Модель імовірнісних ніш розкриває структуру ніші та роль розміру тіла в складній харчовій мережі

Філія Microsoft Research, Кембридж, Великобританія

Поточна адреса: математичний факультет, Університет Данді, Данді, Шотландія

Філія Microsoft Research, Кембридж, Великобританія

Річард Дж. Вільямс,
Ананті Ананданадесан,
Дрю Первес

Цифри

Анотація

Цитування: Williams RJ, Anandanadesan A, Purves D (2010) Модель імовірнісної ніші розкриває структуру ніші та роль розміру тіла в складній харчовій мережі. PLoS ONE 5 (8): e12092. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0012092

Редактор: Луї-Фелікс Берсьє, Університет Фрібурга, Швейцарія

Отримано: 12 травня 2010 р .; Прийнято: 16 липня 2010 р .; Опубліковано: 9 серпня 2010 р

Фінансування: Коли ця робота була виконана, усі автори працювали в Microsoft Research. Ніхто, крім авторів, не брав жодної ролі в розробці дослідження, зборі та аналізі даних, прийнятті рішення про публікацію чи підготовці рукопису.

Конкуруючі інтереси: Всі автори працювали в Microsoft Research, коли було проведено це дослідження. Це не впливає на здатність авторів дотримуватися політики PLoSONE щодо обміну даними та матеріалами.

Вступ

Розуміння різноманітності та розподілу міжвидових взаємодій є життєво важливим викликом для розвитку нашого розуміння складних екосистем. Екологічні мережі зображують складні закономірності взаємодії між видами та забезпечують важливий інструмент для вивчення різноманітності та складності екосистем [1]. Взаємодія з годуванням, основний механізм передачі енергії та ресурсів між організмами, є фундаментальним для функціонування екосистем, і тому мережі взаємодій з годуванням або харчові мережі вже давно є центральною парадигмою екологічної думки [2]. Найпростіший вигляд харчової павутини, в якій як види, так і взаємодії між видами представлені як присутні або відсутні в системі, ігнорує багато деталей, але фіксує топологічну структуру, пов’язану з процесами передачі енергії, що відбуваються в системі. Ці бінарні харчові мережі забезпечують чутливе відображення екологічної складності, і їх структура має важливі наслідки для багатьох аспектів функціонування екосистеми, включаючи взаємозв'язок між складністю мережі та стабільністю системи [3], їх стійкістю та стійкістю до вимирання видів [4] та їх стійкість до змін навколишнього середовища [5].

Однією з фундаментальних проблем у вивченні структури харчових мереж є визначення того, чи існують топологічні закономірності, які є універсальними для різних харчових мереж, і чи існують ці закономірності, визначення загальних процесів, які структурують різні харчові мережі та породжують ці універсальні структури . Для вивчення механізмів, що породжують закономірності в складних харчових мережах, було використано широкий спектр підходів. Сюди входять моделі, що поєднують еволюційний та часовий масштаби популяцій [6], [7], моделі складання харчової мережі [8], дослідження впливу розміру тіла на стійкість видів у харчових мережах [9] та моделі топології мережі включаючи моделі, засновані на механістичних концепціях, таких як теорія корма [10], [11], та стохастичні структурні моделі харчових мереж, які є предметом цієї роботи.

Частково відсутність доказів про взаємозв'язок між параметрами ніш видів та їх біологією (чи то розмір тіла, чи інший аспект) відображає спосіб застосування моделі ніші. На сьогоднішній день нішеву модель зазвичай застосовують із використанням того, що можна назвати підходом прямого моделювання: (i) призначена структура моделі; (ii) видам присвоюються параметри випадковим чином із довільно призначених розподілів; (iii) отримана модель використовується для створення штучних харчових мереж; (iv) сукупні ознаки штучних мереж порівнюються з даними. Хоча цей підхід виявився корисним, він запобігає детальному аналізу видів за видами, необхідних для виявлення біології, що лежить в основі параметрів видів. На відміну від цього, у цьому дослідженні ми використовуємо зворотний підхід моделювання: (i) призначена структура моделі; (ii) ця структура формально стикається з даними, використовуючи статистику, засновану на вірогідності; (iii) результат - це набір оцінюваних параметрів моделі ніші для кожного виду, які разом описують розподіл, за всіма видами, кожного параметра моделі ніші; (iv) параметри можна потім порівнювати, за видами, з аспектами біології, а розподіл параметрів можна порівняти з попередніми припущеннями про ці розподіли.

Щоб забезпечити цей зворотний підхід, ми розробили простий імовірнісний варіант моделі ніші. Ця модель, як і оригінальна модель ніші, має єдиний розмір ніші та три параметри, пов’язані з кожним видом: положення виду на осі ніші (положення ніші), положення його раціону на осі ніші (положення дієти) та ширина дієти на осі живлення (діапазон годівлі). Застосовуючи стандартні статистичні методи, ми підбираємо імовірнісну модель ніші до широко вивченого емпіричного набору даних, який, як відомо, досить добре описаний моделлю ніші, і який має оцінки розмірів тіла для всіх таксонів. Потім ми вивчаємо значення моделі, що найкраще підходять (MLE), щоб краще зрозуміти причини успіхів і невдач нішевої моделі, а також інтерпретувати значення різних параметрів видів, особливо в тому, як вони співвідносяться з розмірами тіла в харчової мережі. Ми також досліджуємо, де прогнозування моделі є добрим, або де існує велика невідповідність між моделлю та даними залежно від виду. Цей підхід дозволяє нам набагато детальніше порівняти спостережувану харчову мережу та стохастичну модель харчової мережі, ніж раніше.