매년 작은 흰 새들의 무리가 그린란드에서 남극 대륙으로 돌아온 후 44,000 마일 이상을 날아가는 힘든 지그재그 여행을 시작합니다. 그 생애에,이 북극 제비는 각각 달로 3-4 회 이상의 여행에 해당하는 거리를 덮습니다. 한편, 북아메리카 산악 지역의 숲의 가장자리에 사는 어스키 그 라우스는 번식지와 일반 서식지 사이에서 1 마일의 일부를 여행합니다. 조류 종의 대다수는 전혀 이주하지 않습니다.
오늘날의 자연 생태학 및 진화 문제에 발표 된 연구에 따르면 , 이동 패턴과 전 세계의 조류 종의 분포의 야생 차이는 경쟁 환경 내에서 최적의 에너지 균형을 유지하려는 종의 노력을 반영합니다. 이 연구는 에너지 공급과 수요가 생물 다양성의 글로벌 구조를 형성하는 생태 학적 원칙이라는 강력한 주장을한다. 또한 환경 과학자와 생태 학자들이 인간 활동이 그 구조를 빠르게 변화시키는 방법을 예측하는 데 사용할 수있는 강력한 도구를 제시합니다.
자연 실험
1807 년 자연 주의자이자 탐험가 알렉산더 폰 훔볼트 (Alexander von Humboldt)는 다음과 같이 썼다. 그는 식물과 동물 종의 다양성 (조류 포함)의 다양성이 극에서 적도로 증가하는 경향이 있다는 점에 주목 한 생물 학자의 첫 번째 라인 중 하나였습니다. 그러나 그 이후 2 세기가 넘는 관찰에도 불구하고,이 잘 인식 된 패턴을 담당하는 메커니즘은 계속해서 과학자들을 피해 왔습니다.
가설이 많이 있습니다. 열대 지방이 수천 년 동안 더 큰 진화론 적 안정성을 즐겼 기 때문에 더 많은 종들이 그곳에 축적 할 시간이 있었고, 극에 가까운 역사적 빙하는 지역 종을 더 자주 멸종 시켰다고 주장했다. 다른 사람들은 적도 근처의 따뜻한 온도가 더 많은 생태 학적 틈새 시장이 등장함으로써 더 큰 종 다각화를 장려한다고 주장합니다.
그러나 한 아이디어를 전 세계적으로 다른 아이디어에 대해 검증하는 것은 엄청나게 어려웠습니다. 연구원들은 직접적인 실험을 특정 종이나 지역에 제한하거나 결정적인 원인을 지적하지 않고 광범위한 상관 증거를 찾아야했습니다.
.자연 생태 및 진화의 새로운 기계 모델 종이는 그것을 바꾸는 데 큰 발걸음을 내딛습니다. 그리고 그렇게함으로써, 그것은 환경에서 이용할 수있는 것과 많은 유기체가 소비해야 할 에너지가 지구 전체의 생물 다양성의 고르지 않은 분포를 결정하는 중요한 요소라는 가설을 크게 강화합니다.
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연구원들은“이 시스템을 모델링하여 백년 동안 이루어 졌던 아이디어를 이해하기 위해이 시스템을 모델링 할 수있는 방법을 알아 냈습니다. "그리고 그것은 여전히 실행하기 위해 많은 계산을 포함하더라도"그리고 그것은 합리적으로 간단한 모델입니다. " "정말 멋지다."
Max Planck-Yale Movement for New Haven의 박사후 연구원 인 Marius Somveille에 따르면 조류 마이그레이션은 조류가 변화하는 계절에 따라 글로벌 분포를 조정하기 때문에 에너지 아이디어를 테스트하기위한 완벽한“자연 실험”을 제공했습니다. 에너지 고려 사항이 종의 분포를 유발한다면, 조류가 마이그레이션함에 따라 매년 해당 에너지 기반 규칙의 영향이 전개되어야합니다.
가상 세계 구축
그것은 Somveille과 그의 동료들이 이주를 모델링했을 때 일어난 일입니다. 그들은 이전에 지구의 10,000 조류 종의 전 세계 분포와 계절적 이동 패턴에 대한 경험적 데이터를 수집했습니다. 예를 들어 종이 특히 풍부하거나 희박한 종, 겨울이나 여름에 주어진 지역에서 얼마나 많은 종이 왔는지
.이러한 패턴의 기초가되는“왜”를 이해하려면, 연구원들은 기계적인 모델이 필요했습니다. 새로운 연구에서 그들은 대륙, 계절 및 온도 및 에너지 가용성의 변화 (위성 이미징에서 측정 또는 추론)와 함께 단순화 된 지구 버전과 비슷한 가상 세계를 만들었습니다. 그런 다음 추가 추가를 유지하기에 충분한 자원이 없을 때까지 가상 종을이 세상에 하나씩 추가했습니다. 이러한 종은 실제 조류 데이터의 평균을 기반으로 체중, 범위 크기 및 생태 학적 프로파일로 동일했습니다.
