Modelagem computacional de ecossistemas com competição por recursos e evolução em ambientes heterogêneos

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: DAZA, Sara Lucia Castillo
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFRPE
Texto Completo: http://www.tede2.ufrpe.br:8080/tede2/handle/tede2/8757
Resumo: In this thesis we study an ecosystem model with a spatial structure in which species compete for resources and evolve in a heterogeneous environment. Environmental heterogeneity is introduced through the allocation of resources, which are distributed on the network through a fractal landscape generated through the simulation of the fractional Brownian movement. Thus, the roughness of the landscape is controlled by Hurst’s exponent, H. Each species is characterized by a set of half-saturation constants, which define the e ciency of the species in the use of each resource. Only one species is initially introduced into the system, and new species are generated from mutations that occur with probability ѵ. The set of half-saturation constants that characterize the mutant species is obtained from the set of the ancestral species, in which one of the constants is modified and obtained through a normal distribution in which the mean is equal to that of the ancestral species and three di erent values for the variance are studied. In the first part of the work, we studied the behavior of diversity patterns presented by the system. We observed that the mean diversity presented a lower value for H = 0:01 (very rough landscape) for the case in which the probability of mutation of the species is lower. We also verify that the species-area relationship has two power law regimes in which S ~ Az, where the exponents obtained for large areas are greater than those obtained for small areas. We also investigated the relationship between the mean number of species and the Hurst exponent, H. For the highest mutation probability value, we note that a higher value of variance in the distribution of the half-saturation constants leads to less diversity. For the case in which the probability of mutation is lower, we observed an increase in the average number of species with H, and less diversity for the case in which the variance of the distribution of the half-saturation constants is smaller. In the second part of the work we did a more statistical study, where we analyzed the behavior of the distribution of the fluctuations in the temporal evolution of diversity. We also studied the relationship between diversity and di erent mutation probability values. We saw that the stretched exponential distribution provided a good fit of the behavior of heavy tail distributions, as were the distributions of the histograms of increments of diversity. We find an adjustment exponent β ≈ 1 indicating that the system has memory for low mutation probabilities, and an exponent β = 2 for higher mutation probabilities, from which we infer that the system behaves like a Markov process. We also noticed a behavior change in the relationship between the exponent and the β mutation probability. For low mutation probability values this relationship follows a power law. For high mutation probabilities, β becomes independent of ѵ. We realized that changing the fluctuation in diversity only depends on the probability of mutation.
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Thus, the roughness of the landscape is controlled by Hurst’s exponent, H. Each species is characterized by a set of half-saturation constants, which define the e ciency of the species in the use of each resource. Only one species is initially introduced into the system, and new species are generated from mutations that occur with probability ѵ. The set of half-saturation constants that characterize the mutant species is obtained from the set of the ancestral species, in which one of the constants is modified and obtained through a normal distribution in which the mean is equal to that of the ancestral species and three di erent values for the variance are studied. In the first part of the work, we studied the behavior of diversity patterns presented by the system. We observed that the mean diversity presented a lower value for H = 0:01 (very rough landscape) for the case in which the probability of mutation of the species is lower. We also verify that the species-area relationship has two power law regimes in which S ~ Az, where the exponents obtained for large areas are greater than those obtained for small areas. We also investigated the relationship between the mean number of species and the Hurst exponent, H. For the highest mutation probability value, we note that a higher value of variance in the distribution of the half-saturation constants leads to less diversity. For the case in which the probability of mutation is lower, we observed an increase in the average number of species with H, and less diversity for the case in which the variance of the distribution of the half-saturation constants is smaller. In the second part of the work we did a more statistical study, where we analyzed the behavior of the distribution of the fluctuations in the temporal evolution of diversity. We also studied the relationship between diversity and di erent mutation probability values. We saw that the stretched exponential distribution provided a good fit of the behavior of heavy tail distributions, as were the distributions of the histograms of increments of diversity. We find an adjustment exponent β ≈ 1 indicating that the system has memory for low mutation probabilities, and an exponent β = 2 for higher mutation probabilities, from which we infer that the system behaves like a Markov process. We also noticed a behavior change in the relationship between the exponent and the β mutation probability. For low mutation probability values this relationship follows a power law. For high mutation probabilities, β becomes independent of ѵ. We realized that changing the fluctuation in diversity only depends on the probability of mutation.Nesta tese estudamos um modelo de ecossistema com estrutura espacial em que as espécies competem por recursos e evoluem em um ambiente heterogêneo. A heterogeneidade ambiental é introduzida através da atribuição de recursos, que são distribuídos na rede por meio de um relevo fractal gerado através da simulação do movimento Browniano fracionário. Dessa forma, a rugosidade do relevo ´e controlada por meio do expoente de Hurst, H. Cada espécie é caracterizada por um conjunto de constantes de meia-saturação, que definem a eficiência da espécie no uso de cada recurso. Apenas uma espécie ´e introduzida inicialmente no sistema, e novas espécies são geradas a partir de mutações que ocorrem com probabilidade ѵ. O conjunto de constantes de meia-saturação que caracteriza a espécie mutante é obtido a partir do conjunto da espécie ancestral, em que uma das constantes ´e modificada e obtida através de uma distribuição normal em que o valor médio é igual ao da espécie ancestral e três valores diferentes para a variância são estudados. Na primeira parte do trabalho, estudamos o comportamento de padrões de diversidade apresentados pelo sistema. Observamos que a diversidade média apresentou um valor mais baixo para H = 0:01 (relevo muito rugoso) para o caso em que a probabilidade de mutação das espécies é mais baixa. Verificamos, também, que a relação espécie-área apresenta dois regimes em lei de potência em que S ~ Az, onde os expoentes obtidos para áreas grandes são maiores que os obtidos para áreas pequenas. Também investigamos a relação entre o número médio de espécies e o expoente de Hurst, H. Para o valor de probabilidade de mutação mais alto, notamos que um valor mais alto de variância da distribuição das constantes de meia-saturação leva a uma menor diversidade. Já para o caso em que a probabilidade de mutação é menor, observamos um crescimento do número médio de espécies com H, e uma menor diversidade para o caso em que a variância da distribuição das constantes de meia-saturação é menor. Na segunda parte do trabalho fizemos um estudo mais estatístico, onde analisamos o comportamento da distribuição das flutuações da evolução temporal da diversidade. Também estudamos a relação entre a diversidade e diferentes valores de probabilidade de mutação. Vimos que a distribuição exponencial esticada forneceu um bom ajuste do comportamento de distribuições de cauda pesada, como foram as distribuições dos histogramas de incrementos da diversidade. Encontramos um expoente de ajuste β ≈ 1 indicando que o sistema possui memória para probabilidades de mutação baixas, e um expoente β = 2 para probabilidade de mutação mais altas, do qual inferimos que o sistema se comporta como um processo de Markov. Observamos, também uma mudança de comportamento na relação entre o expoente β e a probabilidade de mutação ѵ. Para valores de probabilidade de mutação baixos esta relação segue uma lei de potência. Para probabilidades de mutação altas β torna-se independente de ѵ. Percebemos que a mudança da flutuação na diversidade só depende da probabilidade de mutação.Submitted by (lucia.rodrigues@ufrpe.br) on 2022-12-12T18:01:58Z No. of bitstreams: 1 Sara Lucia Castillo Daza.pdf: 15592546 bytes, checksum: ebda85bfb6efddd5800e2b37debf75fe (MD5)Made available in DSpace on 2022-12-12T18:01:58Z (GMT). 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