Statistical mechanics of nonlinear evolutionary dynamics with a large degree of freedom

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K03650
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13010:Mathematical physics and fundamental theory of condensed matter physics-related
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: Tokita Kei 名古屋大学, 情報学研究科, 教授 (00263195)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 腸内細菌叢 / 生態系 / 種間相互作用 / ネットワーク / ランダム行列 / 種の豊富さのパターン

Outline of Final Research Achievements

We analyzed murine intestinal microbiota data and discovered characteristics of OTU interactions and the microbiota network. Furthermore, by simulating the replicator-mutator equation, we found that the species exhibit chaotic dynamics, including a resurgence after a decrease in abundance to below the detection limit. We also found that the abundance pattern of the species is of the geometric series type discovered by Isao Motomura in 1930. These results were presented as an invited talk at the International Conference on Biophysics (ICBP2023).

Free Research Field

統計力学，数理生物学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

マウス腸内細菌叢のOTU間相互作用がこれまでさまざまな数理モデルで仮定されてきたランダム行列に近いものであることを示唆しており，統計力学，数理生物学における重要な仮説を検証したことになっている．また，各OTUの役割分担についても重要な示唆を得た．さらに，腸内細菌叢の種の豊富さのパターンが水系生態系等で観測されるものと同様の幾何級数型になることを強く示唆する結果を得た．これらの成果は，実証生物学，理論生物学，データ科学の融合領域における新たな発見という意味で学術的意義があると考えている．腸内細菌とホストの疾患との関係の探求に対しても重要な示唆を与えており，社会的意義は深いと考えている．