Zaplątani w sieci (mutualistycznej)

• Authors: Krystyna Jędrzejewska-Szmek , Marcin Zych

Title variants

Entangled in a web (of mutualistic interactions).

• Languages of publication: PL EN

Abstracts

PL

Sieć to zbiór elementów określanych jako węzły, między którymi istnieją jakiegoś typu powiązania. W ekologii podejście "sieciowe" jest wykorzystywane w badaniach łańcuchów pokarmowych, epidemiologii, ekologii wysp oraz studiach interakcji mutualistycznych. Jak ostatnio dowiedziono, zwłaszcza sieci łączące rośliny i zapylające je zwierzęta pełnią ważną rolę w generowaniu i podtrzymywaniu różnorodności biologicznej ekosystemów lądowych, uważa się je nawet za "fundament bioróżnorodności". Zwykle łączą one dziesiątki, a nawet setki gatunków, tworzących skomplikowane układy wzajemnie korzystnych powiązań. Dogłębne zrozumienie takich skomplikowanych układów, w których uczestniczą liczne gatunki zawsze stanowiło metodologiczne wyzwanie w ekologii. Nowe narzędzia matematyczne pozwalają charakteryzować pewne cechy sieci (zagnieżdżenie, rozkład siły węzłów etc.) oraz ich strukturę (poprzez wyznaczanie węzłów/gatunków pełniących rolę strukturalną w badanych ekosystemach), która charakteryzuje się wysoką heterogennością i asymetrią. Jak wskazują dane empiryczne większość gatunków budujących sieć jest słabo połączona, natomiast niektóre węzły tworzą znacznie więcej połączeń niż wynikałoby to z losowego ich rozkładu. Taka asymetria odróżnia sieci mutualistyczne od losowych, które są wysoce jednorodne. Powtarzalność struktury sieci w wielu różnych rodzajach odziaływań mutualistycznych sugeruje istnienie powszechnego mechanizmu tworzenia, rozwoju i trwałości różnych typów sieci. W szczególności zagnieżdżenie (nestedness), jako miara asymetrii systemu, wydaje się pełnić kluczową rolę w funkcjonowaniu realnie istniejących sieci. Jest to dobrze widoczne, kiedy sieć jest przedstawiona w postaci macierzy przyległości lub diagramu, w którym węzły uszeregowane są według spadającego stopnia węzła. Odkrywane ostatnio właściwości złożonych systemów pokazują, że warto eksplorować tę dziedzinę ekologii, ponieważ wzorce formowania się i struktury sieci mogą ułatwić zrozumienie procesów koewolucyjnych oraz znalezienie skutecznych sposobów ochrony różnorodności biologicznej, m.in. poprzez wskazywanie "zwornikowych" elementów ekosystemów determinujących ich trwanie i stabilność.

EN

A network is a set of elements called nodes, linked by a particular kind of interaction. In ecology the network approach is most useful for studies of food webs, epidemiology, spatial connections and mutualistic interactions. As recently demonstrated, especially plant-pollinator interactions play a crucial role in generating and sustaining biodiversity of terrestrial ecosystems. They are even regarded as "architecture of biodiversity". Usually they connect dozens or even hundreds of species, forming complex networks of reciprocally beneficial interactions. A comprehensive study of complex interactions, involving many species that form networks of various connections, has always been a difficulty in ecology. New mathematical tools allow to analyze the network properties (nestedness, node degree distribution etc.) and structure (via designation of species playing structural roles in the studied ecosystem), which is highly heterogeneous and asymmetric: most of the species are rather weakly connected, while some of taxa develop much more connections or much stronger relationships that expected by chance. Asymmetry distinguishes mutualistic networks from the random ones, which are highly homogenous. The repeatability of structural traits over different types of mutualism suggests that there is a common mechanism of the formation and development of various networks or system persistence. In particular nestedness, which is an expression of the network asymmetry, seems to play a crucial role in the functioning of real-world networks. It can be observed when the web is depicted as an adjacency matrix or a diagram, where the nodes are organised according to descending node degree. The recent discovery of the properties of complex networks mark out the necessity of new studies to be done, for the observed patterns have a crucial significance in the comprehensive understanding of the process of co-evolution and finding solutions for efficient biodiversity protection as this theoretical approach can be applied to indicate "keystone" species which determine stability of the systems in question.

