Towards a statistical physics of eco-evolutionary systems

Resumen

La física estadística proporciona un marco teórico para estudiar las propiedades colectivas de sistemas compuestos por muchos componentes que interactúan entre sí. Aunque inicialmente se aplicó a sistemas físicos, se ha extendido a otros sistemas complejos como la biología y los sistemas sociales. En esta tesis,empleamos la física estadística para investigar la ecología y evolución de comunidades bacterianas, las cuales son sistemas ecológicos ideales debido a la enorme cantidad de datos disponibles. La tesis se divide en tres partes, correspondientes a los argumentos investigados: ecología, evolución y física estadística fuera del equilibrio. En el Capítulo 1, ofrecemos una visión general de las motivaciones y el contenido de esta tesis, junto con una introducción general a los sistemas complejos y la ecología y evolución de las bacterias. En la Parte I, nos enfocamos en la macroecología microbiana y exploramos las interacciones dentro de los ecosistemas bacterianos. A través del análisis de datos, descubrimos una ley macroecológica universal que relaciona la correlación entre especies con su distancia filogenética. Mediante el desarrollo de un modelo estocástico basado en la física estadística, atribuimos este patrón a fluctuaciones ambientales acopladas, conocidas como filtro ambiental. La parte II se adentra en la eco-evolución bacteriana. En el Capítulo 3 establecemos un nuevo marco teórico utilizando herramientas de física estadística para estudiar la distribución de fenotipos y diversos fenómenos evolutivos, como la especiación simpátrica. Además, en el Capítulo 4 empleamos este marco para investigar la evolución de la tolerancia a los antibióticos en bacterias mediante la adaptación del tiempo de lag. Presentamos un modelo estocástico que reproduce los resultados experimentales y obtenemos predicciones analíticas utilizando nuestro marco teórico. En la Parte III, examinamos el concepto de irreversibilidad en la física estadística de sistemas fuera de equilibrio. El Capítulo 5 se centra en las propiedades geométricas de las corrientes en termodinámica estocástica y sus implicaciones. Analizamos la relación entre irreversibilidad, disipación y rupturas de simetría de las corrientes en estados estacionarios fuera de equilibrio. En particular, conseguimos generalizar el principio de Prigogine utilizando el exceso de entropía. En el Capítulo 6, exploramos las propiedades irreversibles de la evolución Darwiniana utilizando el marco teórico general presentado anteriormente. Descubrimos que la evolución se mantiene constantemente fuera de equilibrio debido a la presencia de selección y mutaciones, y estudiamos la irreversibilidad en ejemplos como la especiación. Finalmente, en el Capítulo 7, presentamos conclusiones generales y sugerimos posibles direcciones para futuras investigaciones. Al emplear la física estadística, esta tesis contribuye a la comprensión de los sistemas complejos, proporcionando conocimientos sobre el comportamiento colectivo, la ecología y la evolución de las comunidades bacterianas. Un resumen y las conclusiones de la tesis en castellano están incluidos en la apéndice E.