Введение

Модель поведенческой экологии. Теория оптимального поиска пищи (OFT) – это модель поведенческой экологии, которая помогает предсказать поведение животного при поиске пищи. Хотя добыча пищи обеспечивает животное энергией, поиск и захват пищи требуют как энергии, так и времени. Чтобы максимизировать приспособленность, животное выбирает стратегию поиска пищи, которая обеспечивает наибольшую выгоду (энергию) при наименьших затратах, максимизируя чистый прирост энергии. OFT помогает предсказать наилучшую стратегию, которую животное может использовать для достижения этой цели. OFT является экологическим применением модели оптимальности. Эта теория предполагает, что наиболее экономически выгодная модель питания будет отбираться в пределах вида посредством естественного отбора. При использовании OFT для моделирования поведения при поиске пищи, считается, что организмы максимизируют переменную, известную как «валюта», например, максимальное количество пищи за единицу времени. Кроме того, ограничения окружающей среды – это другие переменные, которые необходимо учитывать. Ограничения определяются как факторы, которые могут ограничить способность добытчика максимизировать «валюту». Оптимальное правило принятия решений, или наилучшая стратегия поиска пищи организма, определяется как решение, которое максимизирует «валюту» при ограничениях окружающей среды. Определение оптимального правила принятия решений – основная цель OFT. Связь между OFT и биологической эволюцией вызывала интерес в последние десятилетия. Исследования оптимального поведения на популяционном уровне использовали эволюционные модели динамики рождаемости и смертности. Хотя эти модели подтверждают существование целевых функций, таких как «валюта», в определенных сценариях, они также ставят вопросы относительно их применимости в других условиях, например, при высокой плотности взаимодействий в популяции.

Создание оптимальной модели поиска пищи

Оптимальная модель поиска пищи генерирует количественные прогнозы того, как животные максимизируют свою приспособленность во время поиска пищи. Процесс построения модели включает в себя определение валюты, ограничений и соответствующего правила принятия решений для ищущего пищу организма. Валюта определяется как единица, которую организм оптимизирует. Это также гипотеза о затратах и выгодах, которые налагаются на этого организма. Например, определенный ищущий пищу организм получает энергию из пищи, но несет затраты на ее поиск: время и энергия, потраченные на поиск, могли бы быть использованы для других целей, таких как поиск партнера или защита потомства. В интересах организма – максимизировать свои выгоды при минимальных затратах. Таким образом, валюту в данной ситуации можно определить как чистый прирост энергии за единицу времени. Более того, выгоды и затраты могут зависеть от сообщества, в котором находится ищущий пищу организм. Например, организм, живущий в улье, скорее всего, будет искать пищу таким образом, чтобы максимизировать эффективность для своей колонии, а не для себя. Учитывая гипотезы о валюте и ограничениях, оптимальное правило принятия решений является прогнозом модели о том, какой должна быть наилучшая стратегия поиска пищи для организма. Пасущиеся животные поедают лишь часть своей добычи. Они наносят добыче вред, но редко убивают ее. К пасущимся животным относятся антилопы, крупный рогатый скот и комары. Паразиты, как и пасущиеся животные, поедают лишь часть своей добычи (хозяина), но редко весь организм. Они проводят всю или большую часть своего жизненного цикла, живя внутри/на одном хозяине. Такие тесные отношения характерны для цепней, печеночных сосальщиков и растительных паразитов, таких как фитофтора картофеля. Паразитоиды наиболее типичны для ос (отряд Hymenoptera) и некоторых мух (отряд Diptera). Яйца откладываются внутри личинок других членистоногих, которые вылупляются и поедают хозяина изнутри, убивая его. Это необычное взаимоотношение «хищник-хозяин» характерно примерно для 10% всех насекомых. Многие вирусы, атакующие одноклеточные организмы (например, бактериофаги), также являются паразитоидами; они размножаются внутри одного хозяина, который неизбежно погибает в результате этого взаимодействия. Оптимизация этих различных стратегий поиска пищи и хищничества может быть объяснена теорией оптимального поиска пищи. В каждом случае существуют затраты, выгоды и ограничения, которые в конечном итоге определяют оптимальное правило принятия решений, которому должен следовать хищник.

Оптимальная модель питания

Одной из классических версий теории оптимального поиска пищи является оптимальная модель питания, также известная как модель выбора добычи или модель условного выбора. В этой модели хищник сталкивается с различными объектами добычи и решает, съесть то, что у него есть, или поискать более прибыльный объект. Модель предсказывает, что собиратели должны игнорировать объекты добычи с низкой прибыльностью, когда более прибыльные объекты присутствуют в достаточном количестве. Прибыльность объекта добычи зависит от нескольких экологических переменных. E – количество энергии (калорий), которое добыча предоставляет хищнику. Время обработки (h) – это время, которое хищнику требуется для обработки пищи, начиная с момента обнаружения добычи и заканчивая моментом ее поедания. Прибыльность объекта добычи определяется как E/h. Кроме того, время поиска (S) – это время, которое хищнику требуется для обнаружения объекта добычи и которое зависит от численности пищи и легкости ее обнаружения. Примером генералиста является мышь, потребляющая большое разнообразие семян, зерновых и орехов. В отличие от этого, хищникам с относительно коротким S1 все равно выгоднее выбирать только добычу1. Эти животные определяются как специалисты и в природе придерживаются очень узкой диеты. В целом, различные животные, относящиеся к четырем функциональным классам хищников, демонстрируют стратегии, варьирующиеся в диапазоне от генерализма к специализации. Кроме того, поскольку выбор поедать добычу2 зависит от численности добычи1 (как обсуждалось ранее), если добыча1 становится настолько редкой, что S1 достигает порогового значения, то животное должно переключиться с поедания исключительно добычи1 на поедание как добычи1, так и добычи2.

Оптимальное питание устриц

Кормление мидий-остриц является примером того, как можно использовать модель оптимального рациона. Острицы питаются мидиями и раскалывают их своим клювом. Ограничения для этих птиц – характеристики мидий разных размеров. Хотя крупные мидии дают больше энергии, чем мелкие, их сложнее расколоть из-за более толстой раковины. Это означает, что, несмотря на более высокую энергетическую ценность крупных мидий (E), время их обработки (h) также больше. Прибыльность от каждой мидии рассчитывается как E/h. Острицы должны решить, какой размер мидии обеспечит достаточное питание, чтобы перевесить затраты энергии, необходимые для ее открытия. Они провели эксперимент, в котором скворцов обучали собирать мучных червей из искусственной кормушки на разных расстояниях от гнезда. Исследователи искусственно создали кривую убывающей доходности, подбрасывая мучных червей с постепенно увеличивающимися интервалами. Птицы продолжали собирать мучных червей, пока не достигали "оптимальной" нагрузки и не возвращались в гнездо. Как показано на рисунке 5, если скворцы максимизируют чистый прирост энергии за единицу времени, то короткое время полета предсказывает небольшую оптимальную нагрузку, а длительное – большую. В соответствии с этими предсказаниями, Кацельник обнаружил, что чем больше расстояние между гнездом и искусственной кормушкой, тем больше размер нагрузки. Кроме того, наблюдаемые размеры нагрузки количественно очень точно соответствовали прогнозам модели. Другие модели, основанные на различных показателях, такие как энергия, полученная на единицу затраченной энергии (то есть энергоэффективность), не смогли так точно предсказать наблюдаемые размеры нагрузки. Таким образом, Кацельник заключил, что скворцы максимизируют чистый прирост энергии за единицу времени. Этот вывод не был опровергнут в последующих экспериментах.

Оптимальное питание пчел

Пчелы-работники предоставляют еще один пример использования теоремы о предельной ценности при моделировании оптимального поведения при поиске пищи. Пчелы собирают нектар, перелетая с цветка на цветок и перенося его обратно в улей. Хотя эта ситуация похожа на ситуацию со скворцами, ограничения и "валюта" для пчел на самом деле отличаются. Пчела не испытывает уменьшения доходности из-за истощения нектара или каких-либо других характеристик самих цветов. Общее количество собранного нектара увеличивается линейно с временем, проведенным на цветке. Однако вес нектара значительно увеличивает затраты на перелет между цветами и возвращение в улей. Вольф и Шмид-Гемпель показали, экспериментально нагружая пчел разными весами, что стоимость тяжелого нектара настолько велика, что сокращает продолжительность их жизни. Чем короче жизнь рабочей пчелы, тем меньше времени у нее остается, чтобы внести вклад в колонию. Таким образом, существует кривая убывающей отдачи для чистой энергии, получаемой ульем, по мере того как пчела собирает больше нектара за один вылет.

