Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Экологическая сеть является представлением биотических взаимодействий в качестве экосистемы , в которых виды (узлы) , соединенные попарно взаимодействия (ссылки). Эти взаимодействия могут быть трофическими или симбиотическими . Экологические сети используются для описания и сравнения структур реальных экосистем, а сетевые модели используются для исследования влияния сетевой структуры на такие свойства, как стабильность экосистемы .

Свойства [ править ]

Исторически исследования экологических сетей развивались на основе описаний трофических отношений в водных пищевых сетях ; однако недавняя работа расширилась, чтобы рассмотреть другие пищевые сети, а также сети мутуалистов . Результаты этой работы выявили несколько важных свойств экологических сетей.

Сложность (плотность ссылок): среднее количество ссылок на вид. Объяснение наблюдаемых высоких уровней сложности в экосистемах [1] было одной из основных проблем и мотиваций для анализа экологических сетей, поскольку ранняя теория предсказывала, что сложность должна вести к нестабильности. [2]

Связь : доля реализованных возможных связей между видами (связи / виды 2 ). В пищевых сетях уровень связи связан со статистическим распределением связей по видам. Распределение ссылок меняется от (частичного) степенного к экспоненциальному и равномерному по мере увеличения уровня связи. [3] Наблюдаемые значения связи в эмпирических пищевых сетях, по-видимому, объясняются ограничениями на ширину рациона организмов, обусловленными оптимальным кормодобывающим поведением. Это связывает структуру этих экологических сетей с поведением отдельных организмов. [4]

Распределение по степени: степень распределения экологической сети - это совокупное распределение количества связей, которые имеет каждый вид. Было обнаружено, что степени распределения пищевых сетей демонстрируют одну и ту же универсальную функциональную форму. Распределение степеней может быть разделено на две составляющие: связь с добычей вида (также известная как степень) и связь с хищниками вида (также известная как степень). Распределения как по внутренней, так и по исходящей степени демонстрируют свои универсальные функциональные формы. Так как распределение по исходящим степеням затухает быстрее, чем распределение по степеням, мы можем ожидать, что в среднем в пищевой сети у вида будет больше ссылок, чем исходящих. [5]

Кластеризация : доля видов, которые напрямую связаны с центральным видом. Фокусирующий вид в середине кластера может быть ключевым видом , и его потеря может иметь большое влияние на сеть.

Компартментализация : разделение сети на относительно независимые подсети. Некоторые экологические сети были разделены на части по размеру тела [6] [7] и пространственному расположению. [8] Существуют также данные, свидетельствующие о том, что компартментализация в пищевых сетях, по-видимому, является результатом модели смежности рациона видов [9] и адаптивного поиска пищи [10]

Вложенность : степень, в которой виды с небольшим количеством связей имеют подмножество связей других видов, а не другой набор связей. В сильно вложенных сетях гильдии видов, которые разделяют экологическую нишу, включают как универсалов (виды со многими связями), так и специалистов (виды с небольшим количеством связей, все общие с универсалистами). [11] В мутуалистических сетях вложенность часто бывает асимметричной, когда специалисты одной гильдии связаны с универсалами партнерской гильдии. [12] Уровень вложенности определяется не особенностями видов, а общими характеристиками сети (например, размером сети и связностью) и может быть предсказан с помощью динамической адаптивной модели с изменением видовой схемы для максимизации индивидуальной приспособленности.[13] или пригодность всего сообщества. [14]

Вложенность внутри блоков : [15] Также называемые составными структурами [16], некоторые экологические сети сочетают разделение на большие сети с вложенностью внутри частей. [17] [18]

Сетевой мотив : Мотивы - это уникальные подграфы, состоящие из n-узлов, встроенных в сеть. Например, существует тринадцать уникальных структур мотивов, содержащих три вида, некоторые из них соответствуют знакомым модулям взаимодействия, изученным популяционными экологами, таким как пищевые цепи , явная конкуренция или внутригильдейское хищничество . Исследования, изучающие структуры мотивов экологических сетей, путем изучения моделей недостаточного / избыточного представления определенных мотивов по сравнению со случайным графом, показали, что пищевые сети имеют определенные структуры мотивов [19].