• Journal: Kosmos
• Year: 2012
• Volume: 61
• Issue: 3
• Pages: 517-527

Dates

published

2012

Contributors

author

Krystyna Jędrzejewska-Szmek

• Ogród Botaniczny, Uniwersytetu Warszawskiego, Aleje Ujazdowskie 4, 00-478 Warszawa, Polska

author

Marcin Zych

• Ogród Botaniczny, Uniwersytetu Warszawskiego, Aleje Ujazdowskie 4, 00-478 Warszawa, Polska

References

• Atmar W., Patterson B. D., 1993. The measure of order and disorder in the distribution of species in fragmented habitats. Oecologia 96, 373-382.
• Batagelj V., Mrvar A., 2003. Pajek - analysis and visualization of large networks. [W:] Graph drawing software. Jünger M., Mutzel P. (red.). Springer, Berlin, 77-103.
• Bascompte J, 2007. Networks in ecology. Basic App. Ecol. 8, 485-490.
• Bascompte J., Jordano P., 2007. The structure of plant-animal mutualistic networks: the architecture of biodiversity. Annu. Rev. Ecol. Evol. Syst. 38, 567-593.
• Bascompte J., Jordano P., Melian C. J., Olesen J. M., 2003. The nested assembly of plant-animal mutualistic networks. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 9383-9387.
• Bascompte J., Jordano P., Olesen J. M., 2006. Asymmetric coevolutionary networks facilitate biodiversity maintenance. Science 312, 431-433.
• Basilio A. M., Medan D., Torretta J. P., Bartoloni N. J., 2006. A year-long plant-pollinator network. Austral Ecol. 31, 975-983.
• Bastolla U., Fortuna M. A., Pascual-García A., Ferrera A., Luque B., Bascompte J., 2009. The architecture of mutualistic networks minimizes competition and increases biodiversity. Nature 458, 1010-1021.
• Bezerra E. L. , Machado I. C. , Mello M. A. , 2009. Pollination networks of oil-flowers: a tiny world within the smallest of all worlds. J. Anim. Ecol. 78, 1906-101.
• Dunne J. A., 2006. The network structure of food webs. [W:] Ecological networks: linking structure to dynamics in food webs. Pascual M., Dunne J. A. (red.). Oxford Unviersity Press, 27-30.
• Dupont Y., Olesen J. M., 2009. Ecological modules and roles of species in heathland plant-insect flower visitor networks. J. Anim. Ecol. 78, 346-353.
• Eskildsen L. I., Lindbreg A. B., Olesen J. M., 2001. Ants monopolise plant resources by shelter-construction. Acta Amazon. 31, 155-157.
• Fagan W. F., 2002. Connectivity, fragmentation, and extinction risk in dendritic metapopulations. Ecology 83, 3243-3249.
• Farkas I. J., Jeong H., Vicsek T., Barabási A.-L., Oltvai Z. N., 2003. The topology of transcription regulatory network in the yeast, Saccharomyces cerevisiae. Physica A 318, 601-612.
• Guimarães P. R. Jr., Rico-Gray V., Furtado dos Reis S., Thompson J. N., 2006. Asymmetries in specialization in ant-plant mutualistic networks. Proc. R. Soc. B 273, 2041-2047.
• Guimarães, P. R. Jr., Sazima, C., dos Reis, S. F., Sazima I., 2007. The nested structure of marine cleaning symbiosis: is it like flowers and bees? Biol. Lett. 3, 51-54.
• Guimerá R., Amaral L. A. N., 2005. Cartography of complex networks: modules and universal roles. J. Stat. Mech. P02001, 1-13.
• Herrera C. M., 1988. Variation in mutualisms: the spatio-temporal mosaic of a pollinator assemblage. Biol. J. Linn. Soc. 35, 95-125.
• Ito T., Chiba T., Ozawa R., Yoshida M., Hattori M., Yoshiyuki S., 2001. A comprehensive two-hybrid analysis to explore the yeast protein interactome. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 98, 4569-4574.
• Jeong H., Tombor B., Albert R., Oltvai Z. N., Barabási A.-L., 2000. The large-scale organization of metabolic networks. Nature 407, 651-654.
• Jordano P., 2000. Fruits and frugivory [W:] Seeds: the ecology of regeneration in natural plant communities. Fenner M. (red.). Commonwealth Agricultural Bureau International, Wallingford, 125-166.
