Adaptive Dynamics in Fluctuating Environments and its Application in Evolutionary Studies

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7405-5
Title: Adaptive Dynamics in Fluctuating Environments and its Application in Evolutionary Studies
Author: Cai, Yuhua
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Mathematics and Statistics
Doctoral Programme in Mathematics and Statistics
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2021-08-02
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7405-5
http://hdl.handle.net/10138/331752
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: This article-based dissertation aims to understand by means of mathematical models how organisms evolutionarily respond to fluctuations in the environment. It uses the approach of adaptive dynamics to study the long-term evolution of phenotypic strategies in an environment that fluctuates in time because of biotic interactions and/or external factors. The dissertation demonstrates how this approach can reveal clear-cut explanations for complex environment-phenotype relationships by one general method-oriented article and two case studies in two additional articles. In the first article, I show that under the standard assumptions of adaptive dynamics, in particular mutation-limited evolution and small mutation steps, the generic dynamics of the resident-invader population in fluctuating environments can be fully characterized in terms of the behaviour near the boundaries of population state space, which in turn can be determined by the invasion criteria. This generalizes previous results for unstructured populations in a constant environment, which is important because it justifies the use and interpretation of various methods in the theory of adaptive dynamics for a significantly larger class of ecological situations that include fluctuating environments and structured populations. The two case studies are applications of the classification of invasion outcomes to explore the long-term evolutionary consequences of many successive invasion events. In the first case study, I investigate the evolution of the irreversible transition from a free-swimming state to an immobile sessile state as seen in many aquatic invertebrates. To this end, I study the adaptive dynamics of the settling rate of a hypothetical microorganism onto the wall of a chemostat with a fluctuating nutrient availability. The results show that different dilution rates and spatial competition mechanisms, as well as different frequencies of the nutrient fluctuations, have qualitatively different effects on the evolution of the settling rate as well as on species diversity. The model generates several hypotheses for further empirical studies. In the second case study, I investigate the evolution of the colonization rate in an extended competition-colonization model with ownership effects and stochastically varying mortality rate. I find that the strength of the trade-off, ownership effect and fluctuation intensity all have a non-monotonic effect on the emergence of species diversity via evolutionary branching. In particular, intermediate disturbance---as measured by the fluctuation intensity of the mortality rate---promotes evolutionary branching and hence the emergence of polymorphisms. This provides new evidence for the intermediate disturbance hypothesis. I also find that there can be multiple evolutionary attractors for polymorphic populations, each with its own basin of attraction. Consequently, random mutation-induced transition of coevolutionary trajectories between neighbouring basins of attraction makes the long-term evolutionary outcome uncertain. By means of these examples, the dissertation demonstrates that the approach of adaptive dynamics is a powerful tool for untangling the connection between environmental changes and adaptive strategies.Tämä artikkelipohjainen väitöskirja pyrkii ymmärtämään matemaattisten mallien avulla, miten organismit reagoivat evoluutioarvoisesti ympäristön vaihteluihin. Se käyttää adaptiivisen dynamiikan lähestymistapaa fenotyyppistrategioiden pitkän aikavälin kehityksen tutkimiseen ympäristössä, joka vaihtelee ajassa bioottisten vuorovaikutusten ja/tai ulkoisten tekijöiden vuoksi. Väitöskirja osoittaa, miten tämä lähestymistapa voi paljastaa selkeät selitykset monimutkaisille ympäristö fenotyyppisuhteille yhdellä yleisellä menetelmäkeskeisellä artikkelilla ja kahdella tapaustutkimuksella kahdessa ylimääräisessä artikkelissa. Ensimmäisessä artikkelissa osoitan, että mukautuvan dynamiikan, erityisesti mutaatiorajoitetun evoluution ja pienten mutaatiovaiheiden, oletusten mukaan asukas-hyökkääjän populaation yleinen dynamiikka vaihtelevissa ympäristöissä voidaan täysin luonnehtia käyttäytymisen suhteen väestön tilatilan rajat. Tämä puolestaan voidaan määrittää hyökkäyskriteereillä. Tämä yleistää strukturoimattomien populaatioiden aiemmat tulokset vakioympäristössä, mikä on tärkeää, koska se oikeuttaa erilaisten menetelmien käytön ja tulkinnan adaptiivisen dynamiikan teoriassa huomattavasti suuremmalle ekologisten tilanteiden luokalle, mukaan lukien vaihtelevat ympäristöt ja strukturoidut populaatiot. Nämä kaksi tapaustutkimusta ovat hyökkäystulosten luokittelun sovelluksia monien peräkkäisten hyökkäystapahtumien pitkän aikavälin evoluutiovaikutusten tutkimiseen. Ensimmäisessä tapaustutkimuksessa tutkin peruuttamattoman siirtymisen vapaan uinnin tilasta liikkumattomaan istumattomaan tilaan, kuten monissa vedessä elävissä selkärangattomissa. Tätä varten tutkin hypoteettisen mikro-organismin asettumisvauhdista mukautuvaa dynamiikkaa kemostaatin seinämään, jonka ravinteiden saatavuus vaihtelee. Tulokset osoittavat, että erilaisilla laimennusasteilla ja alueellisilla kilpailumekanismeilla sekä ravinnevaihteluiden eri taajuuksilla on laadullisesti erilaiset vaikutukset selvittelyasteen kehitykseen ja lajien monimuotoisuuteen. Malli tuottaa useita hypoteeseja empiirisiin lisätutkimuksiin. Toisessa tapaustutkimuksessa tutkin kolonisaatioasteen kehitystä laajennetussa kilpailu-kolonisaatiomallissa, jolla on omistusvaikutuksia ja stokastisesti vaihteleva kuolleisuusaste. Tulokset osoittavat, että kompromissin vahvuudella, omistusvaikutuksella ja vaihteluintensiteetillä on kaikilla ei-monotoninen vaikutus lajien monimuotoisuuden syntymiseen evoluutiohaarautumisen kautta. Erityisesti välituote häiriön (mitattuna kuolleisuuden vaihteluvoimakkuudella) edistävät evoluution haarautumista ja siten polymorfismien syntymistä. Tämä antaa uutta näyttöä välituotehäiriön hypoteesista. Huomaan myös, että polymorfisille populaatioille voi olla useita evoluutiovetovoimia, joista jokaisella on oma vetovoima-alue. Tästä johtuen satunnaisen mutaation aiheuttama koevoluutioreittien siirtyminen vierekkäisten vetovoima-alueiden välillä tekee pitkän aikavälin evoluutiotuloksen epävarmaksi. Näiden esimerkkien avulla väitöskirja osoittaa, että adaptiivisen dynamiikan lähestymistapa on tehokas työkalu ympäristömuutosten ja adaptiivisten strategioiden välisen yhteyden purkamiseen.
Subject: applied Mathematics
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Yuhua_Cai_Dissertation_2021.pdf 820.1Kb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record