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2022-05-07
英文标题:
《Diversity waves in collapse-driven population dynamics》
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作者:
Sergei Maslov and Kim Sneppen
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最新提交年份:
2015
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英文摘要:
  Populations of species in ecosystems are often constrained by availability of resources within their environment. In effect this means that a growth of one population, needs to be balanced by comparable reduction in populations of others. In neutral models of biodiversity all populations are assumed to change incrementally due to stochastic births and deaths of individuals. Here we propose and model another redistribution mechanism driven by abrupt and severe collapses of the entire population of a single species freeing up resources for the remaining ones. This mechanism may be relevant e.g. for communities of bacteria, with strain-specific collapses caused e.g. by invading bacteriophages, or for other ecosystems where infectious diseases play an important role.   The emergent dynamics of our system is cyclic \"diversity waves\" triggered by collapses of globally dominating populations. The population diversity peaks at the beginning of each wave and exponentially decreases afterwards. Species abundances are characterized by a bimodal time-aggregated distribution with the lower peak formed by populations of recently collapsed or newly introduced species, while the upper peak - species that has not yet collapsed in the current wave. In most waves both upper and lower peaks are composed of several smaller peaks. This self-organized hierarchical peak structure has a long-term memory transmitted across several waves. It gives rise to a scale-free tail of the time-aggregated population distribution with a universal exponent of 1.7. We show that diversity wave dynamics is robust with respect to variations in the rules of our model such as diffusion between multiple environments, species-specific growth and extinction rates, and bet-hedging strategies.
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中文摘要:
生态系统中的物种数量往往受到其环境中资源可用性的限制。实际上,这意味着一个人口的增长需要通过其他人口的相应减少来平衡。在生物多样性的中性模型中,假设由于个体的随机出生和死亡,所有种群都会发生增量变化。在这里,我们提出并模拟了另一种再分配机制,这种机制是由单个物种的整个种群的突然和严重崩溃所驱动的,为剩余物种释放资源。这一机制可能与细菌群落有关,例如由噬菌体入侵引起的菌株特异性崩塌,或与传染病起重要作用的其他生态系统有关。我们系统的涌现动力学是由全球主导种群崩溃引发的周期性“多样性波”。种群多样性在每波开始时达到峰值,之后呈指数下降。物种丰度以双峰时间聚集分布为特征,较低的峰值由最近崩溃或新引入物种的种群形成,而较高的峰值——在当前波中尚未崩溃的物种。在大多数波浪中,上下波峰都由几个较小的波峰组成。这种自组织的层次峰结构具有跨多个波传输的长期记忆。它产生了一个无标度的时间聚集人口分布尾部,其普适指数为1.7。我们表明,多样性波动力学对于我们模型规则的变化是稳健的,例如多个环境之间的扩散、物种特有的增长和灭绝率,以及赌注对冲策略。
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分类信息:

一级分类:Quantitative Biology        数量生物学
二级分类:Populations and Evolution        种群与进化
分类描述:Population dynamics, spatio-temporal and epidemiological models, dynamic speciation, co-evolution, biodiversity, foodwebs, aging; molecular evolution and phylogeny; directed evolution; origin of life
种群动力学;时空和流行病学模型;动态物种形成;协同进化;生物多样性;食物网;老龄化;分子进化和系统发育;定向进化;生命起源
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一级分类:Physics        物理学
二级分类:Adaptation and Self-Organizing Systems        自适应和自组织系统
分类描述:Adaptation, self-organizing systems, statistical physics, fluctuating systems, stochastic processes, interacting particle systems, machine learning
自适应,自组织系统,统计物理,波动系统,随机过程,相互作用粒子系统,机器学习
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一级分类:Physics        物理学
二级分类:Physics and Society        物理学与社会
分类描述:Structure, dynamics and collective behavior of societies and groups (human or otherwise). Quantitative analysis of social networks and other complex networks. Physics and engineering of infrastructure and systems of broad societal impact (e.g., energy grids, transportation networks).
