[논문 리뷰] The general theory of species abundance distributions

Michael G. Bowler, Colleen K. Kelly|arXiv (Cornell University)|2010. 02. 26.

Plant and animal studies참고 문헌 25인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 통계역학을 적용하여 종 다양성 분포(SADs)의 주요 이론들을 통합함으로써, 군집 크기의 유한한 한계와 개체당 출생/사망률이라는 두 가지 기본 생태학적 원리를 규명한다. 중립 이론, 마스터 방정식 접근법, 그리고 나이치 기반 모델을 통합하며, 탄력성 있는 나이치와 다중 척도의 시간적 변동성이 공동체 구조에 핵심적임을 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 이론들 간의 오랫동안 지속된 모순을 해결하기 위해 종 다양성 분포(SADs) 이론 간의 모순을 해결한다.
• 자연에서 관찰되는 SADs의 거의 보편적인 형태를 뒷받침하는 기본 생태학적 원리를 규명한다.
• 중립 이론, 마스터 방정식 모델, 나이치 기반 접근법을 하나의 통계역학 프레임워크 아래 통합한다.
• 시간적 변동성과 나이치의 탄력성이 공동체 구조에 미치는 영향을 명확히 한다.
• Pueyo 등이 제시한 이질적(극단적 나이치) 이론에서의 사전 분포의 진정한 기원을 드러낸다.

제안 방법

• 종 다양성 분포(SADs)를 통계집합으로 모델링하기 위해 통계역학 원리를 적용한다.
• 생태학적 군집 내 개체 수에 대한 유한한 상한을 핵심 제약 조건으로 도입한다.
• 마스터 방정식 프레임워크 내에서 개체당 출생 및 사망률을 확률적 전이율로 통합한다.
• 총 개체수와 에너지/자원 제약 조건을 충족하는 최대 엔트로피 원리로부터 SAD를 유도한다.
• Hubbell의 중립 이론과 Volkov 등이 제시한 마스터 방정식 접근법을 통일된 통계역학 공식화를 통해 조율한다.
• Pueyo 등의 이질적 이론에서 사용된 사전 분포가 동일한 통계역학 프레임워크에서 자연스럽게 유도됨을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 생태계에서 관찰되는 종 다양성 분포의 보편적 형태를 생성하는 기본 생태학적 원리는 무엇인가?
• RQ2 중립 이론, 마스터 방정식 모델, 나이치 기반 이론들이 하나의 이론적 프레임워크 아래 어떻게 통합될 수 있는가?
• RQ3 Pueyo 등의 이질적(극단적 나이치) 이론에서 사용된 사전 분포의 기원은 무엇인가?
• RQ4 다양한 시간 척도에서의 시간적 변동성이 종 다양성 패턴에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 생태학적 군집의 유한한 크기가 종 다양성 분포에 어떤 제약을 가하는가?

주요 결과

• 종 다양성 분포의 거의 보편적인 형태는 군집 크기의 유한한 한계와 개체당 출생/사망률이라는 두 가지 핵심 원리에서 기인한다.
• 모델은 중립 이론, Volkov 등이 제시한 마스터 방정식 접근법, Pueyo 등의 이질적 이론을 모두 동일한 통계역학 기반에서 유도함으로써 성공적으로 통합한다.
• Pueyo 등이 제시한 이질적 이론의 사전 분포는 임의적이지 않으며, 동일한 제약 조건 하에서 최대 엔트로피 원리로부터 자연스럽게 유도된다.
• 결과는 나이치가 매우 탄력적이어야 하며, 경직된 나이치 분화는 관찰된 SAD 패턴을 설명할 수 없다는 것을 시사한다.
• 다양한 시간 척도에서의 시간적 변동성이 공동체 구조와 다양성 분포 형성에 중요한 역할을 함을 입증한다.
• 이 프레임워크는 경험적 데이터와 일치하며 이전에 분리되어 있던 이론적 접근들을 통합하는 정량적이고 예측 가능한 SAD 모델을 제공한다.