Stability in Evolutionary Ecology  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
62000
Type K
Principal investigator Garay, József
Title in Hungarian Stabilitási vizsgálatok az evolúcióökológia területén
Title in English Stability in Evolutionary Ecology
Keywords in Hungarian evolúciós ökológiai stabilitás, denzitásfüggés, koevolúció, Lotka-Volterra modell, táplálék-preferencia, fajkeletkezés;
Keywords in English evolutionary stability, density-dependence, coevolution, Lotka-Volterra model, foraging theory, speciation
Discipline
Theoretical biology, early evolution of life (Council of Complex Environmental Sciences)40 %
Phylogenetics, systematics, taxonomy, comparative biology, ecophysiology (Council of Complex Environmental Sciences)30 %
Environmental biology, ecotoxicology (Council of Complex Environmental Sciences)30 %
Panel Ecology and evolution 1
Department or equivalent Department of Plant Systematics, Ecology and Theoretical Biology (Eötvös Loránd University)
Participants Cressman, Ross Eric
Varga, Zoltán
Starting date 2006-03-01
Closing date 2010-12-31
Funding (in million HUF) 7.739
FTE (full time equivalent) 2.81
state closed project
Summary in Hungarian
Az első rész alapkérdése:
Tekintsünk két méh- és két növényfajt. Ha a növények nektártartalma kimeríthető, akkor hogyan függ a két méhfaj evolúciósan stabilis táplálékpreferenciája a méhek és a növények denzitásától?
Egy háromszintű táplálékhálózat esetén mi az evolúciósan-ökológiailag stabilis táplálékpreferencia, ha a különböző prédák választása más-más predációs kockázatot jelent a nem csúcsragadozók számára?
Tekintsünk egy ragadozó és két prédafajt és a ragadozó stratégiája a táplálékpreferenciája, míg a préda fajok stratégiája két élőhely közötti választás, továbbá a táplálékban gazdag területen nagyobb a predáció kockázata, míg a biztonságos területen táplálékhiány van. Kérdés, mi az evolúciósan stabilis élőhelyválasztás.
Kidolgozandó egy olyan evolúciós-ökológiai modell, amely az általunk bevezetett dinamikus evolúciós stabilitási fogalom segítségével modellezi a fajkeletkezést, és képes nem folytonos tulajdonságok evolválódását kezelni, valamint kapcsolatot teremt a paleontológia „szaggatott egyensúlyi” elmélete és az evolúciós játékelmélet között.

A pályázat második része a csoportban élő állatokra vonatkozó komplex játékelméleti modell kidolgozását tűzi ki célul, amelyben a szaporodási stratégiák, a csoport lakó- és vadászterületének védelme saját, illetve más fajok csoportjai és egyedei ellen, a táplálék megszerzése, a csoporton belüli rangsorküzdelmek egyszerre figyelembe vehetők.
Summary
The basic questions of the first part are the following:
Let us consider two bee and two plant species, in which the nectar stock can be exhausted. What is the density dependent evolutionarily stable food preference?
In case of a three-level food chain, when do evolutionarily-ecologically stable food preferences exist, if choosing different preys represent different risks for the non-top predators?
Let us consider a one predator–two prey system. Assume that the risk of predation is high in the habitat where food is abundant, while in the safe habitat the food is scarce. The question is: what are the evolutionary stable habitat choices?
Elaborate an evolutionary-ecological model describing the speciation in terms of the dynamic evolutionary stability concept introduced by us, which is able to deal with evolving non-continuous traits and establishes a connection between the theory of punctuated equilibria of paleontology and evolutionary game theory.

The second part of the project is aimed at the set-up of such a complex game-theoretical model concerning social animals, in which the reproduction strategies, the defense of the habitat and the hunting territory of the group against individuals of their own or other species, the acquisition of food and ranking conflicts within the group can be taken into consideration at the same time.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Többfajos evolúcióökológiai modellt dolgoztunk ki, amely alkalmas az invazív fajok és a paleontológia „szakaszos egyensúlyi” fogalmának vizsgálatára. Megmutattuk, hogy az adaptív dinamikai stabilitás speciális esetként adódik az általunk bevezetett dinamikus stabilitásból. Kimutattuk, hogy a nem kooperáló egyedek kellően hatásos büntetésével stabilizálható a kooperáció. Igazoltuk, hogy a természetes szelekció folyamán az „optimalizáló” (saját bevételét maximalizáló) típust kiszelektálja a „versengőt” (aki relatív előnyét maximalizálja). Egy evolúciós játékelméleti modellel kimutattuk, hogy kis csoportlétszám mellett az altruista segítség többszöri ragadozótámadás esetén ESS. Igazoltuk, hogy mind a Ewens-féle parciális rátermettség, mind a relatív előny növekedési rátája egyaránt arányos a rátermettségek varianciájával. Példát adtunk olyan paraméterekre, amelyek esetén a méhek optimális nektárgyűjtési viselkedése nem garantálja a koegzisztenciát, ha két növényfaj nektárjáért két méhfaj versenyez. Megmutattuk, hogy nem opportunista (célprédát kereső és csak azt üldöző) ragadozó esetén kevert ESS, míg opportunista (alkalmanként nem célprédára is támadó) ragadozó esetén általában tiszta ESS alakul ki. Megmutattuk, hogy két külön-külön stabilizáló hatás (menedékhasználat és látszólagos versengés) együttesen destabilizálhat egy ragadozó-zsákmány rendszert. A pályázat a célkitűzései között nem szereplő problémákról további csatlakozó cikkeket publikáltunk
Results in English
We have set up a multi-species evolutionary-ecological model, appropriate for the study of invasive species and the concept of punctuated equilibrium of paleontology. We have shown that adaptive dynamic stability can be obtained as a special case of the dynamic stability introduced by us. We have proved that cooperation can be stabilized by sufficiently efficient punishment of non-cooperative individuals. We have demonstrated that in natural selection the “optimizer” type (maximizing its own revenue) selects out the competitor type (maximizing its relative advantage). Using an evolutionary game-theoretic model, we have shown that, for small groups, altruism is ESS in multi-attack games. We have proved that both partial fitness of Ewens and relative advantage have a growth rate proportional to the fitness variance. We have found parameter values, for which, the optimal nectar collection doesn’t guarantee coexistence, if two bee species compete for the nectar of two plant species. We have shown that in the case of a non-opportunistic predator (seeking a focal prey and chasing only that) a mixed ESS is formed, while in the case of an opportunistic predator (occasionally also attacking a non-focal prey), a pure ESS is developed. We have proved that different stabilizing factors (refuge use and apparent competition), applied together, may destabilize a predator-prey system. We have also published papers on related problems not figuring among the original objectives of the project.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=62000
Decision
Yes





 

List of publications

  
M. Gámez, I. López, I. Szabó and Z. Varga: Verticum-type systems applied to ecological monitoring, Applied Mathematics and Computation,, 2010
I. López, M. Gámez, J. Garay, T. Standovár and Z. Varga: Application of change-point problem to the detection of plant patches, Acta Biotheoretica 58:51-63, 2010
