空間的に構造化された集団動力学を記述するための一般的なモデリングフレームワーク

時間と空間を超えた移動の変動は、集団の豊かさと分布を根本的に形作ります。さまざまなアプローチは、構造化された集団のダイナミクスをモデル化していますが、特定のタイプの空間的に構造化された集団に限定されており、統一フレームワークがありません。ここでは、統合されたネットワークベースのフレームワークを、メタポピュレーションやさまざまな渡りパターンなど、さまざまな時空間プロセスをキャプチャする柔軟性に十分な斬新さを提案します。さまざまな種類の年齢構造、人口増加の形態、分散、遊牧民と移住、および代替の生活史戦略に対応できます。私たちの目的は、単一の数学的枠組みの下で、すべての空間的に構造化された集団（空間、時間、動き）に共通する3つの一般的な要素をリンクすることでした。これを行うには、ネットワークモデリングアプローチを採用します。母集団の空間構造は、加重された指示されたネットワークで表されます。各ノードと各エッジには、時間によって異なる属性のセットがあります。ネットワークベースの母集団のダイナミクスは、個別のタイムステップでモデル化されています。理論的および現実世界の両方の例を使用して、共通の要素が種全体で異なる運動戦略を伴う方法と、統一された数学的枠組みの下でどのように組み合わせることができるかを示します。このモデリングアプローチで、メタポピュレーション、さまざまな移動パターン、および遊牧主義をどのように表現できるかを説明します。また、ネットワークベースのフレームワークを、幅広い生活史、運動パターン、および能力を搭載した4つの生物に適用します。フレームワークを実装するための一般的なコンピューターコードが提供されます。これは、ほぼすべての空間的に構造化された母集団に適用できます。このフレームワークは、人口のダイナミクスの理論的理解に貢献し、摂動が人口の規模、分布、および運動パターンに与える影響を理解するなど、実用的な管理アプリケーションを持っています。一般的なフレームワーク内で作業することにより、一般原則ではなくモデルの詳細によって比較分析が色付けされる可能性が低くなります。

Variation in movement across time and space fundamentally shapes the abundance and distribution of populations. Although a variety of approaches model structured population dynamics, they are limited to specific types of spatially structured populations and lack a unifying framework. Here, we propose a unified network-based framework sufficiently novel in its flexibility to capture a wide variety of spatiotemporal processes including metapopulations and a range of migratory patterns. It can accommodate different kinds of age structures, forms of population growth, dispersal, nomadism and migration, and alternative life-history strategies. Our objective was to link three general elements common to all spatially structured populations (space, time and movement) under a single mathematical framework. To do this, we adopt a network modeling approach. The spatial structure of a population is represented by a weighted and directed network. Each node and each edge has a set of attributes which vary through time. The dynamics of our network-based population is modeled with discrete time steps. Using both theoretical and real-world examples, we show how common elements recur across species with disparate movement strategies and how they can be combined under a unified mathematical framework. We illustrate how metapopulations, various migratory patterns, and nomadism can be represented with this modeling approach. We also apply our network-based framework to four organisms spanning a wide range of life histories, movement patterns, and carrying capacities. General computer code to implement our framework is provided, which can be applied to almost any spatially structured population. This framework contributes to our theoretical understanding of population dynamics and has practical management applications, including understanding the impact of perturbations on population size, distribution, and movement patterns. By working within a common framework, there is less chance that comparative analyses are colored by model details rather than general principles.