으로 수렴한다.
• 종의 풍부도 상관 분석은 협력적 시스템에서 상호작용 네트워크의 본질을 신뢰성 있게 반영하지 못하므로, 연구자들이 잘못된 상호작용 유형을 유추하게 할 수 있다.
• 모델은 종의 풍부도 분포와 상관 함수와 같은 주요 거시생태학적 패턴을 성공적으로 재현하여 생태학적 타당성을 입증한다.