 |
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
 |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
123796 |
| típus |
K |
| Vezető kutató |
Meszéna Géza |
| magyar cím |
Biológiai diverzitás matematikai elmélete |
| Angol cím |
Mathematical theory of biological diversity |
| magyar kulcsszavak |
diverzitás, ökológiai niche, adaptáció, adaptív dinamika, elmélet |
| angol kulcsszavak |
biomathematics, biological diversity, ecological niche, adaptive dynamics, speciation |
| megadott besorolás |
| Bioinformatika (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma) | 60 % | | Biológiai fizika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 20 % | | Környezeti biológia, ökotoxikológia (Komplex Környezettudományi Kollégium) | 20 % | | Ortelius tudományág: Ökológia |
|
| zsűri |
Genetika, Genomika, Bioinformatika és Rendszerbiológia |
| Kutatóhely |
Biológiai Fizika Tanszék (Eötvös Loránd Tudományegyetem) |
| résztvevők |
Pásztor Erzsébet
|
| projekt kezdete |
2017-09-01 |
| projekt vége |
2023-03-31 |
| aktuális összeg (MFt) |
17.808 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
4.47 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Munkánk alapvető gondolati kerete a populációkat szabályozó visszacsatolások elemzése. Korábban résztvettünk az adaptív dinamika és fajképződés elméletének kidolgozásában, kidolgoztuk az ökológiai niche általános matematikai elméletét és publikáltunk egy kézikönyvet „Theory-Based Ecology” címmel az Oxford University Press-nél. Összességében a biodiverzitás problémájának egy egységes elméleti megközelítése az, amit képviselünk. Fajok együttélésének robusztussága azon múlik, hogy elegendően különbözzenek szabályozásuk módjában. S ugyanezen szabályozási visszacsatolás hozza létre azt a gyakoriságfüggő diszruptív szelekciót, amely révén egy kihasználatlan ökológiai lehetőség adaptív fajképződéshez vezet.
A pályázatban ezen elméleti kereten belül javasolunk további vizsgálatokat: az elmélet kiterjesztését lokális kölcsönhatások esetére, az adaptív dinamika populációgenetikájának kidolgozását és a nagy fajgazdagságú ökoszisztémák elméleti vizsgálatát. Tervezünk továbbá szintetizáló publikációkat is, beleértve a témavezető által írandó elméleti monográfiát.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A pályázat mögött lévő koncepció a következő alapkérdéssel és alaphipotézissel jellemezhető:
Alapkérdés: Hogyan keletkezik, és mi tartja fent a biológiai diverzitást? Mi a versengés és együttélés viszonya?
Alaphipotézis: A populáció-létszámok visszahatása a növekedési rátákra (fitneszekre) az a hatás, amely stabilizálja az – ebből a szempontból – elegendően különböző fajok együttélését, és ami gyakoriságfüggő szelekcióra, s ezen keresztül elágazó evolúcióra, új fajok képződéséhez vezet.
A Kutatási terv ismerteti az ezen kérdésfeltevés és alaphipotézis mentén eddig végzett munkát és specifikálja a jelen pályázat keretében tervezett kutatásokat. Kérdésszerűen összefoglalva:
Hogyan terjeszthető ki a regulációs visszacsatolások elmélete az egyedek közötti lokális kölcsönhatások esetére?
Hogyan deformálódik át egy faj jellegeloszlása (jellemzően Gauss-görbe) két elkülönült fajt leíró bimodális eloszlássá?
Mi a lényege a nagy diverzitások létrejöttének?
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A pályázatban érintett kérdések, mint a biológiai sokféleség okai és feltételei, a fajképződés mechanizmusa, széles körben vizsgáltak úgy empirikus, mint elméleti oldalról. Az általunk képviselt megközelítés unikális azonban abban, hogy egységes elméleti keretben, az ökológia és az evolúció alapkérdéseiből kiindulva tanulmányozzuk azokat. Ez az attitűd az, ami a tavaly az Oxford University Press-nél megjelent megjelent Theory-Based Ecology című könyvünket gyökeresen megkülönbözteti minden más ökológiakönyvtől, az elméletiektől is. S ez az a perspektíva, amit a fajkeletkezés és a nagy diverzitás elméletében is képviselünk, és képviselni szándékozunk – nyilván nem egyedül, hanem a pályázatban specifikált részterületeken együttműködve.
Természetesen nem magától értetődő, hogy egy ilyen megközelítésnek haszna van a konkrét kutatások szintjén. Semmilyen általános elmélet nem fogja tudni megspórolni a konkrét fajok és konkrét ökoszisztémák empirikus megismerését. Azt látjuk viszont, hogy az ökológia tele van olyan verbális elméletekkel, amelyek matematikailag teljesen értelmetlenek, olyan vitákkal, amelyek nem lennének, ha a matematikai elméletnek presztízse lenne. Könyvünkben részletesen szólunk ezekről az ügyekről. A hibás gondolatokról természetesen tisztán empirikus úton is kiderül egyszer, hogy azok. Az elmúlt években lényegesen csökkent a diverzitás neutrális elméletének, amelyet elvi képtelenségnek tartunk, és fajképződés allopatrikus (az adaptációt zárójelbe tévő) elméletének, amelyet parszimónia alapon tartunk valószínűtlennek, az ázsiója. Mégis azt gondoljuk, hogy a szilárd elméleti alapok általunk képviselt megközelítése nagy segítség lehet a specifikusabb alapkutatásokban.
