Um sistema presa-predador com evasão mediada por feromônio de alarme

Abstract

Padrões, estruturas, propriedades coletivas emergentes são ubíquas em sistemas com muitas unidades (vivas ou inanimadas) acopladas por meio de interações não-lineares. Dentro desse contexto, o estudo de fenômenos cooperativos em dinâmica de populações de interesse ecológico tem atraído a atenção de físicos e matemáticos desde os anos de 1920 com Lotka e Volterra. Portanto, além de equações diferenciais, a teoria ecológica tem continuamente incorporado poderosas e bem-estabelecidas técnicas dos processos de contatos, modelos de autômatos celulares e outros, desenvolvidos no campo de física da matéria condensada, física estatística e física computacional. No presente trabalho, um modelo presa-predador com perseguição e fuga mediada por um feromônio de alarme é proposto e estudado através de métodos analíticos e simulações computacionais. Tais modelos podem exibir comportamentos oscilatórios da densidade de população, transições de fases que pertencem a classes de universalidade distintas e um diagrama de fases rico. Duas abordagens distintas de descrição foram usadas. Numa primeira abordagem, propomos um modelo de Autômato Celular (AC) onde predadores e presas se movimentam, segundo regras específicas para cada espécie, num ambiente homogêneo e com condições de contorno periódicas. A outra parte do nosso estudo é baseado na análise de EDP s que também descrevem a dinâmica de um sistema presa-predador com as mesmas características citadas acima. É feito um estudo considerando as equações sem termos espaciais, isto é, tipo campo médio e depois considerando esses termos. Esses modelos podem representar ferramentas relevantes para o estudo das melhores estratégias para o controle biológico de pragas por predadores. Em casos bem sucedidos, as pestes e seus predadores devem persistir em interações estáveis e com uma baixa densidade da população de pragas.

Pattern, structure and emergent collective properties are ubiquitous in systems with many units (alive or inanimated) coupled through nonlinear interactions. Within this context, the study of cooperative phenomena in population dynamics of ecological interest has attracted the attention of the mathematicians and physicists since Lotka and Volterra in the 1920s. Thenceforth, in addition to differential equations, theoretical ecology has continuously incorporated powerful and well-established techniques of contacts processes, cellular automata models and others, developed in the fields of condensed matter physics, statistical physics and computational physics. In the present work, a predator-prey model with pursuit and escape triggered by alarm pheromones is proposed and studied through analytical methods and computer simulations. Such models can show oscillatory behavior of the population density, phase transitions that belong to distinct universality classes and rich stationary phase diagrams. Two distinct levels of description were used. In a first approach, we consider a model of cellular automata in which predators and preys walk on a square lattice, according specific rules for each species, in a homogeneous environment and with periodic boundary conditions. The second part of our study is based on the analysis of partial differential equations that also describes the dynamics of a prey-predator system with the same characteristics above. Both, spatially uniform or mean field like and explicit spatio-temporal partial differential equations were considered. These models can represent relevant tools to design better strategies of biological control of pests by predators. In successful cases, the pests and its predators must persist in stable interactions at a low level of pest density.