Garay, J: Active centrum hypothesis: The origin of chiral homogeneity and the RNA-world., Biosystem 103: 1-12, 2011
Cressman, R., Garay, J: The effects of opportunistic and intentional predators on the herding behaviour of prey., preprint in Ecology, 2011
Garay, J. Varga, Z.: Evolutionary dynamics for economic behaviour: competition versus optimization., Pure Mathematics and Applications, 2007
]. I. López, M. Gámez, J. Garay, T. Standovár and Z. Varga.: Application of change-point problem to the detection of plant patches, Acta Biotheoretica 58:51-63, 2010
Garay, J.: Cooperation in defence against predator, J. Theor. Biol 257: 45-51, 2009
Cressman, R., Garay, J: A Predator-Prey Refuge System: Evolutionary Stability in Ecological Systems, Theor. Pop. Biol. 76: 248-257, 2009
Z. Varga, A. Scarelli, R. Cressman and J. Garay.: Evolutionary game model for a marketing cooperative with penalty for unfaithfulness., Nonlinear Analysis: Real World Applications 11: 742-749, 2010
M. Gámez, I. López, J. Garay, Z. Varga.: Observation and control in a model of a cell population affected by radiation, Biosystems96, 172–177, 2009
Sebestyén Z., Varga Z., Garay J., and Cimmaruta R: Dynamic model and simulation analysis of the genetic impact of population harvesting, Applied Mathematics and Computation 216: 565-575, 2010
Cressman, R., Garay, J.: A game–theoretical model for punctuated equilibrium: species invasion and stasis through coevolution, BioSystem 84: 1-14, 2006
I. López, M. Gámez, J. Garay and Z. Varga,: Monitoring in a Lotka-Volterra model., BioSystems Vol. 87 No.1, 68-74, 2007
Garay, J. Móri, F. T.: When is the opportunism remunerative?, Community Ecol. 11:160-170., 2010
I. López, M. Gámez and Z. Varga: Observer design for phenotypic observation of genetic processes., Nonlinear Analysis: Real World Applications, 2007
Garay, J.: Adaptive dynamics based on ecological stability., In “Advances in Dynamics Game Theory: Numerical Methods, Algorithms and Applications to Ecology and Economics” Ed. Jorgensen S., Quincampoix M, Vincent T. L., 2007
Garay, J: Relative advantage and fundamental theorems of natural selection., In. Mathematical Modelling of biological Systems, vol. II. : Eds: Deutsch, A, Parra R.B., Boer, R.J., Dieckman, O., Jagers, P., Kisdi É., Kretzschmar, M., Lansky, P., Met, 2007
M. Gámez, I. López, J. Garay and Z. Varga: Monitoring the effects of human activities and environmental change on a population system, iEMMs 2008, July 7-10, 2008, Barcelona, Spain. Peer-reviewed full paper in Proceedings of the International Congress on Environmental Modelling and Software iEMSs, 2008
J. Garay, R. Cressman and Z. Varga: Population-dynamical consequence of a two-species foraging problem concerning bee populations, International Congress of Mathematicians, ICM 2006, 22-30 August, 2006, Madrid /Madrid / Spain. Abstracts, 170, 2006
J. Garay, R. Cressman and Z. Varga: Population-dynamical consequence of a two-species foraging problem concerning bee populations, International Congress of Mathematicians, ICM 2006, 22-30 August, 2006, Madrid /Madrid / Spain. Abstracts, 170, 2006
A. Scarelli, J. Garay and Z. Varga: Evolutionary Dynamics for the Behaviour in a Cooperative., SING 2 – Spain-Italy-Netherlands Meeting on Game Theory. 14-17 June 2006, Foggia / Italy. Abstracts, 161, 2006
J. Garay, A. Scarelli, R. Cressman and Z.Varga: Dynamic game model for a marketing cooperative with penalty for unfaithfulness, XXX AMASES (Italian Association of Mathematics Applied to Economics and Social Sciences) National Congress. 4-7 September, 2006, Trieste, Italy, 2006
Z. Varga and J. Garay: Testing an evolutionary game model of predator-prey interaction., 11-th Spanish Biometric Conference and 1-st Biometric Meeting of Iberian and Latin American Countries, Salamanca / Spain, 20-22 June 2007. Abstracts 45., 2007