A területen a biológiai diverzitás védelmének vagy nagy társadalmi jelentősége. Ezzel kapcsolatban felmerülő kérdések pontosan azok, amelyek az ökológia általános kérdései. Kutatásink ehhez közvetlenül nem tudnak hozzászólni, közvetetten azonban vélhetően igen.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Hogyan alkalmazkodnak a környezetükhöz az egyes fajok? Miért van ilyen sok faj? A biológia két alapkérdése ez. Természetesen adódik az a gondolat, hogy azért van olyan sok faj, mert sokféle életlehetőséghez lehet alkalmazkodni. Ez az egyszerű gondolat a kutatás alapgondolata.
Minden faj leterheli valahogy a környezetét. Addig nő a létszáma amíg valamiért már nem tud tovább: nincs már több tápláléka, élőhelye, vagy valami más, amire szüksége van. A darwini elmélet lényege a létért való küzdelem. Az ugyanott, ugyanazzal táplálkozó fajok versengenek ezért a tápanyagért, s az győz, aki ezt a tápanyagforrást jobban ki tudja aknázni. Ha van a közelben egy másik élőhely, vagy másik tápanyagforrás, amelyet még nem terhel le senki, akkor óriási fitnesz-előnye van annak a változatnak, amely elkezd alkalmazkodni a még kihasználatlan lehetőséghez. Így keletkezhet egy új faj. Idővel persze ez az új lehetőség is éppúgy le lesz terhelve. De az eredeti, és az új faj között már nem lesz versengés, hisz másért versenyeznek.
Ezeknek a gondolatoknak a pontos matematikai elméletén, s az elmélet gyakorlati alkalmazásán dolgozunk. A feladat nem könnyű, hisz belejátszik az élővilág összes bonyodalma. A legfontosabb nehézség azonban az, hogy a létért való küzdelem sikerességét leíró fitnesz nem valami állandó érték: egy adott lehetőséghez (mondjuk úgy: niche-hez) való alkalmazkodás fitnesz-előnye függ attól, hogy ez a niche üres-e még, vagy már betöltött. Az ily módon állandóan változó körülményekhez való folyamatos alkalmazkodni törekvés az, amely létrehozza az élővilág sokféleségét, a sokmillió élő fajt.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The unifying concept that underlines all of our work is the feedback loop of population regulation. Earlier we participated in the development of adaptive dynamics/speciation theory, developed the general mathematical theory of the ecological niche and published a textbook ‘’Theory-Based ecology” at Oxford University Press. These developments, taken together, constitute a unified theoretical approach towards biological diversity: Species must differ sufficiently in their way of regulation to coexist robustly. Moreover, the very same regulating feedback implements the frequency-dependent disruptive selection, causing adaptive speciation in presence of a new ecological opportunity.
In the current application we proposed further theoretical investigations within this framework: extension to local interactions between the individuals, development of the population genetics of adaptive speciation and theory of diverse ecosystems. Also, we are planning synthesis publications on the framework, including a theoretical monograph written by the PI of the project.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The concept underlying the proposal can be characterised by the following question and hypothesis:
Question: How is biological diversity generated and maintained?
Hypothesis: The feedback of population abundances on population growth rates (fitness) is the effect that stabilises the coexistence of sufficiently different species. The same feedback is the reason for frequency-dependence of selection leading to branching evolution, i.e. speciation.
The Research Plan summarises past research related to these question/hypothesis and specifies the work planned in the current proposal. In questions:
How can the theory of feedback be extended to local interaction between individuals?
How does trait distribution of a single population (usually Gaussian) deform to a bimodal distribution describing two populations?
What is the essence of highly diverse ecosystems?
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Issues related to our proposal, as reasons and conditions of biological diversity, are widely investigated both in empirical and theoretical research. However, our approach is unique in one respect: we study these topics within a unified theoretical framework, which is based on the common fundamentals of ecology and evolution. This attitude distinguishes our “Theory-Based Ecology” book at Oxford University Press from any other ecology book, including the theoretical ones. This is the approach we used, and intend to use in the future, in the theory of high diversity and speciation.
It is not self-evident, that this theoretical approach is useful at the level of specific research. No theory can save us from studying specific species and ecosystems. We see, however, that ecology is full with verbal theories, which makes no sense from mathematical point of view and with debates, which would not exist if prestige of ecological theory would be appropriate. We discuss these issues in our book in length. Obviously, wrong ideas are falsified sooner, or later, by empirical research alone. During the last few years both the neutral theory of biodiversity (which we consider mechanistically nonsense) and the allopatric theory of speciation (which we find unlikely by parsimony) lost ground considerably. Still, we assume that the solid theoretical basis, which we propose, will be a significant help for the more specific studies.
Conservation of biological diversity is of great societal interest. The questions related to conservation are the same as the basic questions of ecology in general. We do not expect our research directly relevant for conservation. We hope to help that effort indirectly, through the general development of ecology, however.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
How does a species adapt to its environment? Why are there so many species? These are fundamental questions of biology. It is natural to assume that there are so many species exactly because there are many different possibilities for adaptations. This simple idea is the basis of our work.
Each species loads its environment somehow. Its abundance increases until something stops it: there are no more food, or habitat, or something else necessary. Struggle for life is the essential element of Darwin’s theory. Species living at the same space and consuming the same food are in competition with each other; the most efficient consumer of that resource will win. If there is a different habitat, or a different kind of food nearby, which is not overloaded yet, it will be advantageous to readapt to that possibility. This is the way of emergence of a new species. Of course, after some time, the new “niche” (this is the word for the possibility) will be loaded as well. However, there will be no competition between the old, and the new species. They will compete for different things.
We are working on the exact mathematical representation of these considerations. It is not easy, because of the endless complicacies of life. The most important difficulty is that the fitnesses, describing the success of adaptation to different niches, are not constant: it depends on whether that niche is already occupied, or not. The never-ending adaptation to such always-changing world leads to the enormous diversity of life in Earth.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
