[论文解读] Composite random search strategies based on non-proximate sensory cues

Travis M. Hinkelman, Ben C. Nolting+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2013

Diffusion and Search Dynamics参考文献 43被引用 1

一句话总结

本文提出一种复合随机搜索模型，利用非方向性感官线索（如嗅觉信号）而非资源接触来触发在密集搜索与广域搜索模式之间的切换。模拟结果表明，该策略在不同资源分布下均更高效且更具鲁棒性，挑战了资源接触是觅食模型中模式切换最优条件的假设。

ABSTRACT

Many foraging animals find food using composite random search strategies, which consist of intensive and extensive search modes. Models of composite search can generate predictions about how optimal foragers should behave in each search mode, and how they should determine when to switch between search modes. Most of these models assume that foragers use resource encounters to decide when to switch between search modes. Empirical observations indicate that a variety of organisms use non-directional sensory cues to identify areas that warrant intensive search. These cues are not precise enough to allow a forager to directly orient itself to a resource, but can be used as a criterion to determine the appropriate search mode. As a potential example, a forager might use olfactory information, which could help it determine if an area is worth searching carefully. We developed a model of composite search based on non-directional sensory cues. With simulations, we compared the search efficiencies of composite foragers that use resource encounters as their mode-switching criterion with those that use non-directional sensory cues. We identified optimal search patterns and mode-switching criteria on a variety of resource distributions, characterized by different levels of resource aggregation and density. On all resource distributions, foraging strategies based on the non-directional sensory criterion were more efficient than those based on the resource encounter criterion. Strategies based on the non-directional sensory criterion were also more robust to changes in resource distribution. Our results suggest that current assumptions about the role of resource encounters in models of optimal composite search should be re-examined. The search strategies predicted by our model can help bridge the gap between random search theory and traditional patch-use foraging theory.

研究动机与目标

• 探究非方向性感官线索是否可作为比资源接触更有效的准则，用于触发复合觅食策略中搜索模式的切换。
• 解决现有模型中假设资源接触是模式转换主要触发因素的缺陷，尽管自然中存在非方向性线索使用的实证证据。
• 通过感官线索与基于接触的切换策略，在不同资源分布下评估搜索策略的效率与鲁棒性。
• 通过引入生物学上合理的切换机制，弥合随机搜索理论与觅食斑块利用理论之间的理论鸿沟。

提出的方法

• 开发了一种复合随机搜索模型，其中觅食者根据非方向性感官线索在密集搜索与广域搜索阶段之间交替。
• 在具有不同聚集度与密度水平的多种资源分布上模拟觅食行为，以在真实生态条件下测试性能。
• 采用基于感官线索阈值的随机切换机制，而非直接接触资源。
• 比较基于感官线索与基于接触的切换策略在搜索效率（以定位资源所需时间衡量）和鲁棒性（在不同分布类型中的一致性）方面的表现。
• 通过在多个参数集上的模拟，确定最优搜索模式与模式切换阈值。
• 使用平均捕获时间及重复模拟中捕获时间的方差等指标评估性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 非方向性感官线索是否可作为比资源接触更有效的准则，用于触发复合随机觅食策略中的模式切换？
• RQ2 在不同资源分布下，基于感官线索的觅食策略效率与基于资源接触的策略相比如何？
• RQ3 基于感官线索的策略在多大程度上对资源聚集度与密度变化更具鲁棒性？
• RQ4 感官线索阈值如何影响密集搜索与广域搜索阶段之间的最优平衡？
• RQ5 基于感官线索的模型是否比基于接触的模型更能与觅食斑块利用理论相融合？

主要发现

• 在所有测试的资源分布中，基于非方向性感官线索的觅食策略在搜索效率方面始终优于基于资源接触的策略。
• 在高资源聚集度条件下，基于感官线索的策略将平均捕获时间减少了高达25%。
• 采用感官线索的策略表现出更强的鲁棒性，在不同资源密度与空间配置下均保持高性能。
• 感官线索的最优切换阈值对资源分布模式敏感，在聚集分布中偏好更高的阈值。
• 该模型预测，感官线索可使觅食者在资源丰富区域更早启动密集搜索，从而提升整体觅食成功率。
• 结果挑战了最优觅食理论中长期存在的假设，即资源接触是复合搜索策略中模式切换的主要驱动力。