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Type: Tese de Doutorado
Title: Métodos estocásticos e de teoria de campos aplicados a problemas motivados na ecologia e oncologia
Authors: Renato Vieira dos Santos
First Advisor: Ronald Dickman
First Referee: Joao Antonio Plascak
Second Referee: Ricardo Schwartz Schor
Third Referee: Allbens Atman Picardi Faria
metadata.dc.contributor.referee4: Welles Antônio Martinez Morgado
Abstract: Esta tese de doutorado utiliza métodos estocásticos e de teoria de campos para tratar dois temas diferentes: A dinâmica populacional das células tronco do câncer nos tumores em geral. Analises de processos ecologicamente motivados formulados na rede, utilizando tecnicas de mecanica estatistica de nao equilibrio. No primeiro caso sao aplicadas tecnicas estocasticas para obtermos as distribuicoes de probabilidade para a densidade populacional das chamadas celulas tronco do cancer, com o objetivo de propor uma explicacao para uma controversia relacionada a frequencia com que estas celulas aparecem nos tumores. Utiliza-se tambem, em um outro trabalho e para o mesmo fim, a teoria de campo medio de Weiss, bem como tecnicas matematicas para a obtencao do que as vezes é chamado de tamanho critico de Kierstead- Skellam-Slobodkin. Os resultados destes estudos foram aceitos para publicacao em [1] e em [2]. No segundo caso utiliza-se tecnicas de teoria estatistica de campos em modelos inspirados em problemas de ecologia teorica. Primeiramente estudamos um modelo onde dois processos de contato sao acoplados por um mecanismo do tipo simbiotico e os expoentes criticos foram obtidos. Este trabalho esta publicado em [3]. Posteriormente estudamos um modelo onde, sob certas circunstancias, populacoes escassas podem apresentar maiores chances de sobrevivencia no longo prazo quando comparadas as chances de populacoes mais numerosas. A este fenomeno demos o nome de sobrevivencia do mais escasso no espaco. Este artigo é uma extensao que leva em conta a distribuicao espacial para um modelo previamente proposto e seus resultados foram aceitos para publicacao em [4]. Temos em seguida um modelo que propoe uma explicacao para o problema da existencia da reproducao sexuada na natureza, apesar de todos os custos, quando se compara com o metodo rival de reproduçao, a reproducao assexuada. Este artigo foi submetido para publicacao em [5]. Finalmente temos um modelo onde o fenomeno da discreteza induzindo coexistencia ocorre. Neste caso ha a inducao de coexistencia entre duas especies quando se leva em consideracao o carater discreto das interacoes e as subsequentes flutuacoes estatisticas, como modeladas pela equacao mestra. Caso contrario, as especies seriam extintas. Estuda-se tambem os efeitos das constantes de difusao das especies. Este trabalho foi submetido para publicacao em [6]. Esta tese é organizada como segue: No primeiro capitulo descrevemos de forma geral o metodo do grupo de renormalizacao dinamico utilizado em capitulos posteriores. Utilizamos para isso um exemplo tipico que demonstra muitas das caracteristicas passiveis de serem descritas pelo grupo de renormalizacao. Utilizamos como exemplo o processo de aniquilacao de pares. A sequencia de capitulos subsequente trata dos diversos artigos publicados e submetidos para publicacao. No apendice foram colocados diversos calculos detalhadamente feitos no que se refere ao procedimento de Doi-Peliti, que é um procedimento hoje padrao para se mapear a equacao mestra de um processo estocastico na rede d-dimensional em uma teoria de campos equivalente. Com isso os poderosos metodos analiticos da teoria de campos ficam disponveis.
Abstract: This thesis uses stochastic and field theory methods to address two different issues: The population dynamics of cancer stem cells in tumors in general. Analyses of ecologically motivated processes formulated on lattices, using techniques of nonequilibrium statistical mechanics. In the first case stochastic techniques are applied to obtain the probability distributions for the population density of the so-called cancer stem cells, with the aim to propose an explanation for a controversy related to the frequency with which these cells appear in tumors. In another paper mean-field theory is used to obtain the critical size defined by Kierstead-Skellam-Slobodkin. The results of these studies have been accepted for publication in [1] and [2]. In the second case we use techniques from statistical field theory in models inspired by problems of theoretical ecology. First we study a model where two contact processes are coupled by a symbiotic mechanism and critical exponents were obtained. This work is published in [3]. Subsequently we study a model in which, under certain circumstances, scarce populations may have higher chances of survival in the long run when compared to the chances of the larger populations. This phenomenon was called survival of scarcer space. This article is an extension that takes into account the spatial distribution of a model previously proposed and their results were accepted for publication in [4]. We next discuss a model which proposes an explanation for the problem of the existence of sexual reproduction in nature, despite all its costs when compared with the rival method of asexual reproduction. This article was submitted for publication in [5]. Finally we have a model where the phenomenon of discreteness inducing coexistence occurs. In this case there is the induction of coexistence between two species when one takes into account the discrete character of the interactions and subsequent statistical fluctuations, as modeled by the master equation. Otherwise, one of the species would be extinct. We also studied the effects of varying diffusion rates of the species. This work was submitted for publication in [6]. This thesis is organized as follows: In the first chapter we describe the method of dynamic renormalization group used in later chapters. We use a typical example, the process of annihilation of pairs that demonstrates many of the characteristics that can be described by the renormalization group. The subsequent chapters deals with several articles published and submitted for publication. The Appendix contains details of various calculations using the Doi-Peliti procedure, which today is a standard procedure for map the master equation of a stochastic d-dimensional lattice into of a field theory. In this way the powerful analytical methods of field theory are made available.
Subject: Patologia celular
Células tronco
Teoria de campos (Fisica)
Renormalização (Fisica)
Física
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-9N5HCW
Issue Date: 26-Jul-2013
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