Трофические когерентности : Тенденция видов специализации на отдельных трофических уровнях приводят к пищевой сети показывает значительную степень порядка в их трофической структуре, известной как трофическая когерентность , [20] , которыйв свою очередьоказывает существенное влияние на такие свойствах, как устойчивость и распространенность циклы . [21]

Стабильность [ править ]

Взаимосвязь между сложностью экосистемы и стабильностью - одна из основных тем, представляющих интерес в экологии . Использование экологических сетей позволяет анализировать влияние описанных выше свойств сети на стабильность экосистемы. Когда-то считалось, что сложность экосистемы снижает стабильность, позволяя эффектам нарушений, таким как исчезновение или вторжение видов , распространяться и усиливаться по сети. Однако были определены другие характеристики сетевой структуры, которые уменьшают распространение косвенных эффектов и, таким образом, повышают стабильность экосистемы. [22] Взаимосвязь между сложностью и стабильностью может быть даже инвертирована в пищевых сетях с достаточной трофической связностью, так что увеличиваетсябиоразнообразие сделало бы сообщество более стабильным, а не менее. [20]

Сила взаимодействия может уменьшаться с увеличением количества связей между видами, гашение эффектов любого нарушения [23] [24] и каскадные вымирания менее вероятны в разделенных на отдельные сети сетях, поскольку эффекты исчезновения видов ограничиваются исходным компартментом. [8] Кроме того, до тех пор, пока наиболее связанные виды вряд ли вымрут, устойчивость сети возрастает с увеличением связности [25] [26] [27] [28] и вложенности. [27] [29] [30] [31] Однако между несколькими исследованиями последних лет не было достигнуто консенсуса относительно связи между сетевой вложенностью и стабильностью сообщества у мутуалистических видов. [32]Недавние открытия предполагают, что может существовать компромисс между различными типами стабильности. Было показано, что вложенная структура взаимных сетей способствует устойчивости видов во все более суровых условиях. Скорее всего, потому, что вложенная структура мутуалистических сетей помогает видам косвенно поддерживать друг друга в суровых обстоятельствах. Это косвенное содействие помогает видам выживать, но это также означает, что в суровых условиях один вид не может выжить без поддержки другого. По мере того, как обстоятельства становятся все более суровыми, может быть пройден переломный момент, когда популяции большого числа видов могут одновременно исчезнуть. [33]

Другие приложения [ править ]

Дополнительные приложения экологических сетей включают изучение того, как контекст сообщества влияет на парные взаимодействия. Ожидается, что сообщество видов в экосистеме влияет как на экологическое взаимодействие, так и на коэволюцию пар видов. Связанные с этим пространственные приложения разрабатываются для изучения метапопуляций , эпидемиологии и эволюции сотрудничества . В этих случаях сети участков среды обитания (метапопуляции) или отдельных лиц (эпидемиология, социальное поведение) позволяют исследовать эффекты пространственной неоднородности.

См. Также [ править ]

  • Биологическая сеть
  • Системы потребительских ресурсов
  • Пищевая сеть
  • Сеть опыления
  • Переработка (экология)

Заметки [ править ]

  1. ^ Уильямс, RJ; Берлоу, Э.Л .; Dunne, JA; Барабаши, Алабама; Мартинес, Н. Д. (2002). «Две степени разделения в сложных пищевых сетях» . Труды Национальной академии наук . 99 (20): 12913–12916. Bibcode : 2002PNAS ... 9912913W . DOI : 10.1073 / pnas.192448799 . PMC  130559 . PMID  12235367 .
  2. ^ Пимм, SL (1984). «Сложность и устойчивость экосистем». Природа . 307 (5949): 321–326. Bibcode : 1984Natur.307..321P . DOI : 10.1038 / 307321a0 .
  3. ^ Данн, JA; Уильямс, Р.Дж.; Мартинес, Н. Д. (2002). «Структура пищевой сети и теория сетей: роль взаимосвязи и размера» . Труды Национальной академии наук . 99 (20): 12917–12922. Bibcode : 2002PNAS ... 9912917D . DOI : 10.1073 / pnas.192407699 . PMC 130560 . PMID 12235364 .  
  4. ^ Бекерман, AP; Петчи, О.Л .; Уоррен, PH (2006). «Биология кормодобывания предсказывает сложность пищевой сети» . Труды Национальной академии наук . 103 (37): 13745–13749. Bibcode : 2006PNAS..10313745B . DOI : 10.1073 / pnas.0603039103 . PMC 1560085 . PMID 16954193 .  
  5. ^ Stouffer, DB (2010). «Масштабирование от отдельных лиц к сетям в пищевых сетях». Функциональная экология . 24 : 44–51. DOI : 10.1111 / j.1365-2435.2009.01644.x .
  6. ^ Шмид-Арая, JM; Шмид, ЧП; Робертсон, А .; Winterbottom, J .; Gjerlov, C .; Хилдрю, AG (2002). «Связь в трофических сетях ручья». Журнал экологии животных . 71 (6): 1056–1062. DOI : 10.1046 / j.1365-2656.2002.00668.x .
  7. ^ Реуман, округ Колумбия; Коэн, Дж. Э. (2004). «Длина и наклон трофических связей в пищевой сети озера Вторник с массой тела и численным изобилием». Журнал экологии животных . 73 (5): 852–866. DOI : 10.1111 / j.0021-8790.2004.00856.x .
  8. ^ a b Краузе, AE; Франк, KA; Мейсон, DM; Ulanowicz, RE; Тейлор, WW (2003). «Выявленные отсеки в структуре пищевой сети» (PDF) . Природа . 426 (6964): 282–285. Bibcode : 2003Natur.426..282K . DOI : 10,1038 / природа02115 . ЛВП : 2027,42 / 62960 . PMID 14628050 .  
  9. ^ Guimera, R .; Stouffer, DB; Сейлз-Пардо, М .; Leicht, EA; Ньюман, MEJ; Амерал, ЛВС (2010). «Происхождение компартментализации в пищевых сетях». Экология . 91 (10): 2941–2951. DOI : 10.1890 / 09-1175.1 . ЛВП : 2027,42 / 117072 . PMID 21058554 . 
  10. ^ Нувагаба, S .; Zhang, F .; Хуэй, К. (2015). «Гибридное поведенческое правило адаптации и дрейфа объясняет возникающую архитектуру антагонистических сетей» . Труды Королевского общества B: биологические науки . 282 (1807): 20150320. DOI : 10.1098 / rspb.2015.0320 . PMC 4424652 . PMID 25925104 .  
  11. Перейти ↑ Johnson S, Domínguez-García V, Muñoz MA (2013). «Факторы, определяющие вложенность в сложных сетях» . PLOS ONE . 8 (9): e74025. Bibcode : 2013PLoSO ... 874025J . DOI : 10.1371 / journal.pone.0074025 . PMC 3777946 . PMID 24069264 .  
  12. ^ Bascompte, J .; Jordano, P .; Мелиан, CJ; Олесен, JM (2003). «Вложенная сборка мутуалистических сетей животных и растений» . Труды Национальной академии наук . 100 (16): 9383–9387. Bibcode : 2003PNAS..100.9383B . DOI : 10.1073 / pnas.1633576100 . PMC 170927 . PMID 12881488 .  
  13. ^ Чжан, Ф .; Hui, C .; Тербланш, JS (2011). «Коммутатор взаимодействия предсказывает вложенную архитектуру мутуалистических сетей». Письма об экологии . 14 (8): 797–803. DOI : 10.1111 / j.1461-0248.2011.01647.x . PMID 21707903 . 
  14. ^ Suweis, S .; Simini, F .; Банавар, Дж; Маритан, А. (2013). «Возникновение структурных и динамических свойств экологических мутуалистических сетей». Природа . 500 (7463): 449–452. arXiv : 1308.4807 . Bibcode : 2013Natur.500..449S . DOI : 10,1038 / природа12438 . PMID 23969462 . 
  15. ^ Альберт Solé-Рибалта; Клаудио Дж. Тессоне; Мануэль С. Мариани; Хавьер Борге-Холтхофе (2018). «Выявление вложенности в блоках: обнаружение и сравнительный анализ». Physical Review E . 97 (6): 062302. arXiv : 1801.05620 . DOI : 10.1103 / PhysRevE.97.062302 .
  16. ^ Левинсон, TM; Прадо, ИП; Джордано, П.Дж.; Оленсен, JM (2006). "Структура в ансамблях взаимодействия растений и животных". Ойкос . 113 (1): 174–184. DOI : 10.1111 / j.0030-1299.2006.14583.x .
  17. ^ Марко А. Р. Мелло; Габриэль М. Феликс; Рафаэль Б.П. Пинейро; Рената Л. Муйларт; Каллен Гейзельман; и другие. (2019). «Понимание правил сборки континентальной многоуровневой сети». Nat Ecol Evol (3): 1525–1532. bioRxiv 10.1101 / 452565 . DOI : 10.1038 / s41559-019-1002-3 . PMID 31611677 .  
  18. ^ Рафаэль Б. П. Пинейро; Габриэль М.Ф. Феликс; Карстен Ф. Дорманн; Марко А.Р. Мелло (2019). «Новая модель, объясняющая происхождение различных топологий в сетях взаимодействия». Экология . 100 (9): e02796. bioRxiv 10.1101 / 362871 . DOI : 10.1002 / ecy.2796 . 
  19. ^ Stouffer, DB; Салес-Пардо, Камачо; Jiang, W .; Амерал, ЛВС (2007). «Доказательства существования надежной модели выбора добычи в пищевых сетях» . Proc. R. Soc. B . 274 (1621): 1931–1940. DOI : 10.1098 / rspb.2007.0571 . PMC 2275185 . PMID 17567558 .  
  20. ^ a b Джонсон S, Домингес-Гарсия V, Донетти Л., Муньос М.А. (2014). «Трофическая согласованность определяет стабильность пищевой сети» . Proc Natl Acad Sci USA . 111 (50): 17923–17928. arXiv : 1404,7728 . Bibcode : 2014PNAS..11117923J . DOI : 10.1073 / pnas.1409077111 . PMC 4273378 . PMID 25468963 .  
  21. ^ Джонсон S и Джонс NS (2017). «Отсутствие петель в сетях связано с трофической связностью» . Proc Natl Acad Sci USA . 114 (22): 5618–5623. DOI : 10.1073 / pnas.1613786114 . PMC 5465891 . PMID 28512222 .  
  22. ^ Suweis, S., Grilli, J., Banavar, JR, Allesina, S., & Maritan, A. (2015) Влияние локализации на стабильность мутуалистических экологических сетей. «Природные коммуникации», 6
  23. ^ Диего П. Васкес, Карлос Х. Мелиан, Нил М. Уильямс, Нико Блютген, Борис Р. Краснов и Роберт Пулин . (2007) Изобилие видов и сила асимметричного взаимодействия в экологических сетях. Ойкос , 116 ; 1120-1127.
  24. ^ Suweis, С., Grilli J., & Maritan, А. (2014). Разоблачение влияния гибридных взаимодействий и гипотезы постоянного усилия на стабильность экологического сообщества. «Ойкос», 123 (5), 525-532.
  25. ^ Подошва, RV; Монтойя, Дж. М. (2001). «Сложность и хрупкость экологических сетей» . Труды Королевского общества Лондона B . 268 (1480): 2039–2045. arXiv : cond-mat / 0011196 . DOI : 10.1098 / rspb.2001.1767 . PMC 1088846 . PMID 11571051 .  
  26. ^ Данн, JA; Уильямс, Р.Дж.; Мартинес, Н. Д. (2002). «Сетевая структура и потеря биоразнообразия в пищевых сетях: надежность увеличивается с подключением». Письма об экологии . 5 (4): 558–567. DOI : 10.1046 / j.1461-0248.2002.00354.x . S2CID 2114852 . 
  27. ^ а б Окуяма, Т .; Голландия, JN (2008). «Сетевые структурные свойства опосредуют стабильность мутуалистических сообществ». Письма об экологии . 11 (3): 208–216. DOI : 10.1111 / j.1461-0248.2007.01137.x . PMID 18070101 . 
  28. ^ Джеймс, А .; Питчфорд, JW; Планк, MJ (2012). «Отделение вложенности от моделей экологической сложности». Природа . 487 (7406): 227–230. Bibcode : 2012Natur.487..227J . DOI : 10.1038 / nature11214 . PMID 22722863 . 
  29. ^ Меммот, Дж .; Васер, Нью-Мексико; Прайс, М.В. (2004). «Устойчивость сетей опыления к исчезновению видов» . Труды Королевского общества Лондона B . 271 (1557): 2605–2611. DOI : 10.1098 / rspb.2004.2909 . PMC 1691904 . PMID 15615687 .  
  30. ^ Burgos, E .; Ceva, H .; Пераццо, RPJ; Devoto, M .; Medan, D .; Zimmermann, M .; Дельбу, AM (2007). «Почему вложенность в мутуалистические сети?». Журнал теоретической биологии . 249 (2): 307–313. arXiv : q-bio / 0609005 . DOI : 10.1016 / j.jtbi.2007.07.030 . PMID 17897679 . 
  31. ^ Thébault, E .; Фойнтайн, К. (2010). «Стабильность экологических сообществ и архитектура взаимных и трофических сетей». Наука . 329 (5993): 853–856. Bibcode : 2010Sci ... 329..853T . DOI : 10.1126 / science.1188321 . PMID 20705861 . 
  32. Перейти ↑ Fontaine, C (2013). «Множество равных вложено». Природа . 500 (7463): 411–412. Bibcode : 2013Natur.500..411F . DOI : 10.1038 / 500411a . PMID 23969457 . 
  33. ^ Рычаг, JJ; Nes, EH; Scheffer, M .; Бакомпт, Дж. (2014). «Внезапный крах сообществ опылителей». Письма об экологии . 17 (3): 350–359. DOI : 10.1111 / ele.12236 . ЛВП : 10261/91808 . PMID 24386999 . 

Ссылки [ править ]

Конкретный [ править ]

  • Bascompte, J .; Jordano, P .; Мелиан, CJ; Олесен, JM (2003). «Вложенная сборка мутуалистических сетей животных и растений» . Труды Национальной академии наук . 100 (16): 9383–9387. Bibcode : 2003PNAS..100.9383B . DOI : 10.1073 / pnas.1633576100 . PMC  170927 . PMID  12881488 .
  • Burgos, E .; Ceva, H .; Пераццо, RPJ; Devoto, M .; Medan, D .; Zimmermann, M .; Дельбу, AM (2007). «Почему вложенность в мутуалистические сети?». Журнал теоретической биологии . 249 (2): 307–313. arXiv : q-bio / 0609005 . DOI : 10.1016 / j.jtbi.2007.07.030 . PMID  17897679 .
  • Dunne, JA; Уильямс, Р.Дж.; Мартинес, Н. Д. (2002). «Сетевая структура и потеря биоразнообразия в пищевых сетях: надежность увеличивается с подключением». Письма об экологии . 5 (4): 558–567. DOI : 10.1046 / j.1461-0248.2002.00354.x . S2CID  2114852 .
  • Dunne, JA; Уильямс, Р.Дж.; Мартинес, Н. Д. (2002). «Структура пищевой сети и теория сетей: роль взаимосвязи и размера» . Труды Национальной академии наук . 99 (20): 12917–12922. Bibcode : 2002PNAS ... 9912917D . DOI : 10.1073 / pnas.192407699 . PMC  130560 . PMID  12235364 .
  • Краузе, AE; Франк, KA; Мейсон, DM; Ulanowicz, RE; Тейлор, WW (2003). «Выявленные отсеки в структуре пищевой сети» (PDF) . Природа . 426 (6964): 282–285. Bibcode : 2003Natur.426..282K . DOI : 10,1038 / природа02115 . ЛВП : 2027,42 / 62960 . PMID  14628050 .
  • Меммот, Дж .; Васер, Нью-Мексико; Прайс, М.В. (2004). «Устойчивость сетей опыления к исчезновению видов» . Труды Королевского общества Лондона B . 271 (1557): 2605–2611. DOI : 10.1098 / rspb.2004.2909 . PMC  1691904 . PMID  15615687 .
  • Окуяма, Т .; Голландия, JN (2008). «Свойства сетевой структуры опосредуют стабильность мутуалистических сообществ». Письма об экологии . 11 (3): 208–216. DOI : 10.1111 / j.1461-0248.2007.01137.x . PMID  18070101 .
  • Пимм, SL (1984). «Сложность и устойчивость экосистем». Природа . 307 (5949): 321–326. Bibcode : 1984Natur.307..321P . DOI : 10.1038 / 307321a0 .
  • Реуман, округ Колумбия; Коэн, Дж. Э. (2004). «Длина и наклон трофических связей в пищевой сети озера Вторник с массой тела и численным изобилием». Журнал экологии животных . 73 (5): 852–866. DOI : 10.1111 / j.0021-8790.2004.00856.x .
  • Schmid-Araya, JM; Шмид, ЧП; Робертсон, А .; Winterbottom, J .; Gjerlov, C .; Хилдрю, AG (2002). «Связь в трофических сетях ручья». Журнал экологии животных . 71 (6): 1056–1062. DOI : 10.1046 / j.1365-2656.2002.00668.x .
  • Стоуфер, ДБ (2010). «Масштабирование от отдельных лиц к сетям в пищевых сетях». Функциональная экология . 24 : 44–51. DOI : 10.1111 / j.1365-2435.2009.01644.x .
  • Подошва, RV; Монтойя, Дж. М. (2001). «Сложность и хрупкость экологических сетей» . Труды Королевского общества Лондона B . 268 (1480): 2039–2045. arXiv : cond-mat / 0011196 . DOI : 10.1098 / rspb.2001.1767 . PMC  1088846 . PMID  11571051 .
  • Васкес, Д.П .; Мелиан, CJ; Уильямс, Нью-Мексико; Bluthgen, N .; Краснов БР; Пулин, Р. (2007). «Изобилие видов и сила асимметричного взаимодействия в экологических сетях». Ойкос . 116 (7): 1120–1127. CiteSeerX  10.1.1.567.1820 . DOI : 10.1111 / j.2007.0030-1299.15828.x .
  • Уильямс, Р.Дж.; Берлоу, Э.Л .; Dunne, JA; Барабаши, Алабама; Мартинес, Н. Д. (2002). «Две степени разделения в сложных пищевых сетях» . Труды Национальной академии наук . 99 (20): 12913–12916. Bibcode : 2002PNAS ... 9912913W . DOI : 10.1073 / pnas.192448799 . PMC  130559 . PMID  12235367 .
  • Zhang, F .; Hui, C .; Тербланш, JS (2011). «Коммутатор взаимодействия предсказывает вложенную архитектуру мутуалистических сетей». Письма об экологии . 14 (8): 797–803. DOI : 10.1111 / j.1461-0248.2011.01647.x . PMID  21707903 .
  • Suweis, S .; Simini, F .; Банавар, Дж; Маритан, А. (2013). «Возникновение структурных и динамических свойств экологических мутуалистических сетей». Природа . 500 (7463): 449–452. arXiv : 1308.4807 . Bibcode : 2013Natur.500..449S . DOI : 10,1038 / природа12438 . PMID  23969462 .
  • Рычаг, JJ; Nes, EH; Scheffer, M .; Бакомпт, Дж. (2014). «Внезапный крах сообществ опылителей». Письма об экологии . 17 (3): 350–359. DOI : 10.1111 / ele.12236 . ЛВП : 10261/91808 . PMID  24386999 .

Общие [ править ]

  • Bascompte, J (2007). «Сети в экологии». Фундаментальная и прикладная экология . 8 (6): 485–490. DOI : 10.1016 / j.baae.2007.06.003 . ЛВП : 10261/40172 .
  • Монтойя, JM; Pimm, SL; Sole, Р. В. (2006). «Экологические сети и их хрупкость». Природа . 442 (7100): 259–264. Bibcode : 2006Natur.442..259M . DOI : 10,1038 / природа04927 . PMID  16855581 .