생태계는 다양한 환경 내에 다양한 생물종이 서로 상호작용하고 있는 복잡계이다. 이들 상호작용은 계층적 먹이그물 구조를 이루고 있는데, 많은 경우, 포식자-피식자-식물의 관계를 보여준다. 포식자-피식자 경쟁관계는 시공간적으로 일어나는 현상이기 때문에, 초기시점에서의 개체들 분포와 밀도가 어떠한가는 매우 중요한 정보를 담고 있다. 본 연구에서는, 이들 세 단계 계층구조의 생태계를 간단한 격자 모델로 구성하고 이 모델을 사용하여 각 종의 초기 개체군 밀도가 변함에 따라 생태계 안정성이 어떻게 변하는지를 연구하였다. 격자공간은 $L{\times}L$ 크기의 L(=100) 사각격자로 구성되었다. 식물의 초기 밀도는 0.2로 고정하였다. 시뮬레이션 결과는, 포식자의 밀도가 0.4이하, 피식자의 밀도가 0.5이하일 때 두 종이 공존하는 것을 보여 주었으며, 포식자 밀도가 0.5이상, 피식자 밀도가 0.6 이상의 조건에서는 두 종이 멸종하는 것을 보여 주었다. 공존과 멸종의 두 상태가 접하는 영역의 조건에서는 확률적으로 공존하기도하고 멸종하기도 하는 비선형성이 강한 행동을 보여 주었다. 본 연구를 통해 초기종의 밀도가 생태계 안정성에 매우 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있었다.
생태계는 다양한 환경 내에 다양한 생물종이 서로 상호작용하고 있는 복잡계이다. 이들 상호작용은 계층적 먹이그물 구조를 이루고 있는데, 많은 경우, 포식자-피식자-식물의 관계를 보여준다. 포식자-피식자 경쟁관계는 시공간적으로 일어나는 현상이기 때문에, 초기시점에서의 개체들 분포와 밀도가 어떠한가는 매우 중요한 정보를 담고 있다. 본 연구에서는, 이들 세 단계 계층구조의 생태계를 간단한 격자 모델로 구성하고 이 모델을 사용하여 각 종의 초기 개체군 밀도가 변함에 따라 생태계 안정성이 어떻게 변하는지를 연구하였다. 격자공간은 $L{\times}L$ 크기의 L(=100) 사각격자로 구성되었다. 식물의 초기 밀도는 0.2로 고정하였다. 시뮬레이션 결과는, 포식자의 밀도가 0.4이하, 피식자의 밀도가 0.5이하일 때 두 종이 공존하는 것을 보여 주었으며, 포식자 밀도가 0.5이상, 피식자 밀도가 0.6 이상의 조건에서는 두 종이 멸종하는 것을 보여 주었다. 공존과 멸종의 두 상태가 접하는 영역의 조건에서는 확률적으로 공존하기도하고 멸종하기도 하는 비선형성이 강한 행동을 보여 주었다. 본 연구를 통해 초기종의 밀도가 생태계 안정성에 매우 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있었다.
The ecosystem is the complex system consisting of various biotic and abiotic factors and the factors interact with each other in the hierarchical predator-prey relationship. Since the competitive relation spatiotemporally occurs, the initial state of population density and species distribution are l...
The ecosystem is the complex system consisting of various biotic and abiotic factors and the factors interact with each other in the hierarchical predator-prey relationship. Since the competitive relation spatiotemporally occurs, the initial state of population density and species distribution are likely to play an important role in the stability of the ecosystem. In the present study, we constructed a lattice model to simulate the three-trophic ecosystem (predatorprey- plant) and using the model, explored how the ecosystem stability is affected by the initial density. The size of lattice space was $L{\times}L$, (L=100) with periodic boundary condition. The initial density of the plant was arbitrarily set as the value of 0.2. The simulation result showed that predator and prey coexist when the density of predator is less than or equal to 0.4 and the density of prey is less than or equal to 0.5. On the other hand, when the predator density is more than or equal to 0.5 and the density of prey is more than or equal to 0.6, both of predator and prey were extinct. In addition, we found that the strong nonlinearity in the interaction between species was observed in the border area between the coexistence and extinction in the species density space.
The ecosystem is the complex system consisting of various biotic and abiotic factors and the factors interact with each other in the hierarchical predator-prey relationship. Since the competitive relation spatiotemporally occurs, the initial state of population density and species distribution are likely to play an important role in the stability of the ecosystem. In the present study, we constructed a lattice model to simulate the three-trophic ecosystem (predatorprey- plant) and using the model, explored how the ecosystem stability is affected by the initial density. The size of lattice space was $L{\times}L$, (L=100) with periodic boundary condition. The initial density of the plant was arbitrarily set as the value of 0.2. The simulation result showed that predator and prey coexist when the density of predator is less than or equal to 0.4 and the density of prey is less than or equal to 0.5. On the other hand, when the predator density is more than or equal to 0.5 and the density of prey is more than or equal to 0.6, both of predator and prey were extinct. In addition, we found that the strong nonlinearity in the interaction between species was observed in the border area between the coexistence and extinction in the species density space.
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문제 정의
본 연구에서, 우리는 생태계 내의 초기 종 밀도가 어떠한지에 따라서 시간이 충분히 지난 후에 생태계가 어떻게 될 것인가 하는 문제를 다루었다. 기본적으로, 생태계는 먹이그물 구조로 이루어져 있다.
향후 연구 과제로써 우리는 개체각각에 인공신경망을 접목하여 환경에 따라 직접 행동을 결정할 능력을 개체에 부여하려고 한다. 이 연구를 통해 좀 더 실제 생태계를 잘 모방하는 모델을 만들고, 향후 지구온난화와 같은 환경교란에 대한 생태계 안정성 문제에도 적용하여 대처방안수립에 기여하고자 한다. 본 연구는, 이러한 잠재적 연구를 위한 토대로써의 중요한 의미가 있다고 할 수 있다.
포식자-피식자 경쟁관계는 시공간적으로 일어나는 현상이기 때문에 임의의 시점에서의 개체들 분포와 밀도가 어떤 상태에 있는가는 생태계의 안정성을 결정하는데 매우 중요한 정보를 담고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 초기 시점에서의 각 종들의 개체 밀도가 변할 때, 포식자-피식자-식물 생태계가 어떻게 되는지에 대해서 조사하였다. 이 결과는 생태계 안정성 문제와도 직결되어 있다.
제안 방법
1의 간격으로 주어졌다. 각 초기 밀도 조건에 대해서 100번 독립된 시뮬레이션을 실행하여 결과를 얻었다.
포식자 개체의의 초기 분포를 만들기 위해서 우선 포식자 밀도, D를 정한다. 그리고 격자공간상의 모든 각각의 셀에서 랜덤수를 만들고 이 수들이 D값에 비해 큰지 작은지를 비교한다. 만약 작은 경우라면 그 해당 셀에 포식자 개체를 위치시키고 큰 경우라면, 빈 공간으로 남겨둔다.
기본적으로, 생태계는 먹이그물 구조로 이루어져 있다. 따라서 우리는 포식자-피식자-식물의 세 단계 계층구조를 가지는 격자 모델을 구성하였다. 포식자와 피식자 식물은 각각 기본적인 생물학적 특성(예: 수명, 번식, 죽음 등)을 가지도록 하였다.
또한, 각 종의 개체수 변화를 Fig. 5와 같이 포식자는 빨강색, 피식자는 녹색, 식물은 파란색 선의 그래프로 표현하여, 밀도 변화에 따른 개체수 변화 패턴을 분석할 수 있도록 하였다.
아울러, 개체기반모델 관점에서 하나의 개체만 한 격자 공간에 위치 할 수 있다는 규칙은 매우 광범위하게 사용되어지는 규칙이다[16, 17]. 변형되어진 모델의 장점을 활용하여, 우리는 초기 개체군 밀도변화가 충분한 시간이 흐른 후에 생태계의 안정성이 어떻게 되는 지를 조사하였다.
본 모델은 생태계를 모사할 사각형 L×L (=100×100)의 연속되는 격자 공간을 고려하였다.
피식자와 식물의 초기 개체 분포도 마찬가지 방법을 따른다. 본 연구에서, 포식자, 피식자, 그리고 식물의 초기 밀도는 0.1에서 0.9까지 0.1의 간격으로 주어졌다. 각 초기 밀도 조건에 대해서 100번 독립된 시뮬레이션을 실행하여 결과를 얻었다.
본 연구에서는 Lee[14, 15]가 제안한 모델을 토대로 약간 변형된 모델을 구성하였다. Lee의 연구에서는, 외부환경 조건이 생태계에 미치는 영향에 대해 초점을 맞추었다.
이때의 동작을 각각 Fig. 4와 같이 포식자는 빨강색, 피식자는 흰색, 식물은 녹색, 빈곳은 검정색으로 표시하도록 하여, 실시간으로 각 종의 이동 및 번식 패턴을 분석하였다.
이론/모형
격자모형은 주기적 경계 조건(periodic boundary condition)을 사용하여 작성되었다. 주기적 경계조건은 제한된 공간의 크기로 인해 나타날 수 있는 경계효과를 최소화하기 위한 것이다[18].
초기의 랜덤한 분포는 매트랩 ver 7.5(Mathworks)에서 제공하는 “rand” 함수를 활용하였다.
성능/효과
이는, 종 들이 서로 공존하는 상태로써의 생태계 안정성을 이루기 위해서는 초기에 종간 밀도가 적절하게 균형을 이루어야 함을 간접적으로 보여주는 것이다. 또한 포식자의 초기 밀도가 0.3 이상, 그리고 피식자의 초기 밀도가 0.3이상인 경우 안정화(공존상태)가 이루어지지만, 흥미롭게도, 초기에 포식자의 밀도가 급격히 올라갔다가 줄어드는 시스템 행동을 보여 주었다. 이것은 아마도 강한 비선형성으로 인해 나타나는 것으로 보인다.
본 시뮬레이션 연구를 통해, 종의 초기 밀도가 생태계의 먹이사슬 안정화에 매우 중요하게 작용한다는 것을 보여주었다.
시뮬레이션 결과는 피식자가 많고 포식자가 적은 경우 식물의 급격한 감소로 인해 피식자 감소와 포식자 멸종의 형태가 나타남을 보여 주었다. 반대로, 포식자가 많고 피식자가 적은 경우 피식자의 멸종으로 포식자 또한 멸종되는 형태가 나타났다.
후속연구
여기서 몇 가지 경향을 볼 수 있는데, 첫번째는 처음부터 적당한 개체밀도를 유지하며 안정화가 되는 경우다. 본 연구와 비슷한 연구나 확장된 연구를 할 경우 이러한 구간을 사용하면 유용할 것이다.
이러한 간단한 규칙의 도입으로 포식자-피식자 간의 먹이경쟁 및 도피 경쟁 전략 등을 연구해 볼 수 있다. 향후 연구 과제로써 우리는 개체각각에 인공신경망을 접목하여 환경에 따라 직접 행동을 결정할 능력을 개체에 부여하려고 한다. 이 연구를 통해 좀 더 실제 생태계를 잘 모방하는 모델을 만들고, 향후 지구온난화와 같은 환경교란에 대한 생태계 안정성 문제에도 적용하여 대처방안수립에 기여하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
생태계란?
생태계는 다양한 환경 내에 다양한 생물종이 서로 상호작용하고 있는 복잡계이다. 이들 상호작용은 계층적 먹이그물 구조를 이루고 있는데, 많은 경우, 포식자-피식자-식물의 관계를 보여준다.
계층적 먹이그물 구조는 많은 경우 어떤 관계를 보여주는가?
생태계는 다양한 환경 내에 다양한 생물종이 서로 상호작용하고 있는 복잡계이다. 이들 상호작용은 계층적 먹이그물 구조를 이루고 있는데, 많은 경우, 포식자-피식자-식물의 관계를 보여준다. 포식자-피식자 경쟁관계는 시공간적으로 일어나는 현상이기 때문에, 초기시점에서의 개체들 분포와 밀도가 어떠한가는 매우 중요한 정보를 담고 있다.
다양한 생물종의 상호작용은 어떤 구조를 이루고 있는가?
생태계는 다양한 환경 내에 다양한 생물종이 서로 상호작용하고 있는 복잡계이다. 이들 상호작용은 계층적 먹이그물 구조를 이루고 있는데, 많은 경우, 포식자-피식자-식물의 관계를 보여준다. 포식자-피식자 경쟁관계는 시공간적으로 일어나는 현상이기 때문에, 초기시점에서의 개체들 분포와 밀도가 어떠한가는 매우 중요한 정보를 담고 있다.
참고문헌 (18)
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