통치 원칙은이 가상 세계에서 각 종이 가장 에너지 효율적인 방식으로 작동 할 것이며, 그렇게하면 에너지 예산을 더욱 최적화 할 수있는 수단이된다면 마이그레이션 할 것이라는 것이 었습니다. 각 가상 종이 추가되었을 때, 그것은 백만 개가 넘는 임의의 시나리오를 이용할 수있었습니다. 예를 들어, 브라질에서 겨울과 미국의 여름, 브라질의 여름, 미국의 겨울, 또는 브라질의 1 년 내내, 미국의 1 년 내내, 많은 지역과 전 세계 주변의 잠재적인가 도로를 보낼 수 있습니다.
.이 모델은 각각의 새로운 종 - 다른 경쟁 가상 종의 위치를 고려하면서 신진 대사, 재생산, 열 조절 및 마이그레이션과 관련된 4 가지 에너지 비용을 최소화하면서 가장 많은 에너지를 얻을 수있는 시나리오를 선택할 것이라고 지시했습니다.
.이러한 간단한 규칙에 따라 연구원들은 시뮬레이션을 운영했습니다. 예상 한 바와 같이, 추가 될 최초의 가상 종은 일년 내내 열대 지방에 머물렀다. 결국, 자원은 많았고 새들은 따뜻하게 유지하기 위해 에너지를 소비 할 필요가 없었다. 그러나 점점 더 많은 종들이 싸움에 합류함에 따라 열대에 거주하는 것은 이상적인 전략이되지 않았습니다. 대신, 일부는 다른 곳으로 이사하거나 계절적으로 경쟁을 줄이기 위해 이주했습니다.
결국, 가상 세계는 이러한 종으로 가득 차있었습니다. 가상 종의 최종 분포는 오늘날 실제 조류의 분포에 대한 과학자들의 경험적 데이터와 매우 유사했습니다. 이 모델은 높은 수준의 정확도로 철새 행동을 예측할 수 있었고, 같은 수의 종이 왔다가 갔던 영역을 강조 할 수있었습니다. 자연의 현상은 특이한 것처럼 보이지만 (순 변화가 없다면 종을 유지할 것으로 예상 할 것입니다).
과학자들은 또한 종을 체계적으로 추가하는 과정이 조류의 실제 진화 역사를 반영하지 않았다고 지적했다. 계절적 분포 패턴을 생성하는이 단계별 방법은 자연에서 볼 수있는 것과 가까운 무언가를 생성했다는 사실은 에너지 요인이 너무 영향력이있어서 조류의 역사가 다르게 펼쳐졌어도 관찰 된 분포 패턴이 아마도 나타날 것임을 암시합니다.
또 다른 놀라움은 가상 종이 신진 대사, 재생산, 열 조절 및 마이그레이션에 투자 한 에너지의 양을 살펴 보았습니다. 시뮬레이션 내에서, 이러한 값은 모두 종에 대한 최적의 솔루션으로 자발적으로 나타났습니다. 그러나 과학 문헌과의 비교에 따르면 자연의 활동에 대한 관찰 된 평균 값에도 매우 가깝다는 것이 밝혀졌습니다.
프랑스 몽펠리에 대학 (University of Montpellier)의 연구원 인 아나 로드리게스 (Ana Rodrigues)는“소수의 매개 변수를 가진이 간단한 가상 세계는 프랑스 몽펠리에 대학교의 연구원 인 아나 로드리게스 (Ana Rodrigues)는 말했다. "그것은 활기찬 규칙이 실제 조류가 왜 자신이하는 일을하는지 설명하는 강력한 지원을 제공합니다."
.이 연구에 참여하지 않은 옥스포드 대학의 진화 생물 학자 소냐 클레그 (Sonya Clegg)는 동의했다. 그녀는 가상 종이 상호 교환하기보다는 실제 조류들 사이에서 보이는 특성의 변화를 더 잘 반영했다면, 모델은 현실 세계에서 볼 수있는 세부 사항을 더 많이 포착 할 수 있다고 말했다.
.Somveille은“그러나 그것은 또한 그것의 아름다움이기도합니다. “평균 조류의 에너지 균형을 최적화하면 전 세계에서 무슨 일이 일어나고 있는지 이미 설명 할 수 있습니다. 이러한 글로벌 패턴이 등장하게하는 이유를 알기 위해 종의 개별 차이가 필요하지 않습니다.”
