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Spontaneous Pattern Formation and Genetic Diversity in Habitats with Irregular Geographical Features

Authors

  • Hiroki Sayama,

    Corresponding author
    1. New England Complex Systems Institute, 24 Mt. Auburn Street, Cambridge, MA 02138–6042, U.S.A.
    2. Department of Human Communication, University of Electro-Communications, 1–5–1 Chofugaoka, Chofu, Tokyo 182–8585, Japan
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  • Les Kaufman,

    1. New England Complex Systems Institute, 24 Mt. Auburn Street, Cambridge, MA 02138–6042, U.S.A.
    2. Department of Biology, Boston University, 5 Cummington Street, Boston, MA 02215–2406, U.S.A.
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  • Yaneer Bar-Yam

    1. New England Complex Systems Institute, 24 Mt. Auburn Street, Cambridge, MA 02138–6042, U.S.A.
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§email sayama@necsi.org

Abstract

Abstract: The role of spontaneous pattern formation, the appearance of inhomogeneities that are not directly imposed by external forces, has not been closely examined in the context of the origin and maintenance of genetic diversity in wild populations. Using individual-based computer simulations, we demonstrated that such patterns form in spatially distributed species with local demes under disruptive selection. In our model systems, spatial patterns of genetic diversity arose and changed over time even in the context of a spatially homogenous environment. The spatial distribution and dynamics of the fittest genotypes were controlled by the movement of boundaries between domains of the different genotypes. The rate of diversity decay was dramatically slower than predicted by traditional models. Therefore, spontaneous pattern formation may lead to the maintenance of genetic diversity of a species in a contiguous habitat, despite reproductive mixing. Moreover, the diversity persisted significantly longer in larger habitats and habitats with irregular geographical features. Habitat structure was intimately linked to the preservation of genetic diversity. Spontaneous pattern formation should be considered along with other spatial effects in the design of conservation areas.

Abstract

Resumen: El papel de la formación espontánea de patrones, la apariencia de inhomogeneidades que no son impuestas directamente por fuerzas externas, no se ha examinado detalladamente en el contexto del origen y mantenimiento de la diversidad genética en poblaciones silvestres. Utilizando simulaciones de computadora basadas en individuos, demostramos que tales patrones se forman en especies distribuidas espacialmente con demes locales bajo selección disruptiva. En nuestros sistemas de modelo, los patrones espaciales de diversidad genética surgieron y cambiaron a lo largo del tiempo aún en el contexto de un ambiente espacialmente homogéneo. La distribución espacial y la dinámica de los genotipos más aptos fueron controlados por el movimiento de límites entre los dominios de los genotipos diferentes. La tasa de descomposición de diversidad fue dramáticamente más lenta de lo predicho por modelos tradicionales. Por lo tanto, la formación espontánea de patrones puede conducir al mantenimiento de la diversidad genética de una especie en un hábitat contiguo, a pesar de la mezcla reproductiva. Más aún, la diversidad persistió significativamente por más tiempo en hábitats más extensos y en hábitats con características geográficas irregulares. La estructura del hábitat estuvo íntimamente ligada a la preservación de la diversidad genética. La formación del patrón espontáneo debe ser considerada, junto con otros efectos espaciales, en el diseño de áreas de conservación.

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