I. López, T. Standovár, J. Garay, Z. Varga and M. Gámez: Statistical analysis of spatial plant patterns under the effect of forest use, iEMMs 2008, July 7-10, 2008, Barcelona, Spain. Peer-reviewed full paper in Proc. of the Internat Congress on Environmental ISBN: 978-84-7653-074-0, Vol. 3, 1766-1773, 2008
M. Gámez, I. López, J. Garay and Z. Varga,: Monitoring the effects of human activities and environmental change on a population system, iEMMs 2008, July 7-10, 2008, Barcelona, Spain. Peer-reviewed full paper in Proc. of the Internat Congress on Environmental , ISBN: 978-84-7653-074-0, Vol. 3, 1877-1884., 2008
Z. Varga, I. López, A. Scarelli and J. Garay,: Control and observation in population models. Conference on Boundary Value Problems: Mathematical Models in Engineering, Biology and Medicine, Santiago de Compostela /Spain, September 16-19, 2008. Abstracts, 113., 2008
A. Scarelli, J. Garay and Z. Varga: Game-theoretic model for the conflict of producers with the environmental policy of the government., International Conference on Sustainable Development in Southeast Europe. 16-20 June 2009, Tekirdag-Istanbul, Turkey. Abstracts, 26., 2009
Garay, J.: Multi-species ESS and substitution in Lotka-Volterra systems, 8th Hungarian Congress of Ecology, Szeged, 2009. (In Hungarian), 2009
Garay, J., Scarelli, A., Varga, Z.: Dynamic model for the conflict of producers with the environmental policy., AIRO2009. 40th Annual Conference Italian Operational Research Society: Decision and optimization models for the evolution and management, Siena, Italy, Abstracts 94., 2009
Z. Sebestyén, Z. Varga, J. Garay, R. Cimmaruta: Fishing effort model with genetic structure. Synergy, International Conference on Synergy and Technical Development, 30 August-03 September, 2009, Gödöllő, Hungary Abstracts, 73, 2009
Garay, J: Envy, charity and selfishness, BIRS Workshop on Evolutionary Games June 13-18, 2010 The Banff Centre, Banff, Alberta, Canada, Abstract, 4, 2010
Garay, J: Competitor against optimizer: Evolutionary dynamics model, Fourteenth International Symposium on Dynamic Games and Applications June 19-23, 2010 The Banff Centre, Banff, Alberta, Canada Abstracts, 35, 2010
Garay, J., Szigeti F., Cabello T., Carreno R: Opportunism as optimal foraging strategy., CMPD3 May 31 Jun 4, 2010 Bordeaux, France. Abstracts, 93, 2010
Garay, J.: Partial change in mean fitness versus relative advantage in findamental theorem of natural selection, In Deutsch et al. (ed) Mathematical Modeling of Biological System Vol. II.) 63-74., 2007
Garay, J: Altruistic in defence against a predator, SING 6, 6th Spain, Italy and Netherlands; Meeting on Game Theory Jul 7-9, 2010 Palermo Italy. Abstracts, 57, 2010
Garay, J.: An ecological game-theoretical model for the foraging problem of bees., BIRS Workshop on Evolutionary Games Dynamics, 2006
I. López, M. Gámez, J. Garay, Z. Varga.: Construcción de un observador en un modelo depredador-presa. XXIX Congreso Nacional de Estadística, XXIX Congreso Nacional de Estadística e Investigación Operativa, Tenerife, 15-19 de mayo de 2006. Actas, 105-106., 2006
I. López, M. Gámez and Z. Varga,: Observer design for phenotypic observation of genetic processes., ICM 2006, 22-30 August, 2006, Madrid / Spain. Abstracts, 171, 2006
Z. Varga,: Observer design in population genetics., Conferencia para el 30 Aniversario del Postgrado de Matemática, Universidad Central de Venezuela, Caracas, 23-27 de Octubre de 2006 (invited lectu, 2006
I. López , J. Garay, R. Carreño, Z. Varga: Observer Design for Ecological Monitoring, Proceedings of World Academy of Science, Engineering and Technology (ISSN: 2070-3724) 54: 371-375, 2009



Back »