栖息地结构与个体差异对模拟声学通信网络的影响

《Animal Behaviour》：Effects of habitat structure and individual variation in a simulated acoustic communication network

动物交流网络中植被衰减与个体行为变异对网络结构的影响研究。通过计算机模拟发现，植被水平升高通常降低网络连通性并增强模块性，但背景噪音减少时可能提升连通性；行为异常体（如高音量/长持续时间信号或高敏感度）虽对网络整体影响有限，但显著改变邻近个体行为，且结果受群体规模调节。

　　

迈克尔·S·赖歇特（Michael S. Reichert）

美国俄克拉荷马州立大学生物系，斯蒂尔沃特（Stillwater, OK）

技术的进步使得我们能够对整个通信网络进行表征，这对理解动物交流和社会行为具有重要意义。下一步的重要工作是实验性地操纵影响网络结构的变量，但此类研究仍然较为罕见。虽然已知多种变异因素会影响个体间的交流互动以及信号的进化过程，但它们对动物通信网络的影响却鲜有关注。为了为未来的实验研究提供思路和预测，我使用计算机模拟来研究声学通信网络中的竞争性互动，探讨了以下两个因素的影响：（1）栖息地中植被密度的变化导致声信号衰减程度的变化；（2）个体信号特征的变化，特别是那些具有特别响亮信号、特别长持续时间信号或特别敏感听觉的“行为异常个体”。我测试了这些变量对个体行为和通信网络结构的影响。总体而言，植被密度的增加会导致网络连通性降低和网络模块化程度提高，但在某些情况下，由于植被减少了背景噪声，网络连通性反而增强。行为异常个体对网络层面的影响有限，但确实影响了个体的多个行为方面。这些影响在距离行为异常个体最近的个体上最为显著，同时也波及网络中的许多其他个体。许多结果还受到群体规模的影响，表明空间利用、个体变异和通信网络结构之间存在潜在的反馈关系。因此，未来的通信网络实验研究应致力于测量影响信号传输的环境因素的异质性，以及空间定位如何与个体交流变异相互作用，从而驱动网络中的互动。

章节摘录

方法

我模拟了声学通信网络中的竞争性互动。本研究的模拟借鉴了树蛙求偶过程中的竞争性信号传递机制，并在之前的研究（Reichert, Luttbeg等人，2024年）的基础上，加入了环境中的植被结构导致的信号衰减效应，并改变了网络中特定个体的交流特征。本研究关注的是空气中的声信号，未考虑基质因素。

植被的影响

植被造成的信号衰减影响了通信网络的结构。我研究了网络结构的两个方面：首先是边密度，它表示信号发送者和接收者之间实际发生的连接比例。正如预测的那样，随着植被密度的增加，边密度降低（见图1），而且当植被产生的信号衰减更大时，这种趋势更为明显。然而，这些效应还受到个体感知能力和网络本身的其他因素的影响。

讨论

本研究在之前的通信网络竞争性互动模拟（Reichert, Luttbeg等人，2024年）的基础上，加入了物理环境和社会环境中的额外变异因素。这两个因素对双向交流互动都至关重要。通信网络覆盖的面积和涉及的个体数量远超过任何单向交流实例，因此也更可能受到这些因素的显著影响。

作者贡献

迈克尔·S·赖歇特（Michael S. Reichert）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、结果验证、软件开发、资源准备、项目管理工作、方法论设计、实验设计、资金申请、数据分析以及概念框架的构建。

数据获取

数据和模拟代码可在此链接获取：https://figshare.com/s/273fddc83a9fe9624782

利益声明

作者声明不存在任何利益冲突。

致谢

Matías Mu?oz编辑以及两位匿名审稿人对本文的撰写提供了宝贵的反馈。本研究利用了俄克拉荷马州立大学斯蒂尔沃特分校的高性能计算中心设施。本研究得到了美国国家科学基金会CAREER项目（编号：IOS-2339824）的资助。