• Jordano P., Bascompte J., Olesen J. M., 2003. Invariant properties in coevolutionary networks of plant-animal interactions. Ecol. Lett. 6, 69-81.
• Kearns C. A., Inouye D. W., Waser N. M., 1998. Endangered mutualisms: the conservation of plant-pollinator interactions. Ann Rev Ecol. Evol. Syst. 29, 83- 112.
• Krebs C. J., 1997. Ekologia. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.
• Lundgren R., Olesen J. M., 2005. The dense and highly connected world of greenland's plants and their pollinators. Arct, Antarct. Alp. Res. 37, 514-520.
• Newman M., 2003. The structure and function of complex networks. SIAM Rev. 45, 167-256.
• Olesen J. M., Lindberg A. B., Eskildsen L. I., Svenning J. C., Lindberg R., 2002. Plants in the devil's garden: intruders in an ant-plant mutualism. Ecotropica 8, 81-86.
• Olesen J. M., Bascompte J., Dupont Y., Jordano P., 2007. The modularity of pollination networks. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104, 19891-19896.
• Olesen J. M., Bascompte J., Elberling H., Jordano P., 2008. Temporal dynamics in a pollination network. Ecology 89, 1573-1582.
• Palmer T. M., Brody A. K., 2007. Mutualism as reciprocal exploitation: African plant-ant defend foliar but not reproductive structures. Ecology 88, 3004-3011.
• Pautasso M, Harwood T., Shaw M., 2008. Epidemiological modelling of Phytophtora ramorum: network poperties of susceptible plant genera movements in the nursery sector in England and Wales. Proceedings of the Sudden Oak Death Third Science Symposium.
• Petanidou T., Potts S., 2006. Mutual use of resources in Mediterranean plant-pollinator communities: how specialized are pollination webs? [W:] Plant-pollinator interactions. From specialization to generalization. Waser N. M., Ollerton J. (red.). The University of Chicago Press, Chicago, 220-244.
• Proctor M., Yeo P., Lack A., 1996. The natural history of pollination. Harper Collins, London, UK.
• Proulx S. R., Promislow D., Phillips P. C., 2005. Network thinking in ecology and evolution. Trends Ecol. Evol 20, 345-353.
• Ramos-Jiliberto R., Albornoz A. A., Valdovinos F. S., Smith-Ramírez C., Arim M., Armesto J. J., Marquet P. A., 2009. A network analysis of plant-pollinator interactions in temperate rain forests of Chiloe´ Island, Chile. Oecologia 160, 697-206.
• Santamaría L., Rodríguez-Gironés M. A., 2007. Linkage rules for plant-pollinator networks: trait complementarity or exploitation barriers? PloS Biol. 5, 354-362.
• Shadbolt N., Berners-Lee T., 2008. Traktat o sieci. Świat Nauki 11, 70-75.
• Sporns O., 2002. Network analysis, complexity, and brain function. Complexity 8, 56-60.
• Stang, M., Klinkhamer, P. G. L. van der Meijden, E. 2006. Size constraints and flower abundance determine the number of interactions in a plant/flower visitor web. Oikos 112. 111-121.
• Stang M., Klinkhamer P. G. L., van der Meijden E.. 2007. Asymmetric specialization and extinction risk in plant-flower visitor webs: a matter of morphology or abundance? Oecologia 151, 442-53.
• Valdovinos F. S., Ramos-Jiliberto R. , Flores J. D., Esponoza C., López G. , 2009. Structure and dynamics of pollination networks: the role of alien plants. Oikos 118, 1190-1200.
• Vázquez D. P., Aizen A. M., 2004. Asymmetric Specialization: A Pervasive Feature of Plant-Pollinator Interactions. Ecology 85, 1251-1257.
• Vázquez D. P., Melián C. J., Williams N. M., Blüthgen N., Krasnov B. R., Poulin R., 2007. Species abundance and asymmetric interaction strength in ecological networks. Oikos 116, 1120-1127.
• Waser N.M., Chittka L. , Price M.V., Williams N., Ollerton J., 1996. Generalization in pollination systems, and why it matters. Ecology 77, 1043-1060.
• Wilson J. R., 2008. Wprowadzenie do teorii grafów. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.