The architecture of predator-prey and the relationship between complexity and stability

Theoretical studies predict that the stability of an ecosystem is negatively correlated with its complexity, measured by the number of interacting species. On the other hand, empirical evidence indicates that food webs are highly interconnected. In this manuscript we present results on the stability two-level predator-prey food webs. We analyzed exhaustively all possible topologies of connections among species. Our findings show that those food webs fall into two classes with clearly distinct stability properties. In one of them stability is negatively correlated with complexity, and in the other group stability is positively correlated. For a positive relationship our results reveals highly structured food webs. The positive or negative relationship is related only to the topological structure of the food web. It is independent of the number of connections, strengths of predator-prey interactions or number of species. We review empirical evidence that corroborates our results

Modelos Computacionais para Estudar Processos de Especiação Simpátrica

We perform simulations based on the Penna model for biological ageing, now with the purpose of studying sympatric speciation, that is, the division of a single species into two or more populations, reproductively isolated, but without any physical barrier separating them. For that we introduce a new kind of competition among the individuals, using a modified Verhulst factor. The new competition depends on some specific phenotypic characteristic of each individual, which is represented by a pair of bitstrings. These strings are read in parallel and have no age structure. In this way, each individual genome consists of two parts. The first one has an age-structure and is related to the appearance of inherited diseases; the second part is not structured and takes into account the competition for the available resources. We also introduce sexual selection into the model, making use of another non-structured and independent pair of bitstrings. In this thesis we present three different models; two of them use, besides the competition, a sudden change in the ecology to obtain speciation. They were motivated by the speciation process observed in the Darwin finches, a family of birds that inhabits the Galapagos Islands, and also by that observed in the cichlids, a family of fish that lives in the Nicaragua Lakes and in the Vitoria Lake, in Africa. The third model does not use any ecological change: sympatric speciation is obtained depending only on the strength of competition among individuals with similar phenotypic characteristics. In the model to describe the speciation process of the finches we use a single pair of non age-structured bitstrings to describe one phenotypic characteristic which is related to both competition and mating preference. This characteristic corresponds to the beak morphology. We study the changes in the distribution of the beaks according to the mating rules, to the values of the parameters and to the position of the species in a food-chain. In this case we obtain qualitative results that are in agreement with field observations of these birds. To simulate the cichlids, we use two pairs of non-structured and independent bitstrings. One pair represents the fish type of jaw and is directly related to competition for food. The other pair represents the colour, which is the trait related to sexual selection. Our main purpose has been to analyze the stability of the distributions of both jaws and colours. In this case we obtain sympatric spectiation, although not exactly the one experimentally observed in the cichlids. Using the model without ecological changes, we study the probability of speciation as a function of the competition strength and find a phase transition, which may allow the study of the reversibility or not of the speciation process.Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e TecnológicoForam feitas simulações baseadas no modelo Penna para envelhecimento biológico, mas com o objetivo de estudar a especiação simpátrica, isto é, a divisão de uma espécie em duas ou mais populações, isoladas reprodutivamente, mas sem que nenhuma barreira física as separe. Para tal, introduzimos um novo tipo de competição entre os indivíduos, através de um fator de Verhulst modificado. Esta nova competição depende de certas características fenotípicas de cada indivíduo, que são representadas por pares de tiras de bits. Estas tiras de bits são lidas em paralelo e não têm estrutura de idade. Desta forma, o genoma de cada indivíduo tem duas partes: uma estruturada por idade e relacionada ao aparecimento de doenças hereditárias e outra, sem estrutura, ligada à competição por alimento. Também foi introduzida uma seleção sexual no modelo, representada por um par de tiras de bits não estruturadas independente. Nesta tese apresentamos três modelos diferentes; dois deles se utilizam, além da competição entre os indivíduos, de uma ecologia que muda abruptamente, para obter a especiação. Foram inspirados na especiação dos tentilhões de Darwin, uma família de pássaros que habitam as Ilhas Galápagos e nos ciclídeos, uma família de peixes que vivem nos Lagos da Nicarágua e no Lago Vitória, na África. O terceiro modelo não utiliza nenhuma mudança ecológica: a especiação é obtida dependendo apenas do grau de competição entre grupos de indivíduos com características fenotípicas semelhantes. No modelo para descrever o processo de especiação dos tentilhões utilizamos apenas um par de tiras de bits para descrever uma única característica fenotípica, que está ligada tanto à seleção ecológica como à seleção sexual. Esta característica equivale à morfologia dos bicos. Estudamos então a mudança na distribuição destas morfologias em função das regras de acasalamento, dos valores dos parâmetros do modelo e da posição da espécie na cadeia alimentar. Neste caso encontramos comportamentos qualitativos equivalentes aos que vêm sendo estudados nestes pássaros. Para simular os ciclídeos, utilizamos dois pares de tiras de bits independentes; um deles representa o tipo de maxilar do peixe e está diretamente ligado à competição por alimento. O outro par representa a cor, que é o traço ligado à seleção sexual. O objetivo principal foi o de analisar a estabilidade das distribuições tanto dos maxilares como das cores destes peixes. Obtivemos a especiação simpátrica com este modelo, embora não exatamente aquela observada nos ciclídeos. Verificamos ainda que se estabelece uma forte correlação entre os dois traços, sempre que a especiação ocorre. Com o modelo que estuda a especiação simpátrica em função do grau de competição numa ecologia fixa, encontramos uma transição de fase que possibilitará o estudo da reversibilidade ou não deste processo de especiação