Dinamica Adattativa e il Mantenimento della Biodiversità

Understanding the origin and maintenance of biodiversity is a fundamental problem in ecology and evolution. Many theoretical approaches have investigated ecological interactions, such as competition or cooperation as potential drivers of diversification. Classical consumer-resource models predict that the number of coexisting species should not exceed the number of distinct resources, a phenomenon known as the competitive exclusion principle. Recent studies argue that incorporating physiological tradeoffs in consumer-resource models can lead to violations of this principle, enabling the coexistence of very high number of species. However, alternative findings show that these outcomes critically depend on the functional form of the tradeoff: non-linear tradeoffs limit or prevent diversification, while very high diversity occurs only under linear tradeoffs. This thesis will investigate to what extent tradeoffs in metabolic strategies may lead to the coexistence of species. To address these challenges and provide a deeper understanging of the evolutionary mechanisms driving biodiversity, we will employ the framework of adaptive dynamics. This is a theoretical framework used to study the evolution of traits within populations over time, particularly in ecological and evolutionary contexts. It focuses on how small genetic variations in traits can influence the fitness of individuals and lead to evolutionary changes driven by selection pressures. The main goals of adaptive dynamics are to predict evolutionary outcomes, analyze the stbility of traits, and explore conditions under which new traits can invade or replace existing ones. It is particularly useful in idenfifying evolutionary branching, where populations diversify into distinct phenotypes, and in studying the conditions leading to evolutionary stable strategies (ESS). By integrating ecological interactions with evolutionary processes, adaptive dynamics provides valuable insights into the co-evolution of species and their adaptive responses to environmental changes. In this thesis the modelling framework will be adapted to a consumer-resource setting and used to investigate the effects of tradeoffs on the maintenance of biodiversity. We will start with a litterature review, reproduce some calculations and integrate numerically crucial differential equations. The project offers room for investigations which touch on topics that are currently cutting-edge research.

Un problema di fondamentale importanza nello studio dell'ecologia e dell'evoluzione è la comprensione dell'origine e del mantenimento della biodiversità. Molti studi teorici hanno approfondito il ruolo di interazioni ecologiche quali competizione o cooperazione come possibili fonti di diversificazione. Secondo i modelli classici consumatori-risorse il numero di specie coesistenti non può superare il numero di risorse differenti, un fenomeno noto come Principio di Esclusione per Competizione. Studi recenti sostengono che, incorporando dei vincoli fisiologici nei modelli consumatori-risorse, sia possibile violare tale principio rendendo possibile la coesistenza di un numero di specie estremamente elevato. Tuttavia, altri studi mostrano che i risultati dipendono fortemente dalla forma funzionale del vincolo: l'utilizzo di vincoli non-lineari impedisce o limita la diversificazione, mentre un'elevata diversità è osservabile solo se si considerano vincoli lineari. Questa tesi vuole approfondire i limiti entro i quali l'introduzione di vincoli sulle strategie metaboliche può condurre alla coesistenza tra specie. Per affrontare questo argomento e fornire una migliore comprensione dei meccanismi evolutivi che alimentano la biodiversità, utilizzeremo la teoria della dinamica adattativa. Questa teoria studia l'evoluzione nel tempo dei tratti caratteristici in una popolazione, in particolare in ambito ecologico ed evoluzionistico. Si concentra su come piccole variazioni genetiche dei tratti possano influenzare l'idoneità degli individui e portare a cambiamenti evolutivi come conseguenza di pressioni selettive. La dinamica adattativa consente la prevsione dei possibili scenari evolutivi, l'analisi di stabilità dei tratti e la ricerca di condizioni che portino alla comparsa di nuovi tratti o alla sostituzione di tratti preesistenti. É particolarmente utile per descrivere il fenomeno di ramificazione evolutiva, nel quale la popolazione si diversifica in fenotipi distinti e per lo studio delle condizioni che portano a strategie evolutive stabili (ESS). Inoltre, combinando interazioni ecologiche e processi evolutivi, la dinamica adattativa fornisce informazioni preziose per la comprensione della co-evoluzione delle specie e delle loro risposte adattative ai cambiamenti ambientali. In questa tesi la teoria di riferimento verrà adattata al modello consumatori-risorse e utilizzata per studiare gli effetti dei vincoli sul mantenimento della biodiversità. Inizieremo da un riepilogo della letteratura ad ora disponibile, per poi riproporre alcuni calcoli e risolvere numericamente alcune equazioni differenziali. Il progetto offre spazio per approfondimenti che si intersecano con argomenti di ricerca all'avanguardia.