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期刊: ArXiv Preprint
发布日期: 2026-03-18
Theoretical EcologyMathematical Biology

可变食性范围模型中向泛化主义的缓慢演化

Department of Mathematical Sciences, University of Bath, Claverton Down, Bath, BA2 7AY, United Kingdom

Elliot M. Butterworth, Tim Rogers
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IN SHORT: 通过证明是种群统计噪声（而非确定性动力学）驱动了模式形成和泛化食性的演化，解决了间接竞争下物种形成的悖论。

核心创新

  • Methodology Develops a continuous-space resource-consumer model with explicit resource dynamics and evolvable dietary range, extending beyond fixed-preference Lotka-Volterra frameworks.
  • Theory Demonstrates that deterministic analysis predicts homogeneous steady states (no species), but stochastic simulations with demographic noise induce persistent pattern formation interpreted as species.
  • Methodology Uses Fourier analysis of linearized dynamics to predict the dominant perturbation modes (e.g., number of species) from the power spectrum, linking analytical predictions to simulation outcomes.

主要结论

  • 对于固定食性范围（w=0.2），傅里叶分析预测在 kL/2π=5 处存在主导模式，这对应于在随机模拟中观察到的5个等间距物种的形成（图2，3A）。
  • 在可演化食性范围模型中，动力学发生在两个时间尺度上：快速协同演化到准稳态流形，随后缓慢弛豫向均匀态。种群统计噪声阻止了这种弛豫，维持了模式。
  • 泛化食性（宽w）在长时间尺度上随机演化，因为与由相同资源生产率支持的、种群规模较小的专化集群相比，它们更不易受到灭绝风险的影响。
研究空白： 具有间接竞争（通过共享资源）的经典资源-消费者模型产生正定竞争核，这在分析上排除了物种形成的可能性。这在理论（预测均匀性）与生态位分化和专化/泛化策略的经验观察之间造成了差距。

摘要: 共享栖息地的物种会协同演化以利用可用资源，因为消费受到消费者与资源之间竞争和负反馈回路的调节。给定物种的食性范围决定了其可获取的资源，从而决定了与之竞争的其他物种。狭窄的食性范围以过度依赖少量资源为代价避免竞争；相反，广泛的食性范围提供了更多替代选择，但也增加了与其他物种竞争的机会。在此，我们研究了生态位形成数学模型中食性范围的演化。我们发现了高度路径依赖的协同演化动力学，其特征是长寿命的准稳态。最终，随机效应驱动了泛化食性的演化，正如我们在分析和模拟中所揭示的。