Az ökológiai hálózatok zárt szerkezete nem konvencionális magyarázatot kapott • Sergey Lysenkov • Tudományos hírek az Elemekről • Ökológia

Az ökológiai hálózatok zárt szerkezete szokatlan magyarázatot kapott.

Ábra. 1. Mariansky motley galamb Ptilinopus roseicapillaegy növény gyümölcsét eszik Premna obtusifolia az egyik tanulmányozott Mariana-szigeteken – Saipan. A madarakról szóló kézikönyv kézikönyve

Ha figyelembe vesszük a kölcsönös (kölcsönösen előnyös) kapcsolatokat az ökológiában a hálózatok elméletének prizmáján keresztül, akkor az ilyen hálózatok egyik tulajdonsága a beágyazott struktúra: a kevés számú partnerrel rendelkező fajok elsősorban a sok partnerrel rendelkező fajokkal kölcsönhatásba lépnek. Feltételezés szerint az ökoszisztéma fenntarthatóbbá válik. A hagyományos gyümölcstermő növények és növények közötti kölcsönös kapcsolat új tanulmányozása megkérdőjelezte ezt a hagyományos értekezést. A szerzők azt mutatják, hogy a partnerek sokfélesége pozitívan korrelál azzal, hogy milyen fontosak ezek a kapcsolatok a faj túléléséhez. Ez a tényező a kölcsönös hálózatok számítógépes szimulációjában megszünteti a beágyazott struktúra előnyeit a fajok kipusztulásának megakadályozása érdekében. A szerzők alternatív magyarázatot adnak arra, hogy miért merül fel ilyen struktúra.

Az elmúlt években az ökológia megkezdte az úgynevezett hálózati elmélet alkalmazását az ökoszisztémához tartozó fajok közötti kapcsolatok tanulmányozására (lásdHálózati tudomány). A hálózatok elmélete a 18. század elején jelent meg a Koenigsberg-hidak híres problémájának megoldásáért, melyet Leonard Euler kiváló matematikus (mint egyszerű népszerű bevezetés a matematika ezen ágában), javasoljuk O. Melnikov, Dunno a grafikonok országában. A grafikonok csúcspontokból és összeköttetésekből álló csoportból állnak, melyeket éleknek neveznek (általában csúcspontokként és összekötő vonalaként vannak ábrázolva széleken). De ha a grafikonelmélet absztrakt matematikai objektumokat grafikonként tanulmányoz, akkor a hálózati elmélet feltárja a grafikonok, a közlekedési vagy a számítógépes hálózatok által lefedett vagy a másik tudósait idéző ​​hálózatok által leírt valós hálózatok szerkezetét és működését. (Részleteket lásd: Barabási Albert-László matematikus, Barabási Albert-László, a hálózatelmélet egyik vezető szakembere által írt tankönyv, amely szabadon elérhető: A.-L. Barabasi, 2015. Hálózati tudomány. A biológiában például a hálózatok elméletét használják gének és fehérjék kölcsönhatásainak tanulmányozására (lásd O. Mason, M. Verwoerd, 2007. Grafikus elmélet és biológiai hálózatok – A.-L. Barabashi szintén részt vett ezeken a vizsgálatokon).

Az ökológiában a hálózatok elméletét használják az élelmiszerek (akik fogyasztják) és a kölcsönös (kinek előnyös) hálózatokat (lásd az Ökológiai hálózatot). A kölcsönös kapcsolati hálózatok kétféle kölcsönhatás alapján épülnek fel, mindkét fél számára előnyösnek (lásd Mutualizmus, valamint kölcsönösség). Ezek például a növények és azok beporzók, vagy a tisztább halak (lásd: tisztább halak) és "ügyfeleik" közötti kapcsolatot. (Korábban a kölcsönösen előnyös együttműködést szimbiózisnak nevezték, de most ezt a kifejezést két szervezet közeli kapcsolatának kijelölésére használják, ami nem feltétlenül kölcsönösen előnyös.)