Оптимальное питание у рыб центральной орхидеи

Природа отбора добычи двумя представителями семейства центрархид (белым краппи и солнечным окунем) была представлена в качестве модели, включающей оптимальные стратегии поиска пищи Манатунге и Асаедой. Поле зрения рыб во время поиска пищи, представленное реактивным расстоянием, было детально проанализировано для оценки числа встреч с добычей за один поисковый цикл. Прогнозируемые реактивные расстояния сравнивались с экспериментальными данными. Энергетические затраты, связанные с поведением рыб при поиске пищи, рассчитывались на основе последовательности событий, происходящих при потреблении каждой единицы добычи. Сравнение относительной численности видов и размерных категорий добычи в желудках рыб и в озерной среде показало, что как белый краппи, так и солнечный окунь (длина < 100 мм) активно отбирают добычу, используя стратегию оптимизации энергетической ценности. В большинстве случаев рыбы выбирали исключительно крупных дафний, игнорируя подвижные виды добычи (циклопов, диаптомид) и мелких ракообразных (кладоцер). Эта избирательность обусловлена тем, что рыбы активно избегают добычи с высокой способностью к уклонению, несмотря на ее потенциально высокую энергетическую ценность, и реализуют оптимальный отбор через показатели успешности захвата. Энергетические соображения и зрительная система, наряду со способностью хищника захватывать добычу, являются основными факторами, определяющими избирательность добычи для крупных особей белого краппи и солнечного окуня, находящихся на стадии питания планктоном.

Критика и ограничения

Хотя многие исследования, такие как те, что приведены в примерах выше, предоставляют количественную поддержку теории оптимального поиска пищи и демонстрируют ее полезность, модель подверглась критике в отношении ее обоснованности и ограничений. Во-первых, теория оптимального поиска пищи опирается на предположение, что естественный отбор оптимизирует стратегии поиска пищи организмами. Однако естественный отбор – это не всемогущая сила, создающая совершенные решения, а скорее пассивный процесс отбора генетически обусловленных признаков, повышающих репродуктивный успех организмов. Учитывая, что генетика включает в себя взаимодействие между локусами, рекомбинацию и другие сложности, нет гарантии, что естественный отбор способен оптимизировать конкретный поведенческий параметр. Кроме того, теория оптимального поиска пищи (OFT) также предполагает, что поведение при поиске пищи может свободно формироваться естественным отбором, поскольку это поведение не зависит от других видов деятельности организма. Другим ограничением OFT является отсутствие практической точности. В теории оптимальная модель поиска пищи предоставляет исследователям конкретные количественные прогнозы относительно оптимального правила принятия решений хищником, основанные на гипотезах о выгоде и ограничениях системы. Однако на практике сложно определить базовые понятия, такие как тип добычи, частота встреч или даже участок, с точки зрения кормящегося организма. Теория оптимального поиска пищи предполагает, что поведение в определенной степени обусловлено генетическим составом. Однако это может быть трудно принять в отношении сложных животных с высокой поведенческой гибкостью. Человеческое поведение не всегда предсказуемо, если исходить из предпосылок теории оптимального поиска пищи – охотники-собиратели могли выбирать дичь, не приносящую энергетической выгоды, но удовлетворяющую другим потребностям, например, для ритуалов или пиров. Процессы принятия решений, кроме того, могут зависеть от долгосрочного и краткосрочного опыта, который, в свою очередь, может влиять на других. Однако теория оптимального поиска пищи помогла археологии в разработке новых интерпретаций закономерностей в археологических данных и более детальном анализе человеческого поведения. Теория оптимального поиска пищи также дала археологии лучшее понимание затрат и выгод, связанных с различными ресурсами.