Prämisse der Synchronisation des Lebenszyklus zwischen Räuber und Beute

Neue Antwort, basierend auf dem ersten Kommentar von user2686410 und nachfolgenden Änderungen an der Frage.

Ich habe "ihre eigenen Generationen mit Teilern synchronisieren ..." so interpretiert, dass es bedeutet, die Länge des Lebenszyklus zu synchronisieren. Über eine andere Deutung freue ich mich.

Erstens ist das Gesamtziel von Goles et al. (2001) scheint keine Hypothesen zu testen, die sich auf die Evolution von Lebenszyklen bei Zikaden per se beziehen . Es scheint, dass ihr Gesamtziel stattdessen darin bestand, die Generierung von Primzahlen aus der numerischen Theorie unter Verwendung von biologisch basierten Modellen zu untersuchen. Zum Beispiel sagen sie aus der Zusammenfassung,

Das Modell markiert eine Begegnung zweier scheinbar voneinander unabhängiger Disziplinen: Biologie und Zahlentheorie. Eine Beschränkung auf Letzteres liefert einen evolutionären Generator beliebig großer Primzahlen.

und am Ende der Diskussion schreiben sie,

Obwohl es traditionelle Methoden zur Primzahlerkennung gibt (siehe z. B. Lit. 23), die schneller sind als die hier vorgestellten Methoden, ist bemerkenswert, dass die Generierung von Primzahlen unter Verwendung eines biologischen Modells durchgeführt werden kann.

Um Ihre Frage direkter anzusprechen und wenn ich ihre Modelle verstehe, haben Goles et al. (2001) scheinen es zuzulassen, dass sich die Lebenszyklen von Raubtieren und Beute gemeinsam entwickeln, doch ist dies nicht immer klar.

Wir vergleichen nun eine zu einem Zyklus Y' mutierende Beute mit der residenten Beute (Zykluslänge Y ) bei konstantem X. Analog vergleichen wir mutierte Zyklen X' mit residenten Zyklen X bei konstantem Y (Goles et al. 2001, pg. 34; Betonung hinzugefügt).

Hier scheinen sie zu sagen, dass sich der Lebenszyklus des einen (Raubtier oder Beute) ändern kann, während der andere konstant bleibt (Beute oder Raubtier). Die Lebenszyklen koevolvieren nicht. Nachfolgende Formeln und Aussagen implizieren einen interaktiven Effekt zwischen den Lebenszyklen von Räuber und Beute. (Ehrlich gesagt ist ihr Schreiben für mich etwas undurchsichtig und sie definieren nicht alle ihre mathematischen Begriffe, was es schwierig macht, der Logik ihrer Modelle zu folgen.)

Ungeachtet dessen zeigen die Ergebnisse ihrer anfänglichen Modelle, die in der Abbildung unten gezeigt werden, dass die Beute in einem 17-Jahres-Lebenszyklus konvergiert, während die Raubtiere in einem 4-Jahres-Zyklus konvergieren. Etwas komplexere Modelle neigten dazu, in 13- und 17-Jahres-Zyklen zu konvergieren, obwohl andere Primzahlen wie 11, 19 und 23 ähnliche Entwicklungswahrscheinlichkeiten hatten.

Goleset al. (2001) räumen zu Beginn ihrer Arbeit ein, dass es keine Beweise für Raubtiere mit periodischen Zyklen gibt, die mit den Lebenszyklen von Zikaden übereinstimmen. Dies würde mit allgemeinen ökologischen Beobachtungen übereinstimmen. Die meisten Raubtiere verbrauchen mehrere Beutetiere. Hochspezialisierte Raubtiere wären anfälliger für das Aussterben, wenn ihre Beutequelle aussterben würde.

Ein weiteres numerisches Modell, entwickelt von Tanaka et al. (2009) ausdrücklich zur Erforschung der Lebenszyklusentwicklung von Zikaden, schließt die Lebenszyklen von Raubtieren überhaupt nicht ein. Ihre Ergebnisse konvergieren immer noch auf Lebenszyklen von 13 und 17 Jahren, obwohl sie den möglichen Bereich von Lebenszyklen auf 10 bis 20 Jahre beschränkten. Daher scheint es nicht notwendig zu sein, dass Raubtiere einen Lebenszyklus entwickeln, der mit den Lebenszyklen der Beute zusammenfällt, damit die Sättigungshypothese der Raubtiere funktioniert. Dies stimmt natürlich mit den Beobachtungen aus der realen Welt überein, dass Zikaden keine Raubtiere mit begleitenden Lebenszyklen zu haben scheinen.

Originalantwort, leicht bearbeitet

Im Falle der Zikaden sind sie die Beute, nicht die Raubtiere. Sie synchronisieren ihre Lebenszyklen nicht mit den Raubtieren (wenn ich Ihre gesamte Frage richtig interpretiere). Das Argument ist, dass Zikaden synchronisierte Lebenszyklen entwickelt haben, um das Überleben zu maximieren. Dadurch, dass eine große Anzahl von Individuen innerhalb sehr kurzer Zeit auftaucht, bedeutet die sehr hohe Dichte, dass die meisten Individuen lange genug leben, um sich fortzupflanzen, da die Raubtiere (Vögel, kleine Nagetiere usw.) gesättigt sein werden (siehe Williams und Simon 1995 für einen Überblick und Hinweise auf frühe Literatur). Einige Raubtiere von Zikaden werden immer anwesend sein, sodass die Zikaden sich nicht mit einem bestimmten Raubtier synchronisieren.

Goleset al. (2001) verwendeten numerische Modelle, um zu argumentieren, dass solche Lebenszyklen dazu neigen, Primzahlen zu konvergieren. (Wie im Update oben besprochen)

Tanakaet al. (2009) argumentierten kürzlich, wiederum unter Verwendung numerischer Modelle, dass sich die auf Primzahlen basierenden Lebenszyklen von Zikaden als Ergebnis des Allee-Effekts entwickelt haben . Der Allee-Effekt besagt im Grunde, dass es einen positiven Zusammenhang zwischen der Fitness von Individuen in der Bevölkerung und der Bevölkerungsgröße oder -dichte gibt. Unterhalb einer bestimmten Größe kann sich eine Population nicht mehr selbst erhalten und ist vom Aussterben bedroht. Tanakaet al. argumentieren, dass der Allee-Effekt unter variierenden Umweltparametern zu Primzahl-basierten Lebenszyklen führt. Sie argumentieren weiter, dass die Aufrechterhaltung alternativer Lebenszyklen die Hybridisierung zwischen Gruppen mit unterschiedlichen Lebenszykluszeiten minimiert.

Was wirklich übrig bleibt, um die Evolution der Zikaden-Lebenszyklen zu verstehen, ist die Enträtselung der genetischen Mechanismen, die mit dem Timing zu tun haben.

Literatur zitiert

Goles, E. et al. 2001. Primzahlauswahl von Zyklen in einem Räuber-Beute-Modell. Komplexität 6: 33-38.

Tanaka, Y. et al. 2009. Allee-Effekt bei der Auswahl von Primzahlzyklen in periodischen Zikaden. Verfahren der National Academy of Sciences USA 106: 8975-8979.

Williams, KS und C. Simon. 1995. Die Ökologie, das Verhalten und die Evolution periodischer Zikaden. Annual Reviews of Entomology 40: 269-295.

Die Antwort von Mike Taylor ist gut recherchiert und inspirierte das folgende Gedankenexperiment, das Ihnen helfen könnte.

Stellen Sie sich ein Raubtier der Zikade vor, das mehrere Jahre braucht, um ausgewachsen zu sein (sagen wir fünf). Die Population dieses Raubtiers verteilt sich zumindest am Anfang gleichmäßig auf alle Stadien seines Lebenszyklus.

In einem Jahr gibt es einen Zikadenausbruch und alle Mitglieder dieser Raubtierart sind für ein oder zwei Monate unglaublich gut genährt. Wenn die Auswirkungen dieser Beuteschwemme nicht vollkommen gleichmäßig auf alle Altersgruppen der Raubtierarten verteilt sind, wird es für die eine oder andere Altersgruppe einen Fitnessvorteil geben. Vielleicht wachsen die Jungen schneller, oder die Alten verbringen mehr Zeit damit, Partner zu suchen, anstatt zu essen. Es spielt keine Rolle, welches (es kann sogar beides sein), solange es nicht alle Mitglieder der Raubtierart betrifft.

Untersuchen Sie jetzt die nächste Generation, fünf Jahre später. Auch hier macht sich die Beuteschwemme bemerkbar (mehr Eltern -> mehr Kinder, größere Eltern -> stärkere Kinder etc etc). Wenn der Zikadenzyklus fünf Jahre oder sogar zehn Jahre beträgt, bekommt jede Räubergeneration (oder jede andere Generation), die mit dem Zikadenausbruch zusammenfällt, einen Fitness-/Bevölkerungsschub. Nach vielen Iterationen dominiert die Altersgruppe der Raubtiere, die rechtzeitig reift oder laicht oder was auch immer, um den maximalen Nutzen aus dem Zikadenausbruch zu ziehen. Anstelle gleichmäßig verteilter Altersgruppen erhalten Sie eine große Gruppe von Raubtierarten, die aufeinander abgestimmt sind, um optimal von den Zikadenausbrüchen zu profitieren, was für die Zikaden eine schlechte Nachricht ist.

Das, was die Lebenszykluslänge von Raubtieren reguliert, ist die Zeit bis zur Geschlechtsreife oder die Generationszeit. Wenn dies ein Faktor der Winterschlafzeit der Zikaden ist, entwickeln sich Zyklen und die Zikaden haben Probleme. Wenn die Zikaden eine große Primzahl verwenden, ist die Anzahl der Zikadengenerationen zwischen passenden Raubtiergenerationen sehr groß. (Ein fünfjähriger Räuberzyklus und ein 17-jähriger Zikadenzyklus überschneiden sich nur einmal alle 85 Jahre.) Von jeder Räubergeneration, die optimal von dem Zyklus profitiert, müssen 17 von ihnen ohne den Nutzen leben.

Im Allgemeinen ist es eine schlechte Nachricht für eine Raubtierart, lange zu brauchen, um die Geschlechtsreife zu erreichen (alle anderen Dinge sind gleich), daher hat sich meines Wissens keine Art entwickelt, um ihre Generationen mit den Zikaden zu synchronisieren.