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エネルギーランドスケープを利用した生物群集大規模変動の前兆検知

研究課題

研究課題/領域番号 20K06820
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分45040:生態学および環境学関連
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

鈴木 健大  国立研究開発法人理化学研究所, バイオリソース研究センター, 開発研究員 (00748999)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
研究課題ステータス 交付 (2020年度)
配分額 *注記
3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2021年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2020年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
キーワード生物群集 / 微生物叢 / エネルギーランドスケープ / 多重安定性 / 最大エントロピー原理 / 変動予測 / マルコフネットワーク / 数理モデル / エネルギーランドスケープ解析 / 微生物群集動態 / 早期警戒シグナル / 多変量時系列解析
研究開始時の研究の概要

本研究では、マルコフネットワークが群集動態の新たな理論モデルとなることを示したい。このため、マルコフネットワークに基づく群集動態モデル(エネルギーランドスケープ)が微生物群集の大規模変動を事前検知できるかを検証する。群集の変動規模に目立った変化が無くても、群集組成の変化に不安定化に先立つ何らかのパターンがあれば、それはエネルギーランドケープ上でエネルギーの高い(=不安定な)状態への接近として捉えられ、早期に大規模変動を検知できるかもしれない。このようなシグナル検出が可能であれば、マルコフネットワークは群集動態の背後にある普遍的なメカニズム(群集動態の非ランダム性)を捉えていると考えられる。

研究実績の概要

本研究の目的は、1) 微生物群集の組成データから群集動態の予測モデル構築・動態解析を行うための手法開発、2) 微生物群集の変動性を評価するための安定性指標の開発、3) 指標を使った群集の変動性の予測可能性の評価、を行いペアワイズ最大エントロピーモデル(マルコフネットワーク; 以下、モデル)に基づくエネルギーランドスケープ解析が群集生態学の強力な新手法となることを示すことである。
本年度は、1)の手法開発に集中して取り組んだ。開発には主に二つの課題があった。エネルギーランドスケープ解析では、観測データに基づきモデルのパラメータを推定する必要がある。一つ目の課題はこのパラメータ推定の手法についてである。微生物叢が環境から受ける影響を考慮する場合、モデルのパラメータ推定に標準的な手法を利用することができない。そこで、確率的な推移過程からパラメータを推定する効率的な手法を実装し、この問題を解決した。二つ目の課題は、エネルギーランドスケープの構造の把握と関係している。モデルが定義するエネルギーランドスケープは、例えば考慮する種数が20種の場合およそ100万のノードからなる重み付きネットワークとなる。エネルギーランドスケープ解析は、このような重み付きネットワークのポテンシャル構造の要約を目的とするが、ネットワークが巨大になると計算時間が増大する。この問題について、近似的な探索手法を導入することで解決した。
開発手法の信頼性を検証するため、微分方程式により個体群動態を記述したシミュレーションモデルを構築、仮想データを生成しベンチマークを実施した。ベンチマークの結果、開発手法はシミュレーションモデルが持つポテンシャル構造を少ないデータから十分正確に、かつ速やかに推定できる実用的な手法であることが言えた。この結果をすでに執筆中であった論文に含めて改訂し、学術誌に発表した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初の計画通り、生物群集動態の予測モデル構築・動態解析の基盤となる手法を開発することができた。

今後の研究の推進方策

二つ目の開発項目として、エネルギーランドスケープを利用した生物群集の安定性指標の開発・評価に取り組む。また、生物間相互作用のスパース性を考慮し、パラメータ推定手法の改良を行う。さらに、これまでの開発内容を整理・統合し、汎用的な解析パッケージの開発・公開を行いたい。

報告書

(1件)
  • 2020 実施状況報告書

研究成果

(5件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (2件) (うち招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Illuminating the intrinsic and extrinsic drivers of ecological stability across scales2021

    • 著者名/発表者名
      Ross Samuel R. P.‐J.、Suzuki Yuka、Kondoh Michio、Suzuki Kenta、Villa Martin Paula、Dornelas Maria
    • 雑誌名

      Ecological Research

      巻: - ページ: 1-15

    • DOI

      10.1111/1440-1703.12214

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Seasonal dynamics of the activities of dissolved 137Cs and the 137Cs of fish in a shallow, hypereutrophic lake: Links to bottom-water oxygen concentrations2021

    • 著者名/発表者名
      Matsuzaki Shin-ichiro S.、Tanaka Atsushi、Kohzu Ayato、Suzuki Kenta、Komatsu Kazuhiro、Shinohara Ryuichiro、Nakagawa Megumi、Nohara Seiichi、Ueno Ryuhei、Satake Kiyoshi、Hayashi Seiji
    • 雑誌名

      Science of The Total Environment

      巻: 761 ページ: 143257-143257

    • DOI

      10.1016/j.scitotenv.2020.143257

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 微生物叢の状態変化を捉えるための安定性ランドスケープ2020

    • 著者名/発表者名
      鈴木健大、桝屋啓志
    • 雑誌名

      実験医学

      巻: 38 ページ: 3066-3071

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] エネルギーランドスケープ解析による群集集合・レジームシフト理論の融合2020

    • 著者名/発表者名
      鈴木健大
    • 学会等名
      日本生態学会第68回全国大会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 群集生態学的観点から細菌叢の比較分析 を行うための新手法2020

    • 著者名/発表者名
      鈴木健大
    • 学会等名
      第24回腸内細菌学会学術集会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2021-12-27  

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