[論文レビュー] Ergodicity breaking and lack of a typical waiting time in area-restricted search of avian predators

Ohad Vilk, Yotam Orchan+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2021

Diffusion and Search Dynamics参考文献 3被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、捕食的鳥類が捕食パッチ内において、平均が発散するべき乗法則分布した待機時間を特徴とする、部分的拡산的でエルゴディック性を破る運動を示すことを明らかにした。これは、典型的な待機時間が存在しないことを示している。70頭の個体からの高分解能GPSデータと連続時間ランダムウォークモデルを用いて、局所的領域限定探索と大規模な移動の間で明確な相転移が生じることを示し、動物の運動におけるスケールフリーなスーパー拡산の仮定に疑問を呈する。

ABSTRACT

Movement tracks of wild animals frequently fit models of anomalous rather than simple diffusion, mostly reported as ergodic superdiffusive motion combining area-restricted search within a local patch and larger-scale commuting between patches, as highlighted by the Levy walk paradigm. Since Levy walks are scale invariant, superdiffusive motion is also expected within patches, yet investigation of such local movements has been precluded by the lack of accurate high-resolution data at this scale. Here, using rich high-resolution movement datasets ($>\! 7 imes 10^7$ localizations) from 70 individuals and continuous-time random walk modeling, we found subdiffusive behavior and ergodicity breaking in the localized movement of three species of avian predators. Small-scale, within-patch movement was qualitatively different, not inferrable and separated from large-scale inter-patch movement via a clear phase transition. Local search is characterized by long power-law-distributed waiting times with diverging mean, giving rise to ergodicity breaking in the form of considerable variability uniquely observed at this scale. This implies that wild animal movement is scale specific rather than scale free, with no typical waiting time at the local scale. Placing these findings in the context of the static-ambush to mobile-cruise foraging continuum, we verify predictions based on the hunting behavior of the study species and the constraints imposed by their prey.

研究の動機と目的

• 捕食的鳥類の局所的、パッチ内移動が、Lévyウォーク仮説が予測するスケールフリーなスーパー拡散的パターンに従うかどうかを調査すること。
• 高分解能の移動データが、局所スケールで部分的拡散的行動とエルゴディック性の破壊を示すかどうかを特定すること。
• 局所的領域限定探索と大規模な移動の間を分かつ相転移が存在するかどうかを同定すること。
• 獲物の制約と捕食行動が、観察されたスケールに依存する移動パターンにどのように影響を与えるかを評価すること。

提案手法

• 3種の捕食的鳥類に属する70頭の個体から得られた、7×10^7以上の高分解能GPS位置データが収集された。
• 連続時間ランダムウォーク（CTRW）モデルを用いて、微細な空間的・時間的スケールでの移動ダイナミクスを分析した。
• 待機時間分布を推定し、べき乗法則関数へのフィットを実施して、平均待機時間が発散するかどうかを検証した。
• 時間平均および集合平均の平均二乗変位の比較により、エルゴディック性の破壊の有無を評価した。
• 統計的クラスタリングとスケーリング解析を用いて、移動モードの変化を検出し、局所的移動と移動の間の相転移を同定した。
• 静的待ち伏せから移動的クルーズ捕食への連続体という文脈において、研究結果を解釈し、行動的予測の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 捕食的鳥類の局所的、パッチ内移動は、高分解能で見るとスーパー拡散的か部分的拡散的かのどちらの特性を示すか？
• RQ2 野生の捕食者の局所的移動において、非エルゴディック行動と発散する平均待機時間が示されるエルゴディック性の破壊の証拠はあるか？
• RQ3 局所的領域限定探索と大規模な移動を分かつ明確な相転移が、捕食者の移動において存在するか？
• RQ4 観察された移動パターンは、研究対象種の捕食戦略と獲物の制約と整合的か？

主な発見

• 捕食パッチ内の局所的移動は部分的拡散的行動を示し、スケールフリーなスーパー拡散の期待とは対照的であった。
• 時間平均と集合平均の平均二乗変位の有意な差異により、エルゴディック性の破壊が確認された。
• パッチ内での待機時間はべき乗法則分布に従い、平均が発散しており、典型的な待機時間が存在しないことを示している。
• 局所的領域限定探索と大規模な移動の間を明確な相転移が分かつており、それぞれ異なる移動モードが存在する。
• 移動のスケールに依存する性質は、動物の移動がスケールフリーではないことを示しており、Lévyウォーク仮説の普遍性に疑問を呈する。
• 研究結果は、研究対象種の捕食行動と生態的制約と整合しており、静的待ち伏せから移動的クルーズ捕食への連続体を支持する。