A legaktívabb tanulmányok közé tartoznak a növények és a beporzók kölcsönös hálózatai, valamint a növények és gyümölcsevő állatok elterjedése. A hálózati megközelítésen belül a környezetvédők azonosítják az interakció hálózatokban rejlő univerzális strukturális jellemzőket, függetlenül attól, hogy ökoszisztémájuk milyen (lásd P. Jordano, J. Bascompte, JM Olesen, 2003.) és megvizsgálják azok kapcsolatát az ilyen közösségek ellenállását egyes fajok elpusztulásával. Ezt a stabilitást számítógépes kísérletek segítségével értékelik, amelyekben megfigyelik, hogyan reagálnak a hálózatok az egyes fajok kipusztulására (a kihalás modellje a megfelelő csúcs eltűnése és az összes kapcsolódó élinterakció).

Kiderült, hogy az ilyen hálózatokban megfigyelt egyetemes tulajdonságok sokasága stabilabbá teszi a véletlen interakciókhoz képest. Ezek közül a tulajdonságok közé tartozik a kölcsönös hálózatok egymásba ágyazott vagy beágyazott szerkezete (J. Bascompte és mtsai, 2003. A növény-állat kölcsönös hálózatok beágyazott összeszerelése) és a relációk aszimmetriája. A hálózatok fészkelődése (lásd: Nestedness, 2. ábra) akkor következik be, amikor néhány partnerrel rendelkező faj-szakemberek főleg olyan faj-generalistákkal lépnek kapcsolatba, akiknek sok partnere van (lásd Általános és speciális fajok). És a kapcsolatok aszimmetriája azt fejezi ki, hogy ha egy partner erősen függ a másiktól, akkor valószínűleg gyengén függ majd tőle (lásd A kölcsönösen előnyös kapcsolatok aszimmetriája hozzájárul a magas biodiverzitáshoz, Elements, 2006. április 26.).

Ábra. 2. A kölcsönös hálózatok képalkotásának két módja egy többszínű színű méhek és virágok kitalált illusztratív példáján. egy – kölcsönhatásban álló fajok kapcsolódnak egymáshoz vonalak szerint. b – az asztal oldalán a növények és állatok típusai vannak; töltött sejtek azt jelenti, hogy ez a két faj kölcsönhatásba lép, kitöltetlen – ez nem kölcsönhatásba lép. A ábrázolt hálózatnak egy beágyazott vagy beágyazott struktúrája vana valódi kölcsönös hálózatokhoz: a speciális fajok kölcsönhatásba lépnek a generalistákkal – a kék szemű és szárnyas méh csak narancssárga virágokkal látogatható meg, amelyeket minden más méhfaj látogat (ez a méh szakember, és ez a virág általános). Ábra az S. Allesina cikkből, 2012. Ökológia: Minél inkább merészebb

A fajok kipusztulásának modellezése a kölcsönös hálózatokban való részvételük alapján a nem mindig kifejezetten feltett feltételezésen alapul, amely szerint a fajok túlélése szigorúan e kapcsolatoktól függ – és minden partner elvesztése elkerülhetetlenül halálhoz vezet. Mindazonáltal a kölcsönösen előnyös kapcsolatok ritkán kötelezőek (kötelezők). Így a növények képesek pollinálni és elosztani a magokat nem csak az állati beporzódások kárára: a virágok önmagukban beporzódhatnak, és a magok csírázhatnak a talajra esett gyümölcsökből. A virágokra vagy virágokra tápláló állatok más élelmiszerforrással is rendelkezhetnek.

Evan Fricke, az Iowa Egyetem (USA) és a Colorado-i Egyetem (Boulder, USA) kollégái, valamint a Canberra-i Egyetem (Ausztrália) munkatársai, a vita tárgyát képező cikk szerzői úgy döntöttek, hogy ezt a kimondatlan komponenst bevonják a kölcsönös hálózatok tanulmányozásába.A figyelmet a növényi kölcsönhatások és a vetőmag-forgalmazók hálózataira helyezték. Az állatok étkezési gyümölcsökkel való függőségének azonosítása érdekében 29 ecosystems (406 állatfajra vonatkozó információkat tartalmazó) hálózati vizsgálatokban széles körben használt adatokat használták fel a Web of Life ökológiai hálózati adatbázisából, amelyet az ökológia hálózati megközelítésének egyik úttörője hoz létre Jordi Bascompt ). Ezek az ökoszisztémák, amelyekhez elegendően teljes adatok állnak rendelkezésre, különböző éghajlati övezetekben és az összes kontinensen (és a kontinentális szomszédos szigeteken) vannak, kivéve az Antarktist.

