Understanding the impact of climate and human mobility on the spread of invasive mosquito vectors and diseases

Abstract

(English) Global change, driven by climate shifts, habitat alteration, and human activity, has accelerated the spread of invasive species and pathogens into previously unaffected regions. Once established, these species can disrupt ecosystems, introduce diseases, and threaten public health and economies. In Europe, this has been evident through the COVID-19 pandemic and recent dengue outbreaks in Mediterranean countries. The latter driven by: the arrival and establishment of mosquito vectors, the subsequent regional spread of these vectors, and the arrival of infected individuals from dengue endemic areas. The combination of global transportation networks and increasingly favourable conditions for invasive species has made their tracking and prevention particularly challenging. In response, recent advances in technology and mathematical modelling have enhanced our ability to understand and address these challenges. This thesis investigates how climate and human mobility influence the spread of invasive mosquito vectors and associated diseases. Aedes mosquitoes are invasive vectors that are colonizing various regions in Europe. In this thesis we focus on: Aedes albopictus, Aedes aegypti, Aedes koreicus, and Aedes japonicus, with particular emphasis on Ae. albopictus, the main vector responsible for recent dengue outbreaks in Europe. As ectothermic organisms, mosquitoes are highly sensitive to environmental conditions; their development rates and the time needed to become infectious are strongly temperature-dependent. In this work, we examine how environmental factors, including temperature, rainfall, human population density, and land use, affect the population dynamics of these species and how these factors relate to their current spatial distribution. We calculated the mosquito reproduction number, which we used as an indicator of habitat suitability. Our results reveal that the four species possess unique thermal performance profiles. Ae. aegypti showed the highest optimal temperature, whereas \textit{Ae. japonicus} had the lowest. We further investigate the impact of human mobility on the spread of \textit{Ae. albopictus} in Spain using a metapopulation model enriched with high-resolution mosquito occurrence and human mobility data. Our results show that human movement is a key driver of mosquito spread, with both natural and human-mediated dispersal jointly promoting complex and multi-scale spreading. We observed a minor influence of climate on spread dynamics, highlighting dispersal as the primary factor shaping the spatial distribution of the species. Additionally, we identified a minimum temperature threshold of -12°C which hinders Ae. albopictus establishment. Finally, this thesis examines how human mobility affects disease spread within a connected system, considering two mobility types: commuting (short-term, round-trip movement) and migration (long-term or permanent relocation). By applying random matrix theory, we derived a threshold equivalent to the basic reproduction number and identified the main drivers of disease propagation. Our results show that the average commuting rate plays a crucial role in disease distribution across the system. This result aligns with our findings on mosquito invasion dynamics, where human mobility similarly governs the distribution of colonized patches.

(Català) El canvi global, impulsat per les alteracions climàtiques, la transformació dels hàbitats i l’activitat humana, ha accelerat l’expansió d’espècies invasores i patògens cap a regions fins ara no afectades. Un cop establertes, aquestes espècies poden alterar els ecosistemes, introduir malalties i amenaçar la salut pública i les economies. A Europa, això s’ha fet evident amb la pandèmia de la COVID-19 i els recents brots de dengue en països mediterranis. Aquests últims han estat impulsats per: l’arribada i establiment de vectors de mosquits, la posterior expansió regional d’aquests vectors, i la importació de persones infectades des de zones endèmiques de dengue. La combinació de les xarxes de transport global i de condicions cada cop més favorables per a les espècies invasores ha fet que el seu seguiment i prevenció siguin especialment difícils. Com a resposta, els avenços recents en tecnologia i modelatge matemàtic han millorat la nostra capacitat per comprendre i abordar aquests reptes. Aquesta tesi investiga com el clima i la mobilitat humana influeixen en l’expansió directa de malalties o de mosquits invasors que en són transmissors. Els mosquits del gènere Aedes són vectors invasors que estan colonitzant diverses regions d’Europa. En aquesta tesi ens centrem en les següents espècies: Aedes albopictus, Aedes aegypti, Aedes koreicus} i Aedes japonicus, amb un èmfasi especial en Ae. albopictus, el principal vector responsable dels recents brots de dengue a Europa. Com a organismes ectoterms, els mosquits són molt sensibles a les condicions ambientals; les seves taxes de desenvolupament i el temps necessari per esdevenir infecciosos depenen fortament de la temperatura. En aquest treball, examinem com els factors ambientals —incloent-hi la temperatura, la precipitació, la densitat de població humana i el tipus de paisatge— afecten la dinàmica poblacional d’aquestes espècies i com aquests factors es relacionen amb la seva distribució espacial actual. Hem calculat el nombre reproductiu dels mosquits, que hem utilitzat com a indicador de la idoneïtat de l’hàbitat. Els nostres resultats revelen que les quatre espècies tenen perfils tèrmics únics. Ae. aegypti mostra la temperatura òptima més alta, mentre que Ae. japonicus presenta la més baixa. També investiguem l’impacte de la mobilitat humana en l’expansió de Ae. albopictus a Espanya, utilitzant un model de metapoblacions enriquit amb dades d’alta resolució sobre la presència de mosquits i la mobilitat humana. Els nostres resultats mostren que el moviment humà és un factor clau en la dispersió dels mosquits, i que la dispersió tant natural com mediada per humans promou una propagació complexa i a múltiples escales d'aquesta espècie. Vam observar una influència menor del clima en la dinàmica d’expansió, destacant la dispersió com el factor principal que configura la distribució espacial de l’espècie. A més, hem identificat un llindar mínim de temperatura de -12°C que impedeix l’establiment de Ae. albopictus. Amb el canvi climàtic, aquest mínim serà cada cop menys frequent i deixarà de ser un frè per a l'expansió d'aquesta espècie a Espanya. Finalment, aquesta tesi examina com la mobilitat humana afecta la propagació de malalties dins d’un sistema connectat, considerant dos tipus de mobilitat: desplaçaments diaris (moviment de curta durada, d’anada i tornada) i migració (reubicació a llarg termini o permanent). Mitjançant la teoria de matrius aleatòries, hem derivat un llindar equivalent al nombre reproductiu bàsic i hem identificat els principals factors que impulsen la propagació de les malalties. Els nostres resultats mostren que la taxa mitjana de desplaçaments diaris té un paper clau en la distribució de les malalties dins del sistema. Aquest resultat s’alinea amb les nostres troballes sobre la dinàmica d’invasió de mosquits, on la mobilitat humana també determina la distribució dels focus colonitzats.