社会和团体(人类或其他)的结构、动态和集体行为。社会网络和其他复杂网络的定量分析。具有广泛社会影响的基础设施和系统(如能源网、运输网络)的物理和工程。
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一级分类:Quantitative Finance        数量金融学
二级分类:Economics        经济学
分类描述:q-fin.EC is an alias for econ.GN. Economics, including micro and macro economics, international economics, theory of the firm, labor economics, and other economic topics outside finance
q-fin.ec是econ.gn的别名。经济学,包括微观和宏观经济学、国际经济学、企业理论、劳动经济学和其他金融以外的经济专题
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一级分类:Quantitative Finance        数量金融学
二级分类:General Finance        一般财务
分类描述:Development of general quantitative methodologies with applications in finance
通用定量方法的发展及其在金融中的应用
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2022-5-7 18:59:02
崩溃驱动种群动态中的多样性波Sergei Maslov1,2,3,*Kim Sneppen4,伊利诺伊大学生物工程系,伊利诺伊州厄本那-香槟,伊利诺伊州61801,伊利诺伊大学厄本那-香槟,伊利诺伊州61801,伊利诺伊大学厄本那-香槟,伊利诺伊州61801,布鲁克海文国家实验室,布鲁克海文国家实验室,哥本哈根大学尼尔斯-玻尔研究所,美国生命模型中心,纽约州厄普顿,11973,2100丹麦哥本哈根*ssmaslov@gmail.com,+ksneppen@gmail.com(日期:2018年9月14日)生态系统中的物种数量通常受到环境中资源可用性的限制。实际上,这意味着一个人口的增长需要通过其他人口的可比减少来平衡。在生物多样性的中性模型中,由于个体的随机出生和死亡,所有种群都会发生增量变化。在这里,我们提出并模拟了另一种再分配机制,这种机制是由单个物种的整个种群突然而严重的崩溃所驱动的,为剩下的物种释放资源。这种机制可能与细菌群落、噬菌体入侵引起的特定菌株崩溃或其他传染病起重要作用的生态系统有关。我们系统的涌现动力是由全球主导种群崩溃引发的周期性“多样性波”。种群多样性在每波开始时达到峰值,之后显著降低。物种丰度以双峰时间聚集分布为特征,较低的峰值由最近崩溃或新引入的物种种群形成,而较高的峰值则是在当前浪潮中尚未崩溃的物种。在大多数情况下,上下峰都由几个较小的峰组成。
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2022-5-7 18:59:06
这种自组织的层次峰结构具有跨多个波传输的长期记忆。它产生了一个无标度的时间聚集人口分布尾部,其普遍经验为1.7。我们表明,多样性波动动力学与我们模型规则的变化有关,如多种环境之间的扩散、物种特有的生长和灭绝率,以及BET对冲策略。作者Sum Maryth无限指数增长率传统上分别用于量化生物和经济环境中物种的数量或组织的成功。然而,即使是适度的人口增长也会使任何环境迅速饱和。存活人口之间随后的资源再分配被认为是由个体随机出生和死亡导致的增量变化驱动的。在这里,我们提出并模拟了另一种再分配机制,这种机制是由整个人口的突然和严重崩溃所驱动的,为其他人口的增长释放了资源。这类动力学的涌现特性是周期性的“多样性波”,每一个都是由全球主导种群的崩溃触发的。在当前的浪潮中,物种的逐渐灭绝导致了最丰富物种种群的无标度聚集分布。我们的研究有助于揭示微生物群落的种群动态,这些微生物群落的局部崩溃是由入侵的噬菌体引起的。它还提供了一个简单的动态描述,描述了在银行破产率较高的经济领域竞争的公司的市场份额。引言生物学和经济学或金融领域许多过程的数学描述假设长期指数增长[1,2],但现实生活中没有任何环境允许增长永远持续[3,4]。
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2022-5-7 18:59:10
在生物学中,任何不断增长的种群最终都会饱和其环境的承载能力,例如,由营养物质的可利用性决定的承载能力。对于新客户和/或自然资源有限的经济体来说也是如此,它们不可避免地会限制公司的增长。饱和环境中的种群动态通常由中性“群落漂移”模型[5,6]来描述,有时还增加了资源利用效率的决定性差异[7]。在这里,我们介绍并模拟了暴露于偶发性随机崩塌的种群的饱和状态动力学。所有物种都被假定共享相同的环境,这最终会限制它们的指数增长。这类系统的例子包括单个或多个生物物种的当地种群竞争同一种营养素,公司竞争在有限的客户群中增加其市场份额,具体的案例研究可以从微生物生态学中得出,在微生物生态学中,易感细菌通过暴露于噬菌体(参见[8,9]和其中的参考文献)或古生物学记录而常规地被分离,在古生物学记录中,整个分类目可以通过以与目大小无关的速度发生的突然灭绝而消灭[10]。生长限制环境中单一指数复制物种的模型种群增长P(t)传统上由Ver hulst[4]或逻辑方程Dp/dt=Ohm · P·(1)- P/Ptot),其中在不丧失通用性的情况下,环境的承载能力Ptot可设置为1。在本文中,我们考虑了多个种群争夺单一限制资源的集体动力学:o局部种群受到偶发性随机崩溃或收缩的影响。灭绝的概率被认为与种群规模无关。
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2022-5-7 18:59:13
在每一次资源崩溃之后,剩余的所有人口都会迅速呈指数增长。一旦全球人口PJPJ超过承载能力的capa城市Ptot=1,增长就会停止从相同的小种群数量开始,定期为环境重新播种新物种<< 1(以环境承载能力为单位)。我们最初假设所有物种的生长速率和崩溃概率是相等的。在随后的崩塌期间,我们也忽略了个体种群规模的中性漂移[5]。所有这些假设将在本文后面进行放松、模拟和讨论(见补充材料S1文本、S1-S7图)。处于模型稳定状态的物种数量取决于新物种引入的恒定速率与环境中物种灭绝的总体速率之间的竞争,这与物种数量成正比。为了简化我们的模型,我们将考虑一个与模型密切相关的变量,其中物种N的数量严格保持不变。在这种情况下,每次灭绝事件之后都会立即引入一种全新的spe。我们已经验证了我们模型的两个版本具有非常相似的稳态特性。固定N模型的动力学由dpi/dt=Ohm · π·(1)-XjPj)- ηi(t)·Pi,(1)其中ηi(t)是生存种群等于零的随机变量,对于正在灭绝/崩溃的种群具有很大的正值。为了加快我们的模拟速度,我们不需要继续计算公式(1),因为在大多数情况下,当当地人口不变时,环境的承载能力是饱和的。相反,我们在以灭绝事件为标志的离散时间步模拟模型。
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2022-5-7 18:59:16
在每一个时间步,一个随机选择的当地种群都会出现,一个全新的种群会出现<< 1是对环境的补充。然后,通过将所有人口乘以相同的因子,我们立即使系统达到其承载能力。结果尽管我们的模型简单地描述了生态系统,忽略了物种之间的成对相互作用,但它具有丰富的种群动态。图1A显示了N=20个物种和γ=10的系统中种群的时间进程-4.在某些时候,汽车会转动b)A)图1。人口动态。模拟模型的物种数为20种,γ数为10种-4.(A)所有物种种群的时间进程。颜色表示种群大小(见右边的颜色刻度),主要物种以红色水平带可见。注意:五种多样性波以紫色虚线结束。主要物种#5、15、6、19、16的灭绝离子也相应地加剧了这些波之间的转换。(B) 物种的时间进程#6,具有对数y轴。注意由当地物种灭绝推动的间歇性指数增长模式。环境容量几乎被一个具有Pmax的优势物种所耗尽 1在图1A中显示为深色r EDR条纹。当这种优势物种消失时,大部分资源突然变得可用,因此所有其他种群以1/(1)的大比例增加- Pmax)。这标志着一种多样性浪潮的结束和另一种多样性浪潮的开始,这种多样性浪潮最初由大量具有相似种群规模的物种主导。在这一波新浪潮中,这些物种被一个接一个地随机灭绝,直到只剩下一个优势物种。它的崩溃结束了潮流,开始了新的浪潮。
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