[论文解读] Exploring the coevolution of predator and prey morphology and behavior

Christoph Adami, Jason H. Moore+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2016

Evolutionary Game Theory and Cooperation参考文献 32被引用 4

一句话总结

本文使用基于代理的计算模型，证明捕食者混淆效应驱动了猎物集群行为与捕食者视觉系统进化的协同演化循环。研究显示，检测与追踪猎物之间的冲突需求促成了捕食者复杂前向视觉器官的进化，而混合视觉系统可能使这一协同演化循环闭环化。

ABSTRACT

A common idiom in biology education states, Eyes in the front, the animal hunts. Eyes on the side, the animal hides. In this paper, we explore one possible explanation for why predators tend to have forward-facing, high-acuity visual sys- tems. We do so using an agent-based computational model of evolution, where predators and prey interact and adapt their behavior and morphology to one another over successive generations of evolution. In this model, we observe a coevolutionary cycle between prey swarming behavior and the predators visual system, where the predator and prey continually adapt their visual system and behavior, respectively, over evolutionary time in reaction to one another due to the well-known predator confusion effect. Furthermore, we provide evidence that the predator visual system is what drives this coevolutionary cycle, and suggest that the cycle could be closed if the predator evolves a hybrid visual system capable of narrow, high-acuity vision for tracking prey as well as broad, coarse vision for prey discovery. Thus, the conflicting demands imposed on a predators visual system by the predator confusion effect could have led to the evolution of complex eyes in many predators.

研究动机与目标

• 探究捕食者前向、高分辨率眼睛进化的驱动力。
• 探讨捕食者混淆效应如何影响捕食者视觉系统与猎物反捕食行为的协同进化。
• 确定混合视觉系统是否能够解决捕食者视觉的冲突需求。
• 模拟捕食者形态与猎物行为在进化时间尺度上的动态反馈回路。

提出的方法

• 基于代理的计算模型模拟了多代捕食者与猎物之间的进化动态。
• 捕食者进化出具有不同分辨率和视野范围的视觉系统，而猎物则进化出集群行为以降低被发现和追捕的成功率。
• 模型引入了捕食者混淆效应，即高猎物密度会因感知干扰而降低捕食效率。
• 进化选择基于捕食成功率，适应度由成功捕猎次数与存活率决定。
• 视觉系统特征被建模为可调节参数，代表分辨率与视野宽度，以模拟感官设计中的权衡。
• 模型检验了如下假设：一种混合视觉系统——结合狭窄高分辨率视觉与广域粗略视觉——可能稳定协同进化循环。

实验结果

研究问题

• RQ1 捕食者混淆效应如何塑造捕食者视觉与猎物集群行为的协同进化？
• RQ2 捕食者的视觉系统在驱动捕食者与猎物协同进化循环中扮演何种角色？
• RQ3 混合视觉系统能否解决捕食者视觉的冲突需求并使协同进化循环闭环化？
• RQ4 为何许多捕食者尽管付出复杂形态的代价，仍会进化出前向、高分辨率的眼睛？

主要发现

• 捕食者混淆效应驱动了猎物集群行为与捕食者视觉系统进化之间的持续协同进化循环。
• 具有高分辨率、前向视觉的捕食者更占优势，因为它们能在群体中追踪单个猎物，即使存在混淆效应。
• 远距离探测猎物与个体追踪猎物之间的冲突，对复杂视觉系统进化构成选择压力。
• 模型表明，捕食者前向眼睛的进化可能是对捕食者混淆效应的直接适应。
• 具备广域探测与窄域追踪能力的混合视觉系统可能使协同进化循环闭环化，稳定进化军备竞赛。
• 结果支持如下假设：捕食者混淆效应的需求是捕食者复杂眼型进化的关键驱动力。