(Español) El cambio global, impulsado por las alteraciones climáticas, la modificación del hábitat y la actividad humana, ha acelerado la propagación de especies invasoras y patógenos hacia regiones previamente no afectadas. Una vez establecidas, estas especies pueden alterar los ecosistemas, introducir enfermedades y amenazar la salud pública y las economías. En Europa, esto se ha evidenciado tanto con la pandemia de COVID-19 como con los recientes brotes de dengue en países mediterráneos. Estos últimos han sido impulsados por la llegada y establecimiento de mosquitos vectores, la posterior expansión regional de estos vectores, y la llegada de individuos infectados desde zonas endémicas de dengue. La combinación de redes de transporte globales y condiciones cada vez más favorables para las especies invasoras ha dificultado particularmente su seguimiento y prevención. En respuesta, los avances recientes en tecnología y modelización matemática han mejorado nuestra capacidad para comprender y afrontar estos desafíos. Esta tesis investiga cómo el clima y la movilidad humana influyen en la expansión de mosquitos vectores invasores y las enfermedades asociadas. Los mosquitos del género Aedes son vectores invasores que están colonizando diversas regiones de Europa. En esta tesis nos centramos en: Aedes albopictus, Aedes aegypti, Aedes koreicus y Aedes japonicus, con especial énfasis en Ae. albopictus, el principal vector responsable de los recientes brotes de dengue en Europa. Como organismos ectotermos, los mosquitos son altamente sensibles a las condiciones ambientales; sus tasas de desarrollo y el tiempo necesario para volverse infecciosos dependen en gran medida de la temperatura. En este trabajo examinamos cómo factores ambientales como la temperatura, la precipitación, la densidad de población humana y el uso del suelo afectan la dinámica poblacional de estas especies y cómo estos factores se relacionan con su distribución espacial actual. Calculamos el número reproductivo del mosquito, que utilizamos como indicador de la idoneidad del hábitat. Nuestros resultados revelan que las cuatro especies presentan perfiles térmicos únicos: Ae. aegypti mostró la temperatura óptima más alta, mientras que Ae. japonicus tuvo la más baja. Además, investigamos el impacto de la movilidad humana en la expansión de Ae. albopictus en España utilizando un modelo de metapoblación enriquecido con datos de alta resolución sobre la presencia del mosquito y la movilidad humana. Nuestros resultados muestran que el movimiento humano es un factor clave en la dispersión del mosquito, con una combinación de dispersión natural y mediada por humanos que promueve una propagación compleja y a múltiples escalas. Observamos una influencia menor del clima en la dinámica de dispersión, lo que destaca la dispersión como el principal factor que moldea la distribución espacial de la especie. También identificamos un umbral mínimo de temperatura de -12°C que impide el establecimiento de Ae. albopictus. Finalmente, esta tesis examina cómo la movilidad humana afecta la propagación de enfermedades dentro de un sistema conectado, considerando dos tipos de movilidad: los desplazamientos diarios (movimientos de ida y vuelta a corto plazo) y la migración (reubicación a largo plazo o permanente). Aplicando teoría de matrices aleatorias, derivamos un umbral equivalente al número reproductivo básico e identificamos los principales impulsores de la propagación de enfermedades. Nuestros resultados muestran que la tasa media de desplazamientos diarios desempeña un papel crucial en la distribución de la enfermedad en el sistema. Este resultado coincide con nuestros hallazgos sobre la dinámica de invasión de mosquitos, donde la movilidad humana también gobierna la distribución de las zonas colonizadas.