Введение
Математическая модель поведения животных при поиске пищи. Теорема предельной ценности (MVT) – это модель оптимальности, которая обычно описывает поведение оптимально добывающего пищу индивидуума в системе, где ресурсы (часто пища) расположены в дискретных участках, разделенных областями, лишенными ресурсов. Из-за наличия пространств, свободных от ресурсов, животным приходится тратить время на перемещение между участками. Теорема предельной ценности также может быть применена к другим ситуациям, в которых организмы сталкиваются с законом убывающей отдачи. Теорема предельной ценности была впервые предложена Эриком Чарновым в 1976 году. В его первоначальной формулировке: «Хищник должен покидать участок, на котором он находится, когда предельная скорость добычи на этом участке снижается до средней скорости добычи в среде обитания».
The marginal value theorem (MVT) is an optimality model that usually describes the behavior of an optimally foraging individual in a system where resources (often food) are located in discrete patches separated by areas with no resources. Due to the resource free space, animals must spend time traveling between patches. The MVT can also be applied to other situations in which organisms face diminishing returns. The MVT was first proposed by Eric Charnov in 1976. In his original formulation: "The predator should leave the patch it is presently in when the marginal capture rate in the patch drops to the average capture rate for the habitat."
Определение
Все животные должны добывать пищу для удовлетворения своих энергетических потребностей, но этот процесс энергетически затратен. Предполагается, что эволюция посредством естественного отбора приводит к тому, что животные используют наиболее экономичную и эффективную стратегию для баланса между получением и расходом энергии. Теорема предельной ценности – это оптимальная модель, описывающая стратегию, максимизирующую прирост на единицу времени в системах, где ресурсы, а следовательно, и скорость поступления ресурсов, уменьшаются со временем. Модель учитывает выгоды и затраты и используется для прогнозирования времени ухода с кормового участка и плотности ресурсов при уходе. Время ухода с участка (GUT) – это интервал времени между последним потреблением пищи животным и моментом его покидания участка. Плотность ресурсов при уходе (GUD) – это плотность пищи на участке, при которой животное принимает решение перейти к другим кормовым участкам. Когда животное добывает пищу в системе с пятнистым распределением источников пищи, теорема предельной ценности может быть использована для прогнозирования того, сколько времени индивидуум будет тратить на поиск конкретного участка, прежде чем перейдет к новому. В общем случае, особи будут оставаться дольше, если (1) участки расположены на большем расстоянии друг от друга или (2) текущие участки бедны ресурсами. В обоих случаях увеличивается соотношение между затратами на перемещение и выгодой от добычи пищи.
Моделирование
Когда животные ищут корм в неоднородных средах, они балансируют между количеством потребляемых ресурсов, временем на перемещение и временем поиска пищи. Количество потребляемых ресурсов в пределах одного участка со временем уменьшается, что показано сплошной линией на графике справа. Кривая следует такой закономерности, потому что изначально ресурсы потребляются очень быстро, но скорость снижается по мере их истощения. Время перемещения показано расстоянием от самой левой вертикальной пунктирной линии до оси y. Оптимальное время поиска пищи моделируется путем соединения этой точки на оси x касательной к кривой потребления ресурсов. Это максимизирует соотношение между количеством потребляемых ресурсов и временем, затраченным на поиск пищи и перемещение. В крайних точках кривой потребления животные тратят слишком много времени на перемещение ради небольшой выгоды, или слишком долго ищут в одном участке, получая незначительный улов. Теория предельной ценности (ТПЦ) определяет наилучший компромисс между этими крайностями.
Предположения
Предполагается, что индивид контролирует момент покидания участка, чтобы максимизировать отношение между количеством добытых ресурсов и затраченным временем. Потребитель уменьшает количество ресурсов в участке, где он добывает пищу; следовательно, скорость потребления пищи в этом участке снижается со временем. Если участки различаются по качеству, модель MVT предполагает, что различные участки распределены случайным образом по всей территории.
Люди
Обычная иллюстрация MVT – сбор яблок. Когда человек впервые подходит к новому яблоневому дереву, количество яблок, собираемых в минуту, велико, но быстро снижается по мере того, как собираются самые легкодоступные плоды. Стратегии, при которых с каждого дерева собирается слишком мало яблок или когда дерево собирается до последней единицы, неоптимальны, поскольку приводят, соответственно, к потере времени на перемещение между деревьями или к трате времени на поиск и сбор последних, труднодоступных яблок. Таким образом, оптимальное время, затрачиваемое на сбор яблок с каждого дерева, представляет собой компромисс между этими двумя подходами, который можно количественно оценить с помощью MVT.
