Architecture of marine food webs : to be or not be a ‘small-world’

Abstract

La búsqueda de propiedades generales en la estructura de redes ha sido un tema central para los estudios de redes tróficas en los últimos años. Una de estas propiedades es la topología de mundo pequeño, que combina una alta agrupación y una pequeña distancia entre los nodos de la red. Esta propiedad puede aumentar la resiliencia de las redes tróficas, pero las hace más sensibles a la extinción de especies conectadas. La teoría de redes tróficas se ha desarrollado principalmente a partir de ecosistemas terrestres y de agua dulce, omitiendo en gran medida los hábitats marinos. Si la teoría necesita ser modificada para acomodar observaciones de ecosistemas marinos, basándose en las grandes diferencias en varias características topológicas, aún es objeto de debate. En este estudio, investigamos si la topología de mundo pequeño es un patrón estructural común en las redes tróficas marinas. Desarrollamos un método novedoso, simple y estadísticamente riguroso para examinar el conjunto más grande de redes tróficas marinas complejas hasta la fecha. Más de la mitad de las redes marinas analizadas exhibieron una longitud de trayectoria característica similar o menor que la esperada aleatoriamente, mientras que el 39% de las redes presentaron una agrupación significativamente mayor que su contraparte aleatoria. Nuestro método demostró que 5 de las 28 redes cumplían ambas características de la topología de mundo pequeño: longitud de camino corta y alta agrupación. Este trabajo representa el primer análisis riguroso de la topología de mundo pequeño y sus características asociadas en redes marinas de alta calidad. Concluimos que dicha topología es un patrón estructural que no se maximiza en las redes tróficas marinas; por lo tanto, probablemente no sea un modelo eficaz para estudiar la robustez, la estabilidad y la viabilidad de los ecosistemas marinos.

The search for general properties in network structure has been a central issue for food web studies in recent years. One such property is the small-world topology that combines a high clustering and a small distance between nodes of the network. This property may increase food web resilience but make them more sensitive to the extinction of connected species. Food web theory has been developed principally from freshwater and terrestrial ecosystems, largely omitting marine habitats. If theory needs to be modified to accommodate observations from marine ecosystems, based on major differences in several topological characteristics is still on debate. Here we investigated if the small-world topology is a common structural pattern in marine food webs. We developed a novel, simple and statistically rigorous method to examine the largest set of complex marine food webs to date. More than half of the analyzed marine networks exhibited a similar or lower characteristic path length than the random expectation, whereas 39% of the webs presented a significantly higher clustering than its random counterpart. Our method proved that 5 out of 28 networks fulfilled both features of the small-world topology: short path length and high clustering. This work represents the first rigorous analysis of the small-world topology and its associated features in high-quality marine networks. We conclude that such topology is a structural pattern that is not maximized in marine food webs; thus it is probably not an effective model to study robustness, stability and feasibility of marine ecosystems.

A busca por propriedades gerais na estrutura de redes tem sido uma questão central para estudos de teias alimentares nos últimos anos. Uma dessas propriedades é a topologia de mundo pequeno, que combina um alto agrupamento e uma pequena distância entre os nós da rede. Essa propriedade pode aumentar a resiliência da teia alimentar, mas torná-la mais sensível à extinção de espécies conectadas. A teoria da teia alimentar foi desenvolvida principalmente a partir de ecossistemas de água doce e terrestres, omitindo amplamente habitats marinhos. Se a teoria precisa ser modificada para acomodar observações de ecossistemas marinhos, com base em grandes diferenças em várias características topológicas, ainda é um debate. Aqui, investigamos se a topologia de mundo pequeno é um padrão estrutural comum em teias alimentares marinhas. Desenvolvemos um método novo, simples e estatisticamente rigoroso para examinar o maior conjunto de teias alimentares marinhas complexas até o momento. Mais da metade das redes marinhas analisadas exibiram um comprimento de caminho característico semelhante ou menor do que a expectativa aleatória, enquanto 39% das teias apresentaram um agrupamento significativamente maior do que sua contraparte aleatória. Nosso método provou que 5 das 28 redes preencheram ambas as características da topologia de mundo pequeno: caminho curto e alto agrupamento. Este trabalho representa a primeira análise rigorosa da topologia de mundo pequeno e suas características associadas em redes marinhas de alta qualidade. Concluímos que tal topologia é um padrão estrutural que não é maximizado em teias alimentares marinhas; portanto, provavelmente não é um modelo eficaz para estudar a robustez, a estabilidade e a viabilidade de ecossistemas marinhos.