북극 제비 및 어스키 그라 우즈와 같은 마이그레이션 시스템의 변화는이 작업의 맥락에서 훨씬 더 의미가 생기기 시작합니다. Farnsworth는“인간의 관점에서 볼 때 때때로 새들이 양식을 수천 킬로미터를 여행하는 것은 합리적이지 않은 것 같습니다. “그러나 즉시 명백하지 않더라도 더 큰 규모의 엄청난 세금 여행이 에너지 적으로 유리하다는 것이 밝혀졌습니다.
이 팀의 연구 결과는 가상 조류의 에너지 균형을 덜 최적으로 만들었다면, 즉 조류가 에너지 획득 만 극대화하거나 에너지 소비를 최소화하거나 한 번에 두 가지를 수행하지 않고 임의의 조합을 수행 한 경우 자연 패턴과 일치하지 않았다는 발견에 의해 더욱 강화되었습니다.
.과거와 미래로 살펴보십시오
단순화 된 가정을 기반으로 한 모든 모델과 마찬가지로,이 실험의 모델에는 한계가있었습니다. 연구원들은“완전한”가상 세계에는 실제 세계보다 조류 종 수가 적으며 특정 유형의 지역, 특히 안데스 인이나 히말라야와 같은 산악 지역에서는 패턴이 정확하지 않았다고 지적했다. 그들은 아마도 그런 종류의 설정에서 지형 또는 종과 같은 요소가 발생하는 변형에서 더 정의적인 역할을 할 수 있기 때문일 것입니다.
.일반적으로 전 세계적으로 에너지 효율만으로는 종의 분포를 설명하기에 충분하지만 특정 장소 나 하위 그룹에서 줌을 섭취하면 다른 과정이 지역 수준에 훨씬 더 영향력이 있음을 보여줄 수 있습니다.
.물론, 모델은 진화가 선택에 활발한 효율적인 조류를 선호한다고 제안하지만, 전 세계적으로 또는 지역적으로 최적의 솔루션에 어떻게 도달했는지에 대한 세부 사항을 제공하지 않습니다.
.그 경고를 제외하고, 연구원들은 모델을 사용하여 과거와 미래에 대한 새로운 통찰력을 얻기를 원합니다. 기후 변화에서 농업 시스템과 도시의 도입에 이르기까지 인간 활동은 지구에 큰 영향을 미칩니다. 과학자들은 이미 마이그레이션 패턴의 변화의 징후를 보았습니다. 예를 들어 유럽에서는 흰색 황새가 날씨가 더 이상 추워지지 않아서 식량에 대한 인간의 쓰레기에 일년 내내 접근 할 수 있기 때문에 겨울 동안 마이그레이션을 중단했습니다.
.Somveille은 새로운 마이그레이션 모델을 통해 다음에 일어날 수있는 일을 예측하기 위해 기본 에너지 또는 온도 맵을 업데이트 할 수 있다고 말합니다. 그는 빙하기 및 기타 기간 동안 어떤 패턴이 어떻게 생겼는지 평가함으로써 글로벌 마이그레이션 시스템의 역사를 재구성하기 위해 유사한 일을 할 계획입니다.
.이 작품은 조류 만 적용 할 필요가 없습니다. 해양 포유류, 생선, 곤충 및 기타 유형의 동물도 미래의 연구를위한 공정한 게임입니다. Rodrigues는“움직일 수있는 모든 것은 어느 정도의 이주가 있습니다. "우리는 계절성에 대한 반응, 나타나고 사라지는 자원의 잉여에 대한 반응과 같은 원칙을 생각합니다.이 유기체는 그들이하는 방식을 움직이거나 움직이지 않도록합니다." 그녀는 더 넓은 범위의 동물을 위해 추적 데이터가 수집 될 때 모델이 그들에게 효과가 있는지 확인할 수 있기를 희망한다고 말했다.
.Somveille은 또한 모델을 스케일 다운하여 종 내 개인의 재분배를 설명 할 수 있는지 여부를 결정합니다. 그것은 보존을 돕기 위해 예측을하는 데 훨씬 더 유익 할 것입니다. "현재 우리의 이해는 세계적인 것입니다."라고 그는 말했습니다. "그러나 글로벌 패턴을 기반으로 특정 보존 조치를 설계하기는 어렵습니다."
그러나 Somveille과 그의 팀이 개발 한 글로벌 모델은 생물 다양성 추세를 이해하는 데 에너지를위한 확고한 자리를 차지했습니다. Farnsworth는“생물학에 관해서는 종종 시스템의 대부분의 변형을 포착하는 시스템의 일부 정의 기능이 있으며, 이는 발생하는 퍼즐의 일부 기본 부분이 있습니다. "여기서 우리는 그것이 에너지 효율이라는 것을 확인했습니다."