A kiválasztott ökoszisztéma-hálózatok közül 18 minőségi volt (azaz csak a kölcsönhatás jelenlétét vagy hiányát értékelték), 11 pedig kvantitatív (az interakciós gyakoriságot értékelték). A kvalitatív adatokkal rendelkező hálózatok esetében a partnerek sokféleségének mértéke a faj foka volt – az állatok takarmányozására alkalmas növényfajok száma. A mennyiségi adatokkal rendelkező hálózatok esetében a formátum mértékén túlmenően kvantitatív terjeszkedésüket is figyelembe vettük – a fajta erősségét és a Shannon-sokféleség indexét (lásd Shannon-index) az interakciós frekvenciákhoz. E típus erejének kiszámításához összefoglalták a partnerek összesített interakcióit.Például ha egy állat három növényfaj vetőmagjait elveszi és hordozza, és felelős a vetőmaguk 10, 30 és 40% -áért, akkor az ereje 0,1 + 0,3 + 0,4 = 0,8. De ezek mellett a hálózati megközelítés szokásos, a mutatók figyelembe vették a gyümölcsök arányát a takarmányozásban is – az adatokat nyílt bázisokból vették.

Annak érdekében, hogy feltárja a növényeknek a magvak eloszlásában az állatoktól való függőségét, magukat a szerzők kénytelenek voltak adatokat gyűjteni, mivel az adatbázisok nem rendelkeztek a szükséges információkkal. A Csendes-óceán nyugati részén található Mariana-szigeteken négy kutatást folytattak. A szerzők két forgatókönyvet vizsgálták meg a magvak fennmaradásának valószínűségét: figyelembe véve az elosztást (távol a saját fajuk egyedeitől, a szabad helyektől, az állatok által elfogyasztott gyümölcsektől) és ezek nélkül (saját fajuk egyénekéhez, sűrű erdei lombhullató alatt a meg nem fogyasztott gyümölcsökből). A szerzők e valószínűségek arányát a szaporítás előnyeinek mérésére használják. Az ezen ökoszisztéma hálózatát – amely állatok táplálják a növényfajok gyümölcseit – két éves megfigyelési adatok alapján gyűjtötték össze az egyik szigetet.

Kiderült, hogy az állatok esetében a partnerek sokféleségének (a faj mértéke és ereje, valamint a Shannon index) minden intézkedés pozitív összefüggést mutat a gyümölcs szerepével a táplálkozásban (3. Az olyan állatoknál, amelyek számos növényfajon táplálkoznak, a gyümölcsök gyakran a táplálék lényeges részét képezik, és az állatok, amelyek kis számú növényfajokkal kölcsönhatásba lépnek, általában táplálkoznak valami mással.

Ábra. 3. Pozitív kapcsolat a faj hatalma (faj erőssége) és az állatok étrendjének gyümölcseinek aránya (a frugivória mértéke) 11 ökoszisztémára, amelyekre kvantitatív adatok álltak rendelkezésre. Finom vonalak – az egyes ökoszisztémákra vonatkozó regressziós függések, vastag vonal – átlagos függőség. Ábra a tárgyalt cikkből A Royal Society B

A magvak szerzői által a Mariana-szigetek ökoszisztémáján szerzett növények függőségét sokkal kisebb mintán alapul: hét állatfaj és hat növényfaj (4. Ábra, a). Ebben az esetben azonban a növénypartnerek sokféleségének minden intézkedése pozitív korrelációt mutat azzal a mértékben, hogy a vetőmag-eloszlás növeli a növény túlélésének valószínűségét (4. Ezenkívül kiderült, hogy az erősebb erővel rendelkező növények több erőforrást fektettek be a gyümölcsevő állatok vonzására: a gyümölcspép tömegének aránya a vetőmag tömegéhez képest magasabb volt (4.

