Population range expansions, with mathematical applications to interacting systems and ancient human genetics

Abstract

The thesis studies from an analytical and computational perspective, and by using reaction-diffusion equations, the spatiotemporal evolution of different populations. First, the dynamics of the T7 bacteriophage infecting the E. coli bacteria is studied. By adding the delayed time in diffusion and reaction terms, as well as new mathematical terms biologically sound, we can achieve results that accurately match the experimental propagation speeds. Secondly, different mathematical models are proposed to correctly understand the expansion of VSV in Glioblastoma. The only model capable of this explanation is the system which understands the delay time for the processes of diffusion and reaction. Finally, the Neolithic transition through Europe is explained by studying ancient genetic DNA samples alongside mathematical simulations. Focusing on haplogroup K, the model is built by analyzing the two Neolithic diffusion mechanisms: demic and cultural. The simulations show that the transition is basically demic, with only 2% of the Neolithic farmers interacting culturally

Aquesta tesi estudia des d’un punt de analític i computacional, gràcies a les equacions de reacció-difusió, l’evolució espaciotemporal de diferents poblacions que interactuen entre elles. El primer article estudia la dinàmica del bacteriòfag T7 infectant el bacteri E. coli. Gràcies a la incorporació del temps de retard en els termes de difusió i reacció, així com de nous termes matemàtics amb sentit biològic, aconseguim uns resultats que s’ajusten millor a les velocitats de propagació. El segon article aplica diferents models matemàtics per entendre millor l’expansió del VSV en Glioblastomes. L'únic model capaç d'explicar de manera correcte el sistema té en compte el temps de retard per als processos de difusió i reacció. L’últim article explica la transició del Neolític a través d’Europa utilitzant mostres genètiques antigues i simulacions matemàtiques. Centrant-nos en l’haplogrup K, el model es construeix tenint en compte els dos mecanismes de difusió neolítica: dèmica i cultural. Les simulacions mostren que la transició és bàsicament dèmica, on només el 2% dels neolítics interaccionen culturalment