Dynamics of structured populations

Esta tese aborda a dinâmica de populações biológicas estruturadas. Essas estruturas podem ser quaisquer características que distinguam indivíduos da mesma população: sexo, idade, estágio, tamanho, localização espacial. Exploramos uma variedade de sistemas ecológicos e estratégias de modelagem, trabalhando com biólogos e ecólogos em problemas específicos. Estudamos alguns modelos espaciais explícitos para dispersão em conexão com estrutura de estágio. Isto inclui um modelo de equaçõesintegrais a diferenças para a invasão de moscas varejeiras no Brasil durante os anos 70, parametrizado com dados tanto de laboratório quanto de campo para prever \emph{a posteriori} a velocidade de invasão, obtendo boa concordância. Também estudamos o fenômeno conhecido como desconexão de \emph{habitat}, em que indivíduos imaturos de espécies com história de vida complexa, tais como anfíbios dependentes de cursos d'água para reproduzir, são fisicamente separados do seu \emph{habitat} adulto, o que aumenta sua mortalidade drasticamente e pode levar a um limiar de extinção. Investigamos ainda um modelo para migração a partir de uma mancha em uma paisagem com forte sazonalidade, onde a dispersão é possível somente durante uma parte do ano, levando a regimes distintos dependendo da duração dessa estação em relação ao tempo característico de difusão na matriz. Atacamos também problemas envolvendo a coexistência de espécies em comunidades, começando com a dinâmica de coexistência de duas espécies relacionadas por mutualismo intraguilda -- predadores de um recurso comum compartilhado, mas que se beneficiam da presença uma da outra devido ao aumento da eficiência de predação, levando a coexistência estável. Além disso, desenvolvemos um modelo eco-epidemiológico para a transmissão de malária na mata Atlântica, que incorpora fatores ecológicos na taxa de picadas e tamanho da população de mosquitos.Este modelo é parametrizado com dados e explica a ausência da transmissão de malária nesta região, em contraste ao modelo de Ross-MacDonald. Introduzimos um novo quadro teórico para prever a dinâmica populacional de animais de sangue frio levando em conta a variação de temperatura e a estrutura de estágios. Em particular, incorporamos características de história de vida (taxas de nascimento, morte e desenvolvimento) e sua resposta à temperatura a um modelo de dinâmica de populações, aplicando-o a duas questões: viabilidade da população e competição intra\hyp específica dependente de temperatura. Finalmente, exploramos a dinâmica de comunidades predador-presa nas quais cada população é composta por muitas espécies. Presas podem investir mais em defesa contra predadores às custas de uma menor taxa de crescimento, ao passo que predadores podem ser mais ou menos seletivos, porém os mais seletivos são mais eficientes. Essas características variam ao longo de um eixo contínuo, com cada valor correspondendo a uma espécie. Embora a teoria tradicional simplifique o sistema modelando apenas médias e variâncias, nós seguimos a dinâmica do sistema completo para descobrir como distribuições de características com grande variância, especialmente as bimodais, alteram os resultados da dinâmica de comunidades.Observamos vários tipos de dinâmica, e determinamos sob quais circunstâncias espera-se ver diferenças drásticas entre os modelos usuais e o nosso.This thesis broaches the dynamics of structured biological populations. These structures consist of anything that distinguishes individuals of the same population: sex, age, stage, size, spatial location, individual characteristics, etc. We explored a wide range of ecological systems and modeling approaches, working closely with biologists and ecologists in problems arising in specific contexts. We studied some spatially explicit models for dispersal in connection with stage structure. Those include an integrodifference model for a blowfly invasion in Brazil during the 1970s, parametrized with laboratory and reanalyzed field data to predict a posteriori the invasion speed, obtaining a reasonable agreement. We also study the phenomenon known as habitat split, where immature individuals of species with complex life history, such as amphibians dependent on water streams to reproduce, are physically separated from their adult habitat, what can increase their mortality dramatically and lead to sharp extinction thresholds. We also investigate a model for population migration from a patch in a scenario of strong seasonality, where dispersal is possible only during part of the year, leading to distinct scenarios depending on that duration relative to the characteristic time for diffusion into the matrix. Then we look at problems involving coexisting species in communities, beginning with the dynamics and coexistence of two species engaging in intraguild mutualism, in which they are both specialist predators on a common, shared resource, but benefit from each other’s presence because of increased predation efficiency, leading to stable coexistence. We also develop an eco-epidemiological model for malaria transmission in the Atlantic Forest that incorporates feedbacks from ecological factors into biting rate and mosquito population size. Parametrized with data, it explains the absence of malaria transmission in the area, in contrast to the Ross-MacDonald model. We introduce a novel framework to predict the population dynamics of cold-blooded animals taking into account temperature variation and stage structure. We use individual life-history traits (birth, death and development rates) and their response to temperature to parametrize the population dynamics model, applying it to two sets of questions: population viability and (temperature-dependant) intra-specific competition. Finally, we explore the dynamics of predator-prey communities in which each population is composed by many species, characterized by their traits. Prey can invest more in defense against predators, at the cost of slower growth, while predators can be more or less selective on which prey it feeds on, but selective predators are more efficient. These traits can vary along a range of values, each species corresponding to a trait value. While traditional theory simplifies the description of the system by modeling only the aggregate measures of the distribution of traits in the population, we follow the dynamics of the whole system in order to learn how trait distributions with large variance, especially bimodal ones, change the outcomes of the community dynamics. We observe a range of behaviors, and characterize under which circumstances we expect to see drastic deviations from the usual aggregate models.Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP