Mathematical models for ecological and evolutionary processes in biological invasion
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Data
2023-10-17
Autores
Orientador
Kraenkel, Roberto André 
Coorientador
Coutinho, Renato Mendes
Pós-graduação
Física - IFT 33015015001P7
Curso de graduação
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Tese de doutorado
Direito de acesso
Acesso aberto
Resumo
Resumo (inglês)
Biological invasions are ubiquitous in the Anthropocene. With many factors in-
fluencing how alien species spread into novel territory and large spatio-temporal
scales often make experiments much more complicated. This way, theoretical
quantitative approaches become a useful tool into understanding such factors and
estimating spreading speeds and regime shifts caused by invading populations. In
this thesis we review classical mathematical models for biological invasions in the
form of reaction diffusion equations and integro-difference equations. Then, build-
ing upon reaction diffusion equations theory, we formulate models for consumer
population invasions leading to intraguild predation interaction networks with
resident species in both homogeneous and heterogeneous landscapes. We show
speeds are linearly determinate, and that competitive reversals among intraguild
prey and predator might occur in heterogenous landscapes, leading to unnex-
pected coexistence and exclusion regimes. Moving on, we also develop models for
evolutionary processes in biological invasions, that have been show to take place
in ecological timescale and significantly change spread phenomena. We show that
discrete time recursions for trait structured populations can also exhibit traveling
wave solutions and linearly determinate speeds, and determine the leading edge
trait distributions for different growth-dispersal trade-offs and mutation rates.
Finally, we outline some perspectives and conclusions of our work.
Resumo (português)
Invasões biológicas são onipresentes no antropoceno. Diversos fatores influ-
enciam como uma espécie invasora se espalha pelo novo território e as escalas
espaço-temporais usuais dificultam a realização de experimentos. Assim, aborda-
gens teóricas e quantitativas auxiliam a entender os principais fatores e estimar
velocidades de invasão e mudanças de regime causadas pela espécie não nativa.
Nessa tese, nós revisamos modelos matemáticos clássicos para invasões biológicas,
focando em modelos de equações de reação e difusão e integrais a diferenças.
Construindo sobre a teoria de equações de reação e difusão, nós analisamos um
modelo de invasão de espécies consumidoras em habitats homogêneos e heterogê-
neos, formando redes de predação intraguilda com espécies locais. Determinamos
velocidades de invasão desses consumidores em habitats homogêneos e condições
para reversões competitivas em habitats heterogêneos, levando a regimes de co-
existência e exclusão inesperados. Também construímos e analisamos modelos
para populações estruturadas por fenótipos em termos de equações a integrais a
diferenças. Mostramos que essas equações admitem soluções do tipo onda via-
jante e velocidades assimptóticas linearmente determinadas, e também estudamos
distribuições fenotípicas na frente de invasão e como elas mudam com diferentes
trade-offs entre fertilidade e dispersão e taxas de mutação. Por último, apontamos
algumas perspectivas e conclusões do trabalho.
Descrição
Idioma
Inglês
Como citar
POLONI, Silas. Mathematical models for ecological and evolutionary processes in biological invasion. 2023. Tese (Doutorado em Física) - Instituto de Física Teórica, Universidade Estadual Paulista, São Paulo, 2023