Probabilidades de fixação na aproximação de baixa migração do processo de Moran em metapopulações estruturadas por grafos

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Tese de doutorado

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Fixation probabilities in the low-migration approximation of the Moran process in graph-structured metapopulations

Primeiro orientador

Membros da banca

Eliza Maria Ferreira
José Luiz Acebal
Lucas Wardil
Wilhelm Alexander Cardoso Steinmetz

Resumo

Nesta tese vamos apresentar alguns resultados desenvolvidos por nós a partir do trabalho de Yagoobi e Traulsen [44] sobre a aproximação de baixa migração (ABM) do processo de Moran em metapopulações com dois tipos de indivíduos e estruturadas por grafos dirigidos [26]. Nesse contexto, concentramo-nos em estudar a probabilidade de fixação dos tipos considerando que as aptidões independem da frequência e sob duas regras de atualização: nascimento-morte (Bd) e morte-nascimento (dB). Trabalharemos aqui com dois casos particulares de metapopulações: duas únicas populações isoladas geograficamente e a metaestrela. Em ambos os casos, utilizaremos a ABM para obter, dentro dessa aproximação, fórmulas exatas para a probabilidade de fixação com condição inicial num estado homogêneo arbitrário da metapopulação. Em seguida, deduziremos fórmulas assintóticas para as probabilidades de fixação que obtemos na ABM, a descrição precisa do limite assintótico será dada oportunamente. Posteriormente, vamos lançar mão dessas aproximações assintóticas para quantificar o tamanho da vantagem ou desvantagem que a estrutura confere à fixação de uma mutação introduzida de maneira uniforme na metapopulação. Baseando-se em nossos resultados assintóticos, estabeleceremos também condições que nos permitem inferir se a estrutura da metapopulação em consideração atua como, por exemplo, supressora ou amplificadora de seleção natural, tanto na regra Bd quanto na regra dB. Em particular, nossos resultados mostram que, contrário ao que Yagoobi e Traulsen obtiveram anteriormente, a metaestrela na regra Bd pode atuar como supressora de seleção natural ou mesmo como redutora. Mostramos também que, dependendo da razão entre a população do centro e a população total das pontas, a metaestrela dB pode apresentar um comportamento que não é nem amplificação, nem supressão.

Abstract

In this thesis we present some original results based on the work of Yagoobi and Traulsen [44] on the low migration regime for the Moran process in network structured meta-populations with two types of individuals [26]. We investigate the fixation probability of both types in the case of frequency independent fitnesses and under two update rules: birth-death (Bd) and death-birth (dB). Our analysis includes two particular cases of meta-populations: two-patch meta-population and meta-star. In both cases, we use the low migration approximation to obtain exact formulas for the fixation probability with initial condition in an arbitrary homogeneous state of the meta-population. After that, we deduce an asymptotic formula for the fixation probabilities obtained in the low migration approximation; the precise description of the asymptotic limit will be given in due course. Furthermore, we apply the asymptotic approximation to quantify the size of the advantage or disadvantage that population structure imposes on the fixation of a mutation introduced uniformly into the meta-population. Based on our asymptotic results, we also establish conditions that permit us to infer whether the metapopulation structure under consideration acts as, for example, a suppressor or amplifier of natural selection. We do that analysis both in the Bd rule and in the dB rule. In particular, our results show that, contrary to what Yagoobi and Traulsen found, the meta-star under Bd rule may act as a suppressor of natural selection or even as reducer. In addtion, depending on the ratio between the size of the population at centre and the total size of population at leaves, the meta-star under dB rule can exhibit behaviour that is neither amplification nor suppression.

Assunto

Matemática – Teses, Aproximação assintótica - Teses, Teoria evolutiva em grafos – Teses, Jogos de probabilidades (Matemática) – Teses, Markov, Processos de - Teses

Palavras-chave

Metapopulações, Processo de Moran, Teoria evolutiva em grafos, Evolução

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