Оптимальное питание у больших сисек
Большие синицы – вид птиц, обитающих по всей Европе, Северной Африке и Азии. Известно, что они ищут корм в "пятнистой" среде, и исследования показали, что их поведение можно смоделировать с помощью оптимальных моделей поиска пищи, включая MVT (модель предельного значения времени). В исследовании 1977 года, проведенном Р. А. Коуи, птицам лишали пищи, а затем позволяли искать корм на участках в двух разных средах (среды различались только расстоянием между участками). Как и ожидалось, в обоих случаях птицы тратили больше времени в одном месте, когда участки находились дальше друг от друга или приносили больше выгоды, независимо от среды. В аналогичном эксперименте Наефа Дэнцера (1999) было показано, что эффективность поиска пищи у больших синиц на 30% выше, чем при случайном поиске. Это связано с тем, что большие синицы уделяли больше времени участкам, богатым ресурсами, что соответствует предсказаниям MVT. Эти данные подтверждают возможность использования MVT для прогнозирования поведения больших синиц при поиске пищи.
Кормление волосатых броненосцев и морских свиней
Экспериментальные данные показали, что кричащие волосатые броненосцы и морские свинки качественно следуют модели оптимального поиска пищи (MVT) в процессе добывания пищи. Исследователи провели несколько параллельных экспериментов: один для каждого вида животных при стабильном качестве кормовых участков, и один для морских свинок с переменным качеством кормовых участков. Хотя качественная тенденция в поведении при добывании пищи соответствовала MVT в каждом случае, количественный анализ показал, что каждый кормовой участок эксплуатировался дольше, чем ожидалось.
Растение корневой рост
MVT может быть использован для моделирования поиска пищи как у растений, так и у животных. Показано, что растения предпочитают размещать свои корни, которые являются органами поиска пищи, в областях с более высокой концентрацией ресурсов. Вспомним, что MVT предсказывает, что животные будут дольше добывать пищу на участках с более высоким качеством ресурсов. Растения увеличивают биомассу корней в слоях/областях почвы, богатых питательными веществами и ресурсами, и уменьшают рост корней в областях с низким качеством почвы. Таким образом, растения наращивают корни в участках почвы в соответствии с обилием ресурсов, что согласуется с MVT. Кроме того, корни растений растут быстрее в почве низкого качества, чем в почве высокого качества, подобно тому, как животные, добывающие пищу, проводят меньше времени в областях низкого качества, чем в областях высокого качества.
Время спаривания у мух-порошков
ОСП может применяться к ситуациям, отличным от поиска пищи, когда у животных наблюдается уменьшение отдачи. Рассмотрим, например, продолжительность копуляции у желтой навозной мухи. В системе спаривания навозных мух самцы собираются на свежем коровьем помете и ждут прибытия самок небольшими группами для откладки яиц. Самцам приходится конкурировать друг с другом за возможность спариваться с прибывающими самками – иногда один самец сбрасывает другого с самки и перехватывает копуляцию в процессе. В этом случае второй самец оплодотворяет около 80% яиц. Таким образом, после спаривания с самкой самец охраняет ее, чтобы другие самцы не могли спариваться с ней и вытеснить его сперму до откладки яиц. После того, как самка отложит яйца, самцу необходимо потратить время на поиск другой самки, прежде чем он сможет снова копулировать. Таким образом, возникает вопрос о том, сколько времени навозной мухе следует тратить на копуляцию с каждой самкой. С одной стороны, чем дольше самец навозной мухи копулирует, тем больше яиц он может оплодотворить. Однако выгода от дополнительного времени копуляции быстро снижается, поскольку самец упускает возможность найти другую самку во время длительной копуляции. ОСП предсказывает, что оптимальное время копуляции должно быть достаточным для оплодотворения около 80% яиц; после этого вознаграждение значительно меньше и не стоит упускать возможность найти другого партнера.
Критика
Многие исследования, такие как примеры, представленные выше, продемонстрировали хорошую качественную поддержку прогнозов, генерируемых теоремой о предельной ценности. Однако в некоторых более количественных исследованиях прогнозы MVT оказались менее успешными, при этом наблюдаемые значения значительно отклонялись от предсказанных. Одно из предложенных объяснений этих расхождений заключается в сложности объективного измерения темпов получения выгоды. Например, животному в непредсказуемой среде может потребоваться дополнительное время на разведку, что затрудняет исследователям определение времени, затрачиваемого на добычу пищи. Помимо этой неточности, некоторые исследователи полагают, что в модели отсутствует некий фундаментальный аспект. А именно, животные, вероятно, занимаются не только добычей пищи, но и, например, избегают хищников или ищут возможности для размножения. Поэтому они вряд ли смогут генерировать широко применимые прогнозы, подобные тем, что дает MVT, поскольку они проверяют прогнозы в конкретных условиях. Хотя прогнозы этих моделей необходимо проверять в точных условиях, они могут предложить ценные сведения, недоступные в более общих моделях, таких как MVT.