[论文解读] Eco-evolutionary "fitness" in 3 dimensions: absolute growth, absolute efficiency, and relative competitiveness

Joanna Masel|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2014

Evolutionary Game Theory and Cooperation参考文献 65被引用 3

一句话总结

本文提出了一种三维生态—进化适应度框架，通过整合绝对增长（r）、绝对效率（K）和相对竞争力（c），将此前混淆的特征分离开来。该框架重新诠释了r/K选择理论，解决了生态与进化模型之间的矛盾，提供了一个统一模型，通过适应度空间的几何旋转支持Grime的普遍适应策略理论。

ABSTRACT

Competitions can occur on an absolute scale, to be faster or more efficient, or they can occur on a relative scale, to "beat" one's competitor in a zero-sum game. Ecological models have focused on absolute competitions, in which optima exist. Classic evolutionary models such as the Wright-Fisher model, as well as more recent models of travelling waves, have focused on purely relative competitions, in which fitness continues to increase indefinitely, without actually progressing anywhere. This manuscript proposes a new way to describe both at the same time. It begins with a revised version of r/K-selection theory. r continues to describe maximum reproductive speed, but the new version of K, with a different subscript, now describes parsimoniousness in territory use, a group-selected, anti-tragedy-of-the-commons trait. A third dimension c of fitness is then added to this novel system, one which is unitless and normalized, and hence capable of capturing the population genetics concept w of a strictly relative, genetically-limited competitive race. MacArthur's original version of r/K-selection theory is shown to confound parsimoniousness K with competitive ability c, despite the fact that available data suggests a negative correlation between the two; here they are disentangled. A rotation of the resulting three-dimensional system provides a population genetic underpinning for Grime's universal adaptive strategy theory of ruderals (selected for high r), stress tolerators (selected for a combination of high r and high K), and competitors (selected for a combination of high r and high c).

研究动机与目标

• 解决强调绝对表现的生态模型与聚焦相对竞争优势的进化模型之间的概念冲突。
• 将r/K选择理论中长期混淆的K选择（效率）与竞争力（c）特征分离开来。
• 提供一个几何化的三维适应度表示，整合生态与种群遗传学视角。
• 通过旋转的适应度空间，为Grime的普遍适应策略理论提供理论基础。
• 通过引入无量纲、归一化的竞争力度量（c），形式化生态—进化动态中的适应度概念。

提出的方法

• 通过将K重新定义为对节俭领土利用的度量，而非竞争能力，重新表述r/K选择理论。
• 引入第三个维度c，代表相对竞争力，经归一化且无量纲，以与种群遗传学适应度（w）保持一致。
• 构建一个以r（绝对增长）、K（绝对效率）和c（相对竞争力）为轴的三维适应度空间。
• 对三维适应度空间施加几何旋转，使其与Grime的三种普遍策略（r对策者、胁迫耐受者和竞争者）对齐。
• 通过数学建模证明，新框架解决了先前模型中的不一致问题，特别是K与c之间的负相关性问题。
• 运用种群遗传学原理，将相对适应度度量c建立在进化动态基础之上。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何调和以绝对表现定义的生态适应度与以相对竞争优势定义的进化适应度之间的矛盾？
• RQ2 为何传统r/K选择模型无法解释K与c之间观察到的负相关性？
• RQ3 三维适应度框架能否统一生态与进化对适应度的视角？
• RQ4 新模型如何支持或扩展Grime的普遍适应策略理论？
• RQ5 归一化、无量纲的竞争力度量c在适应度动态中的数学与生物学作用是什么？

主要发现

• 本文成功将K（效率）与c（竞争力）分离开来，解决了r/K选择理论中长期存在的概念混淆问题。
• 以r、K和c为轴的三维适应度空间提供了一个几何框架，能够同时捕捉生态与进化适应度的维度。
• 该模型表明，当K与c被适当地分离时，K与c之间的负相关性在生物学上是合理的，并非矛盾。
• 对三维适应度空间的旋转使坐标轴与Grime的三种普遍策略对齐：r对策者（高r）、胁迫耐受者（高r与高K）和竞争者（高r与高c）。
• 归一化的竞争力度量c为适应度（w）提供了直接的种群遗传学解释，弥合了生态与进化理论之间的鸿沟。
• 修订后的框架在生态背景下支持进化最优值的存在，同时保留了种群遗传学中相对适应度动态的核心特征。