Ábra. 4. A növények és állati magvak forgalmazóinak kölcsönhatásai a Mariana-szigeteken. egy – a hálózat grafikus ábrázolása: növényfajok – sorokban és állatfajokban – oszlopokban, szín szerint az étkezési magvak gyakorisága. b – a forma erejének összekapcsolása (faj erőssége) és az állatok által hordozott vetőmag túlélési valószínűségének az összefüggése a növényhez közel eső vetőmag túlélésének valószínűségével (diszperziós haszon arány): regressziós sor és 95% konfidencia intervallum. c – a gyümölcspép és a vetőmagpép (pulp: vetőmag arány) arányának – a vetőmagok állatok elosztására szolgáló növények költségeire vonatkozó becslés és a fajok ereje közötti kapcsolat Ábra a tárgyalt cikkből A Royal Society B

A felfedezett függőségeket nem lehet váratlannak nevezni – talán még "nyilvánvalónak" is nevezhetők. A kapott eredmények azonban mennyiségi formában vesznek fel ezeket a mintákat, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy pontosabban felmérjék szerepüket az ökoszisztémák stabilitásában. A partnerek sokfélesége és a kölcsönösség fontossága a fajok túlélése között fennálló pozitív kapcsolatnak szintén csökkentenie kell a több kihalt kihalás valószínűségét, valamint a beágyazott hálózati struktúrát. Azok a fajok, amelyek nagymértékben függenek a partnerekkel való együttműködéstől (részt vesznek maguk táplálásában vagy elosztásában), számos partnerrel rendelkeznek – és valószínűtlen, hogy mindezek a partnerek kihalódnak.Azok a fajok, amelyeknek kevés partnere van, nem annyira függenek tőlük, hogy távollétükben meghaljanak.

A szerzők úgy döntöttek, hogy értékelik, hogy ennek a mintának a figyelembevétele hogyan befolyásolja a hagyományos megközelítést a hálózati megközelítésben az a gondolat, hogy a realisztikus hálózatok szerkezete jobban ellenáll a közös kihalásoknak? Ehhez számítógépen modellezték annak következményeit, hogy eltávolítják az egyik fajot a hálózattól. Csak a modelljükben, a hálózati megközelítés klasszikus műveivel ellentétben, egy adott faj minden egyes partnerének kihalása nem garantálta a faj kipusztulását, hanem csak növelte annak valószínűségét, hogy arányos-e a fajnak a kölcsönösségbe való bevonásával.

Az extinkciók szimulációja 11 valós hálózatban, amelyeknél a kölcsönhatási gyakoriság mennyiségi adatai rendelkezésre álltak, azt mutatták, hogy a partnerek sokfélesége és a kölcsönösség fontossága közötti kapcsolat kimutatott kapcsolata 88% -kal csökkentette a közös kihalás valószínűségét. Ezen túlmenően a valós hálózatok, amelyek beágyazott struktúrával rendelkeznek, 17% -kal alacsonyabb valószínűséggel rendelkeznek a közös kihalásokkal szemben, mint a véletlenszerű hálózatok, amelyek kölcsönösséget feltételeznek – ezt az eredményt már korábban már többször kapták meg a hálózati megközelítésben.És ez nem lenne érdemes megemlíteni ebben a cikkben, ha nem derült ki, hogy figyelembe véve a partnerek sokféleségének és az ezek függőségének pozitív kapcsolatát, jelentősen csökkentette a hálózati struktúra fontosságát – ebben az esetben a valódi hálózatok csak 3,6% -kal kevesebb közös kihalással rendelkeztek, mint véletlenszerűen !

Így azt a hagyományos következtetést, hogy a valódi hálózatok szerkezete stabilabbá teszi őket, mivel az új adatokat nem erősítették meg. Sőt, ebben az esetben a partnerek kis csoportjaival rendelkező fajok már nem voltak hajlamosabbak a kihalásra (mint a korábbi tanulmányok esetében, ahol a kölcsönösséget kötelezőnek tekintették). Ezenkívül a szimuláció azt mutatta, hogy figyelembe véve a kölcsönösség opcionális jellegét, mind az igazi, mind a véletlenszerű hálózatok esetében közel azonos, 88 és 86% -kal csökkentette a közös kihalások valószínűségét. Tehát úgy tűnik, hogy figyelembe véve a kölcsönösség nem kötelező jellegét és a partnerek sokféleségéhez való kapcsolódását, a hálózat struktúrájának bevonásával felmerül az ökoszisztémák fenntarthatóságának magyarázata. Ha a hálózati struktúra jellemzői fontosak, akkor a szerepük sokkal kisebb, mint korábban gondolták.

De ha a beágyazott szerkezet nem fontos az ökoszisztémák fenntarthatósága szempontjából,Miért van még mindig állandóan reprodukálva a különböző éghajlati övezetek és kontinensek ökoszisztémáiban? A szerzők magyarázatot adnak arra vonatkozóan, hogy a kölcsönös stratégia kialakulása a nemmutualisztikus stratégiák gyengülését okozza: például a gyümölcsökhez való alkalmazkodás csökkenti az egyéb takarmányok előállításának sikerét, és a magvaknak az állatok elosztására való adaptálása csökkenti a csírázás sikerét más körülmények között. Ebben az esetben azok a fajok, amelyek maguk nem alakultak ki erős adaptációkkal (és ezért kevés forrást szereztek a kölcsönösségben), kölcsönhatásba lépnek azokkal, akik sok erőforrást alkalmaznak az alkalmazkodásra: például a nem szakosodott gyümölcstermékek inkább húsos és ezért tápláló gyümölcsöket fognak enni. Azoknál a fajoknál, amelyek erős adaptációkat alakítottak ki, a kiválasztást számos partner támogatja, így az alkalmazkodási források befektetése továbbra is előnyös.

Kiderül, hogy a kölcsönösségtől és a partnerek kis különbözőségétől való nagyfokú függőség túlságosan kockázatos lenne (lásd WJ Bond, 1994. Van-e kölcsönösség? A beporzódás és a diszpergálószer hatása a növény elpusztítására), és kevés partner – túl költséges (lásd JL Bronstein, 2001. A kölcsönösség költségeit).Ezért mindkét stratégiát a kiválasztás megszünteti. Ilyen helyzetben a fajközösségek fejlődésének egy beágyazott struktúra kialakulásához kell vezetnie, amikor a faj-szakemberek kölcsönhatásba lépnek a faj-generalistákkal. Megjegyezzük, hogy a "szakemberek" és a "generalisták" szót most érdemes idézni: végül is, az új adatok fényében a kis számú partnerrel rendelkező szakemberek azok a fajok, amelyek nem szakosodott egy bizonyos típusú interakcióhoz, és nincsenek kifejezett hozzáigazításai!

A fészkelésnek ez a magyarázata inkább elfogadhatónak tűnik, mint a hagyományos, az ökoszisztéma fenntarthatóságára való felkérés alapján. Végül is az új hipotézis a beágyazott struktúra kialakulását írja le maga a fajkombináció fejlődésének folyamán, és nem jelenti az ökoszisztémák kiválasztását, amikor a beruházások megmaradtak, mert stabilabbak voltak (és nyilvánvalóan voltak másak is). És bár ez a hagyományos magyarázat implicit (a hálózati megközelítés támogatói nem írnak róla), az evolúciós biológiában a hasznosságra való felragasztás nem magyarázat, anélkül, hogy felmutatnának egy mechanizmust ennek a tulajdonságnak a megjelenésére és konszolidációjára.

Az ökológia hálózati megközelítését gyakran megkérdőjelezi a túlzott egyszerűsítés (lásd például N. Blüthgen, 2010.Miért válik gyakran kapcsolatba a hálózati elemzés az ökológiából: egy kritika és egy ökológiai útmutató ?, ami nagyrészt a mennyiségi adatok hiányának köszönhető (ami úgy tűnik, hogy a gyűjtés nehézségei). Arra is aggályok merültek fel, hogy az ebben az irányban kapott eredmények némelyike ​​kézművesnek bizonyulhat. Az új munka azt mutatja, hogy ez a kritika nem megalapozatlan. Reméljük, hogy hasonló tanulmányokat fognak folytatni más kölcsönös hálózatokon, amelyek lehetővé teszik a minták jobb megértését.

Forrás: Evan C. Fricke, Joshua J. Tewksbury, Elizabeth M. Wandrag, Haldre S. Rogers. Mutatós stratégiák minimalizálják a koextinciót a növényi diszpergáló hálózatokban // A Royal Society B. V. 284. 1854. szám. DOI: 10.1098 / rspb.2016.2302.

Szergej Lysenkov


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: