A Matemática e o Impacto Ambiental de Transgênicos · Ambiental de Transgênicos Rinaldo Vieira...

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A Matemática e o Impacto Ambiental de Transgênicos Rinaldo Vieira da Silva Júnior UFAL Campus Arapiraca Grupo de Análise Aplicada-NCEx Degustação de Teoremas PROFMAT-UNIVASF-Campus Juazeiro-BA [email protected] Rinaldo Vieira da Silva Junior (UFAL, Campus Arapiraca) A Matemática e o Impacto Ambiental de Transgênicos 1 / 36

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A Matemática e o ImpactoAmbiental de Transgênicos

Rinaldo Vieira da Silva Júnior

UFAL Campus Arapiraca Grupo de Análise Aplicada-NCEx

Degustação de Teoremas PROFMAT-UNIVASF-Campus Juazeiro-BA

[email protected]

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Sumário

1 Introdução

2 Trofodinâmica Analítica

3 Parâmetros Agrupados CHS

4 Dinâmica Estocástica

5 Discussão Biológica dos ResultadosSolução Crescimento Líquido

6 Referências Bibliográficas

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Sumário

1 Introdução

2 Trofodinâmica Analítica

3 Parâmetros Agrupados CHS

4 Dinâmica Estocástica

5 Discussão Biológica dos ResultadosSolução Crescimento Líquido

6 Referências Bibliográficas

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Introdução O Problema dos Transgênicos

Nos últimos anos temos observado o crescente uso destes organismos naagricultura. Geneticamente manipulados a fim de desenvolver característicasencontradas em outras espécies que lhes confiram resistência a predadoresnaturais, tais organismos oferecem uma perspectiva deaumento imediato da produção.

A variedade de Milho NK 603 da Monsanto estaria ligada uma maiorincidência de câncer em ratos.Pesquisadores da Unicamp, observaram ao comparar sementes da variedadede soja natural MSOY 7501 com a variedade geneticamente modificadaMSOY 7575 RR (Roundup Ready) que a MSOY 7575 apresentam teoresmais elevados de cobre e ferro

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Introdução O Problema dos Transgênicos

Nos últimos anos temos observado o crescente uso destes organismos naagricultura. Geneticamente manipulados a fim de desenvolver característicasencontradas em outras espécies que lhes confiram resistência a predadoresnaturais, tais organismos oferecem uma perspectiva deaumento imediato da produção.

A variedade de Milho NK 603 da Monsanto estaria ligada uma maiorincidência de câncer em ratos.Pesquisadores da Unicamp, observaram ao comparar sementes da variedadede soja natural MSOY 7501 com a variedade geneticamente modificadaMSOY 7575 RR (Roundup Ready) que a MSOY 7575 apresentam teoresmais elevados de cobre e ferro

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Introdução O Problema dos Transgênicos

Nos últimos anos temos observado o crescente uso destes organismos naagricultura. Geneticamente manipulados a fim de desenvolver característicasencontradas em outras espécies que lhes confiram resistência a predadoresnaturais, tais organismos oferecem uma perspectiva deaumento imediato da produção.

A variedade de Milho NK 603 da Monsanto estaria ligada uma maiorincidência de câncer em ratos.Pesquisadores da Unicamp, observaram ao comparar sementes da variedadede soja natural MSOY 7501 com a variedade geneticamente modificadaMSOY 7575 RR (Roundup Ready) que a MSOY 7575 apresentam teoresmais elevados de cobre e ferro

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O Problema dos Transgênicos

Figura: Milho Transgênico

No Brasil, essa variedade foi liberada para cultivo em 2003, atualmentecorresponde a mais de 90% dos grãos produzidos no país.

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O Problema dos Transgênicos

Figura: Milho Transgênico

No Brasil, essa variedade foi liberada para cultivo em 2003, atualmentecorresponde a mais de 90% dos grãos produzidos no país.

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O Problema dos Transgênicos

Movimento anti-transgênico é fruto de uma total irracionalidade.O interesse comercial é a força motriz.

Safra de grãos atual atinge 208,8 milhões de toneladas. A produção de grãosno Brasil chega a 208,8 milhões de toneladas, batendo novo recorde. Oaumento de 7,9% ou 15,2 milhões de toneladas supera a produção de2013/14, de 193,62 milhões de toneladas.

Figura: Soja Transgênica

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O Problema dos Transgênicos

Movimento anti-transgênico é fruto de uma total irracionalidade.O interesse comercial é a força motriz.

Safra de grãos atual atinge 208,8 milhões de toneladas. A produção de grãosno Brasil chega a 208,8 milhões de toneladas, batendo novo recorde. Oaumento de 7,9% ou 15,2 milhões de toneladas supera a produção de2013/14, de 193,62 milhões de toneladas.

Figura: Soja Transgênica

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O Problema dos Transgênicos

Professora denuncia que Congresso Brasileiro de Toxicologia foi dominado pelasempresas de agrotóxicos. Monsanto, Basf, Bayer, Dow e Syngenta, além daAndef, tiveram posição privilegiada para defender seus produtos.

(a) Milho (b) Diálogo científico

Figura: Logotipo da Campanha

Pesquisadores pedem diálogo científico sobre transgênicos no Brasil. Cientistaspedem mais diálogo, e criticam procedimentos adotados pela CTNBio: ”atendeaos interesses do agronegócio e das políticas governamentais voltadas para aexportação”

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Esquema do Trabalho

Modelagem Determinıstica Modelagem Estocastica

// Teoria Conway–Smoller–HopfDifusao–Reacao–Transporte

O Problema dos

Transgenicos

DinamicaDeterminıstica

adicao de ruıdo // DinamicaEstocastica

TrofodinamicaAnalıtica

Geometria FinslerEspacos de Berwald

e Wagner

Solucao

Crescimento Lıquido// Discussao Biologica

dos Resultados

Sistemas deVolterra–Hamilton

// ProdutividadeLıquida

OO

Figura 1: Esquema de modelagem

Figura: Esquema de modelagem

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Sumário

1 Introdução

2 Trofodinâmica Analítica

3 Parâmetros Agrupados CHS

4 Dinâmica Estocástica

5 Discussão Biológica dos ResultadosSolução Crescimento Líquido

6 Referências Bibliográficas

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Trofodinâmica Analítica

Dinâmica populacional a equações de produção entre as espécies e dosprodutos gerados por cada uma destas populações.Primeiro, o impacto de uma plantação de transgênicos sobre uma outraplantação adjacente da variante natural. Como variantes de uma espécie,serão competidores puros (competição intra-específica).Sistemas de Volterra-Hamilton, combinam as equações de dinâmicapopulacional com a equação de produção de Volterra.Combinamos a equação de Gompertz com as interações, proporcionando umanova taxa de crescimento.Devido a competição, temos uma redução na taxa.

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Trofodinâmica Analítica

Dinâmica populacional a equações de produção entre as espécies e dosprodutos gerados por cada uma destas populações.Primeiro, o impacto de uma plantação de transgênicos sobre uma outraplantação adjacente da variante natural. Como variantes de uma espécie,serão competidores puros (competição intra-específica).Sistemas de Volterra-Hamilton, combinam as equações de dinâmicapopulacional com a equação de produção de Volterra.Combinamos a equação de Gompertz com as interações, proporcionando umanova taxa de crescimento.Devido a competição, temos uma redução na taxa.

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Trofodinâmica Analítica

Dinâmica populacional a equações de produção entre as espécies e dosprodutos gerados por cada uma destas populações.Primeiro, o impacto de uma plantação de transgênicos sobre uma outraplantação adjacente da variante natural. Como variantes de uma espécie,serão competidores puros (competição intra-específica).Sistemas de Volterra-Hamilton, combinam as equações de dinâmicapopulacional com a equação de produção de Volterra.Combinamos a equação de Gompertz com as interações, proporcionando umanova taxa de crescimento.Devido a competição, temos uma redução na taxa.

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Trofodinâmica Analítica

Dinâmica populacional a equações de produção entre as espécies e dosprodutos gerados por cada uma destas populações.Primeiro, o impacto de uma plantação de transgênicos sobre uma outraplantação adjacente da variante natural. Como variantes de uma espécie,serão competidores puros (competição intra-específica).Sistemas de Volterra-Hamilton, combinam as equações de dinâmicapopulacional com a equação de produção de Volterra.Combinamos a equação de Gompertz com as interações, proporcionando umanova taxa de crescimento.Devido a competição, temos uma redução na taxa.

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Trofodinâmica Analítica

Se as duas populações N1 e N2 interagem, competindo por recursos, e disputandoo mesmo espaço físico, adotamos, neste caso, o modelo competitivo deGause-Witt,

dN i

dt= 𝜆iN i

(1 − N i

Ki− 𝛿i

N j

Ki

)(1)

com i , j = 1, 2, onde 𝜆i , Ki , 𝛿i (coeficiente de interação) são todos positivos.

Associamos N1 a população de plantas naturais, N2 a população de plantastransgênicas.

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Trofodinâmica Analítica

Pensando em estimar a produção final a partir da biomassa da espécie, numtempo finito, neste caso, plantio e colheita(aprox. 1 ano), temos que ocrescimento orgânico é dado pela equação de Gompertz.

m(t) = a · e−c·e−𝜆t(2)

Tomando o ln de (2), obtém-se

x = ln(m(t)) = ln a − c · e−𝜆t , (3)

a qual satisfaz a EDO de Gompertz

d2xdt2 + 𝜆

dxdt

= 0 (4)

com condições iniciais x(0) > 0 edxdt

|t=0 > 0.

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Trofodinâmica Analítica

Pensando em estimar a produção final a partir da biomassa da espécie, numtempo finito, neste caso, plantio e colheita(aprox. 1 ano), temos que ocrescimento orgânico é dado pela equação de Gompertz.

m(t) = a · e−c·e−𝜆t(2)

Tomando o ln de (2), obtém-se

x = ln(m(t)) = ln a − c · e−𝜆t , (3)

a qual satisfaz a EDO de Gompertz

d2xdt2 + 𝜆

dxdt

= 0 (4)

com condições iniciais x(0) > 0 edxdt

|t=0 > 0.

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Sistema de Volterra-Hamilton

O modelo utilizado para T.A. será uma combinação das equações dedinâmica populacional com as equações de interação [4].

Considere o sistema dado por⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩dx i

dt= k(i)N i , (equações de produção )

dN i

dt= −𝜆iN i + G i

jk N j Nk , (equações ecológicas)

(5)

com i , j , k = 1, ..., n.

Os coeficientes G ijk representam as interações entre as populações. Quando

os G ijk são constantes, representam interações ecológicas clássicas.

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Sistema de Volterra-Hamilton

O modelo utilizado para T.A. será uma combinação das equações dedinâmica populacional com as equações de interação [4].

Considere o sistema dado por⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩dx i

dt= k(i)N i , (equações de produção )

dN i

dt= −𝜆iN i + G i

jk N j Nk , (equações ecológicas)

(5)

com i , j , k = 1, ..., n.

Os coeficientes G ijk representam as interações entre as populações. Quando

os G ijk são constantes, representam interações ecológicas clássicas.

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Trofodinâmica Analítica

Seja (x i , N i ) coordenadas naturais no fibrado tangente. Considere osistema de EDO’s de segunda ordem⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩

dx i

dt= k(i)N i , (sem soma)

dN i

dt= −Γi

jkN jNk + r ij N

j + e i ,

(6)

As coord. x i são as var. de produção de Volterra, enquanto a segundaparte do sist. é uma descrição de como as diferentes populações N i ≥ 0crescem (r i

j ), interagem (Γijk) e reagem (e i ) a influências externas.

Os coeficientes dependem de x i , N i , t; as n3 funções Γijk são homogêneas

de grau zero em N i ; e assumimos condições iniciais suaves x i0, N i

0, t0.

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Trofodinâmica Analítica

Seja (x i , N i ) coordenadas naturais no fibrado tangente. Considere osistema de EDO’s de segunda ordem⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩

dx i

dt= k(i)N i , (sem soma)

dN i

dt= −Γi

jkN jNk + r ij N

j + e i ,

(6)

As coord. x i são as var. de produção de Volterra, enquanto a segundaparte do sist. é uma descrição de como as diferentes populações N i ≥ 0crescem (r i

j ), interagem (Γijk) e reagem (e i ) a influências externas.

Os coeficientes dependem de x i , N i , t; as n3 funções Γijk são homogêneas

de grau zero em N i ; e assumimos condições iniciais suaves x i0, N i

0, t0.

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Trofodinâmica Analítica

Seja (x i , N i ) coordenadas naturais no fibrado tangente. Considere osistema de EDO’s de segunda ordem⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩

dx i

dt= k(i)N i , (sem soma)

dN i

dt= −Γi

jkN jNk + r ij N

j + e i ,

(6)

As coord. x i são as var. de produção de Volterra, enquanto a segundaparte do sist. é uma descrição de como as diferentes populações N i ≥ 0crescem (r i

j ), interagem (Γijk) e reagem (e i ) a influências externas.

Os coeficientes dependem de x i , N i , t; as n3 funções Γijk são homogêneas

de grau zero em N i ; e assumimos condições iniciais suaves x i0, N i

0, t0.

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Produtividade líquida

Uma medida mais útil da produtividade é a produtividade líquida doecossistema, de Whittaker, que, expressa para populações modulares, é dy i

dtdefinida por [3]

dx i

dt= R i

o + k(i)dy i

dt= k(i) N i , (7)

onde R io é a i−ésima taxa de respiração, reparo e manutenção, assumida como

constante.

Quando N i se aproxima de um ponto de equilíbrio estável N i* em (6) a

produtividade líquida do ecossistema tende a zero.

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Produtividade líquida

Uma medida mais útil da produtividade é a produtividade líquida doecossistema, de Whittaker, que, expressa para populações modulares, é dy i

dtdefinida por [3]

dx i

dt= R i

o + k(i)dy i

dt= k(i) N i , (7)

onde R io é a i−ésima taxa de respiração, reparo e manutenção, assumida como

constante.

Quando N i se aproxima de um ponto de equilíbrio estável N i* em (6) a

produtividade líquida do ecossistema tende a zero.

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Equações da Produtividade líquida

Substituindo (7) em (6) leva a equações para a produtividade líquida doecossistema, o que estima a produção final de maneira mais realista

d2y i

dt2 + Γijk

dy j

dtdyk

dt+(2Γi

jkNk* − 𝜆𝛿i

j) dy j

dt= 0, (8)

onde assumimos r ij = 𝜆𝛿i

j , 𝜆 > 0 e ki = 1.

Obtemos taxas de crescimento líquidas r ij como os coeficientes do termo

linear, r ij = 2Γi

jkNk* − 𝜆𝛿i

j .A proposta feita por Whittaker generaliza o conceito de crescimento orgânicode Gompertz. A taxa de crescimento líquida surge devido a conjugação dasinterações ecológicas dadas por Γi

jk com a

equação de produção líquida de Whittaker dada por (7).

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Equações da Produtividade líquida

Substituindo (7) em (6) leva a equações para a produtividade líquida doecossistema, o que estima a produção final de maneira mais realista

d2y i

dt2 + Γijk

dy j

dtdyk

dt+(2Γi

jkNk* − 𝜆𝛿i

j) dy j

dt= 0, (8)

onde assumimos r ij = 𝜆𝛿i

j , 𝜆 > 0 e ki = 1.

Obtemos taxas de crescimento líquidas r ij como os coeficientes do termo

linear, r ij = 2Γi

jkNk* − 𝜆𝛿i

j .A proposta feita por Whittaker generaliza o conceito de crescimento orgânicode Gompertz. A taxa de crescimento líquida surge devido a conjugação dasinterações ecológicas dadas por Γi

jk com a

equação de produção líquida de Whittaker dada por (7).

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Equações da Produtividade líquida

Substituindo (7) em (6) leva a equações para a produtividade líquida doecossistema, o que estima a produção final de maneira mais realista

d2y i

dt2 + Γijk

dy j

dtdyk

dt+(2Γi

jkNk* − 𝜆𝛿i

j) dy j

dt= 0, (8)

onde assumimos r ij = 𝜆𝛿i

j , 𝜆 > 0 e ki = 1.

Obtemos taxas de crescimento líquidas r ij como os coeficientes do termo

linear, r ij = 2Γi

jkNk* − 𝜆𝛿i

j .A proposta feita por Whittaker generaliza o conceito de crescimento orgânicode Gompertz. A taxa de crescimento líquida surge devido a conjugação dasinterações ecológicas dadas por Γi

jk com a

equação de produção líquida de Whittaker dada por (7).

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Sumário

1 Introdução

2 Trofodinâmica Analítica

3 Parâmetros Agrupados CHS

4 Dinâmica Estocástica

5 Discussão Biológica dos ResultadosSolução Crescimento Líquido

6 Referências Bibliográficas

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Parâmetros Agrupados

Seja Ω ⊂ Rm, m ≥ 1, um domínio limitado com fronteira suave, 𝜕Ω. Para (x , t) emΩ× R+, consideramos o seguinte sistema de equações difusão–reação–transporte [2, 3]Considere o sistema com dados iniciais

𝜕u𝜕t

= D∇2u +m∑

j=1

Aj (x , u)𝜕u𝜕xj

+ f (u) (9)

onde u = (u1, u2, ..., un), n ≥ 1, D é uma matriz positiva definida constante, e os Aj ’ssão funções contínuas com valores matriciais. Assumimos que (9), assumimos que usatisfaz a condição inicial

u(x , 0) = u0(x), x ∈ Ω, (10)

e também condições de contorno da forma

P𝜕u𝜕n

+ Qu = 0, (x , t) ∈ 𝜕Ω× R. (11)

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Parâmetros Agrupados

TeoremaSeja 𝜎 positivo e seja u qualquer solução tal que todos valores de u0 estão em Σ. então

existem constantes ci > 0, i = 1, 2, 3, 4 tais que

‖∇x u(., t)‖L2(Ω) ≤ c1e−𝜎t (12)

‖u(., t)− u(t)‖L2(Ω) ≤ c2e−𝜎t (13)

onde u, é a média de u sob Ω, satisfaz o sistema de equações diferenciais ordinárias

dudt

= f (u) + g(t), u(0) = |Ω|−1∫Ω

u0(x)dx (14)

onde

|g(t)| ≤ c3e−𝜎t (15)

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O Modelo Difusão–Reação–Transporte

O próximo estágio na Modelagem teoria CHS Conway, Hoff e Smoller usacoordenadas retangulares X e Y para localizar os campos fechado pelas duaslavouras, assumimos condição de Neumann (sem fluxo no bordo)⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩

𝜕tN1 =

difusao⏞ ⏟ D1ΔX ,Y (N1)+ 𝛽2k𝜕XN1⏟ ⏞

advecao(transporte)

+

reaçao⏞ ⏟ 𝜆N1 − (𝜆𝛼1 + 𝛽1)(N1)2 − 𝛽2N1N2,

𝜕tN2 = D2ΔX ,Y (N2) + 𝛽1k𝜕XN2 + 𝜆N2 − (𝜆𝛼2 + 𝛽2)(N2)2 − 𝛽1N1N2,(16)

∆X ,Y é o Laplaciano euclidiano em ambas equações. A competição é induzidapelo transporte, mas não necessariamente tem os mesmos coeficientes.

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O Modelo Difusão–Reação–Transporte

Estamos assumindo que não temos fluxo atravessando a fronteira, Para

i = 1, 2,𝜕Ci

𝜕n= 0 em 𝜕Ω × R+.

q

Y

X

#1 #2 Σ

−→n

−→n

Figura 1: Regiao Invariante Σ do Modelo

1

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O Modelo Difusão–Reação–Transporte

O sistema de D-R-T proposto atingirá, durante um tempo suficientemente longo,uma solução estável espacialmente homogênea.Se C i (t) denota a média espacial sobre os campos N i (t) então

dC i

dt= f i (C 1,C 2) + O(e−𝜎t) (17)

com f i sendo a parte de reação, mas com N i (t) substituído por C i (t). Se 𝜎 égrande o sistema se reduz ao estudo de uma EDO de primeira ordem,bi-dimensional, não-linear caracterizando C i (t).

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Parâmetros Agrupados

Usando equações de Produção de Volterra dx i/dt = C i as equações sãoconvertidas para curvas autoparalelas de uma conexão Wagner, mas não sãogeodésicas de uma métrica Finsler( No próximo estágio, tomaremos 𝛽’s= 0).

TeoremaFuncional Custo de produção, F (x ,C ), é constante ao longo das trajetórias de

(17). Isto é, dF/ds = 0, ao longo das soluções, onde

F (x ,C ) = eQ(x) (dx2/ds)1+1/𝜆

(dx1/ds)1/𝜆 , (18)

A taxa de crescimento intrínseco 𝜆 é a mesma para #1 e #2, assim queds = e−𝜆tdt leva a reparametrização das curvas de produção por s.

Sem os efeitos do vento, chuva e difusão, o custo F (x ,C ) como está acima,mas com ambos 𝛽’s iguais a zero.

Q(x) é o potencial de produção

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Parâmetros Agrupados

Usando equações de Produção de Volterra dx i/dt = C i as equações sãoconvertidas para curvas autoparalelas de uma conexão Wagner, mas não sãogeodésicas de uma métrica Finsler( No próximo estágio, tomaremos 𝛽’s= 0).

TeoremaFuncional Custo de produção, F (x ,C ), é constante ao longo das trajetórias de

(17). Isto é, dF/ds = 0, ao longo das soluções, onde

F (x ,C ) = eQ(x) (dx2/ds)1+1/𝜆

(dx1/ds)1/𝜆 , (18)

A taxa de crescimento intrínseco 𝜆 é a mesma para #1 e #2, assim queds = e−𝜆tdt leva a reparametrização das curvas de produção por s.

Sem os efeitos do vento, chuva e difusão, o custo F (x ,C ) como está acima,mas com ambos 𝛽’s iguais a zero.

Q(x) é o potencial de produção

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Parâmetros Agrupados

Usando equações de Produção de Volterra dx i/dt = C i as equações sãoconvertidas para curvas autoparalelas de uma conexão Wagner, mas não sãogeodésicas de uma métrica Finsler( No próximo estágio, tomaremos 𝛽’s= 0).

TeoremaFuncional Custo de produção, F (x ,C ), é constante ao longo das trajetórias de

(17). Isto é, dF/ds = 0, ao longo das soluções, onde

F (x ,C ) = eQ(x) (dx2/ds)1+1/𝜆

(dx1/ds)1/𝜆 , (18)

A taxa de crescimento intrínseco 𝜆 é a mesma para #1 e #2, assim queds = e−𝜆tdt leva a reparametrização das curvas de produção por s.

Sem os efeitos do vento, chuva e difusão, o custo F (x ,C ) como está acima,mas com ambos 𝛽’s iguais a zero.

Q(x) é o potencial de produção

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Parâmetros Agrupados

A constante 𝜎, como está na teoria CHS, é dada por

𝜎 = d .A − M − 2aA1/2, (19)

onde d = min(D1,D2), A é o primeiro autovalor não-nulo de ∆X ,Y , o qual ébem aproximado por 1/q2, com q sendo o comprimento da diagonal doquadrado composto de dois campos, M = max(Jf ), o valor máximo doJacobiano Jf de f sobre o quadrado, e, finalmente, a = max(𝛽1, 𝛽2).

Se d é grande e a área do quadrado plantado é pequena,então 𝜎 será grande. Assim a difusão grande sobre área pequena produz

uma convergência rápida do Sistema D–R–T original para as equações (17).Quanto menores são os 𝛽’s, mais rápida será a convergência, também. Istoestá de acordo com a coexistência das variantes competidores puros.

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Parâmetros Agrupados

A constante 𝜎, como está na teoria CHS, é dada por

𝜎 = d .A − M − 2aA1/2, (19)

onde d = min(D1,D2), A é o primeiro autovalor não-nulo de ∆X ,Y , o qual ébem aproximado por 1/q2, com q sendo o comprimento da diagonal doquadrado composto de dois campos, M = max(Jf ), o valor máximo doJacobiano Jf de f sobre o quadrado, e, finalmente, a = max(𝛽1, 𝛽2).

Se d é grande e a área do quadrado plantado é pequena,então 𝜎 será grande. Assim a difusão grande sobre área pequena produz

uma convergência rápida do Sistema D–R–T original para as equações (17).Quanto menores são os 𝛽’s, mais rápida será a convergência, também. Istoestá de acordo com a coexistência das variantes competidores puros.

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Solução para o Crescimento Líquido

A solução para (8) para tempo grande é que os termos quadráticosaproximadamente nulos é dada por

⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎩y1(t) = A1 − a1

1

𝜆

[1 +

𝛽2

𝛼2+

𝛽1

𝛼1

]exp

−𝜆2𝛼1𝛼2

(𝜆𝛼1𝛼2 + 𝛽1𝛼2 + 𝛼1𝛽2)t − a1

2

𝜆exp(−𝜆t)

y2(t) = A2 − a21

𝜆

[1 +

𝛽2

𝛼2+

𝛽1

𝛼1

]exp

−𝜆2𝛼1𝛼2

(𝜆𝛼1𝛼2 + 𝛽1𝛼2 + 𝛼1𝛽2)t − a2

2

𝜆exp(−𝜆t)

(20)

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Solução para o Crescimento Líquido

A solução para (8) para tempo grande é que os termos quadráticosaproximadamente nulos é dada por

⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎩y1(t) = A1 − a1

1

𝜆

[1 +

𝛽2

𝛼2+

𝛽1

𝛼1

]exp

−𝜆2𝛼1𝛼2

(𝜆𝛼1𝛼2 + 𝛽1𝛼2 + 𝛼1𝛽2)t − a1

2

𝜆exp(−𝜆t)

y2(t) = A2 − a21

𝜆

[1 +

𝛽2

𝛼2+

𝛽1

𝛼1

]exp

−𝜆2𝛼1𝛼2

(𝜆𝛼1𝛼2 + 𝛽1𝛼2 + 𝛼1𝛽2)t − a2

2

𝜆exp(−𝜆t)

(20)

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Solução para o Crescimento Líquido

De fato, C 1 e C 2 são as médias sobres os dois campos. Além disso, após umcerto tempo o crescimento líquido (médio) se torna pequeno de forma que otermo quadrático de (17) são desprezíveis.Obtemos uma aproximação linear (média sobre o espaço) para o crescimentolíquido y1(t) dado acima. Analogamente, obtemos resultados semelhantespara y2(t).

Nesta fase, quase toda energia disponível (custo) vai para reparo emanutenção.

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Solução para o Crescimento Líquido

De fato, C 1 e C 2 são as médias sobres os dois campos. Além disso, após umcerto tempo o crescimento líquido (médio) se torna pequeno de forma que otermo quadrático de (17) são desprezíveis.Obtemos uma aproximação linear (média sobre o espaço) para o crescimentolíquido y1(t) dado acima. Analogamente, obtemos resultados semelhantespara y2(t).

Nesta fase, quase toda energia disponível (custo) vai para reparo emanutenção.

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Solução para o Crescimento Líquido

De fato, C 1 e C 2 são as médias sobres os dois campos. Além disso, após umcerto tempo o crescimento líquido (médio) se torna pequeno de forma que otermo quadrático de (17) são desprezíveis.Obtemos uma aproximação linear (média sobre o espaço) para o crescimentolíquido y1(t) dado acima. Analogamente, obtemos resultados semelhantespara y2(t).

Nesta fase, quase toda energia disponível (custo) vai para reparo emanutenção.

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Sumário

1 Introdução

2 Trofodinâmica Analítica

3 Parâmetros Agrupados CHS

4 Dinâmica Estocástica

5 Discussão Biológica dos ResultadosSolução Crescimento Líquido

6 Referências Bibliográficas

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Adicionando ruído na dinâmica

A variável C i (t) denota a média espacial sobre os campos N i (t). As equações dadinâmica que prevalecem após os efeitos de difusão e transporte tem a seguinteforma ⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩

dx1

dt= C 1

dx2

dt= C 2

dC 1

dt= 𝜆C 1 − (𝜆𝛼1 + 𝛽1)(C 1)2 − 𝛽2C 1C 2

dC 2

dt= 𝜆C 2 − (𝜆𝛼2 + 𝛽2)(C 2)2 − 𝛽1C 1C 2

(21)

onde 𝛽i > 0 são os coeficientes de transporte indicado no modelo.

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Dinâmica Estocástica

Adicionaremos ruído nas equações da dinâmica conforme abaixo,⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩

dx1 = C 1 dt + du1

dx2 = C 2 dt + du2

dC 1 = 𝜆C 1 dt − (𝜆𝛼1 + 𝛽1)(C 1)2dt − 𝛽2C 1C 2 dt + a · dv1

dC 2 = 𝜆C 2 dt − (𝜆𝛼2 + 𝛽2)(C 2)2dt − 𝛽1C 1C 2 dt + a · dv2,

(22)

onde u = (u1, u2), v = (v1, v2) são perturbacões independentes e as equações de

produção de Volterradx i

dt= C i serão perturbadas pelo termo dui dado da

seguinte formadui = F i

j (x) ∘ dw j (23)

onde w j é um Movimento Browniano canônico em R2.

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Sumário

1 Introdução

2 Trofodinâmica Analítica

3 Parâmetros Agrupados CHS

4 Dinâmica Estocástica

5 Discussão Biológica dos ResultadosSolução Crescimento Líquido

6 Referências Bibliográficas

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Caso 𝜆 >> 1

Tomando a diferença entre o crescimento líquido (20) e o mesmo consideradosem competição. Faremos 𝛽1 e 𝛽2 pequenos, mas não nulos⎧⎪⎨⎪⎩

y1(t) ≈ A1 − a11𝜆 e−𝜆t − a1

2𝜆 e−𝜆t ,

y2(t) ≈ A2 − a21𝜆 e−𝜆t − a2

2𝜆 e−𝜆t .

(24)

Então o efeito da competição entre GM × Natural, por um longo tempolongo, é y i − y i , ou seja

y i (t) − y i (t) ≈(𝛽1

𝛼1+

𝛽2

𝛼2

)e−𝜆2𝛼1𝛼2t/(𝜆𝛼1𝛼2+𝛽1𝛼2+𝛼1𝛽2) (25)

Ambas culturas serão igualmente afetadas, mas a capacidade de suporte docultivo GM será maior do que a Natural, e portanto,esta será mais impactada.

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Caso 𝜆 >> 1

Tomando a diferença entre o crescimento líquido (20) e o mesmo consideradosem competição. Faremos 𝛽1 e 𝛽2 pequenos, mas não nulos⎧⎪⎨⎪⎩

y1(t) ≈ A1 − a11𝜆 e−𝜆t − a1

2𝜆 e−𝜆t ,

y2(t) ≈ A2 − a21𝜆 e−𝜆t − a2

2𝜆 e−𝜆t .

(24)

Então o efeito da competição entre GM × Natural, por um longo tempolongo, é y i − y i , ou seja

y i (t) − y i (t) ≈(𝛽1

𝛼1+

𝛽2

𝛼2

)e−𝜆2𝛼1𝛼2t/(𝜆𝛼1𝛼2+𝛽1𝛼2+𝛼1𝛽2) (25)

Ambas culturas serão igualmente afetadas, mas a capacidade de suporte docultivo GM será maior do que a Natural, e portanto,esta será mais impactada.

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Caso 𝜆 >> 1

Tomando a diferença entre o crescimento líquido (20) e o mesmo consideradosem competição. Faremos 𝛽1 e 𝛽2 pequenos, mas não nulos⎧⎪⎨⎪⎩

y1(t) ≈ A1 − a11𝜆 e−𝜆t − a1

2𝜆 e−𝜆t ,

y2(t) ≈ A2 − a21𝜆 e−𝜆t − a2

2𝜆 e−𝜆t .

(24)

Então o efeito da competição entre GM × Natural, por um longo tempolongo, é y i − y i , ou seja

y i (t) − y i (t) ≈(𝛽1

𝛼1+

𝛽2

𝛼2

)e−𝜆2𝛼1𝛼2t/(𝜆𝛼1𝛼2+𝛽1𝛼2+𝛼1𝛽2) (25)

Ambas culturas serão igualmente afetadas, mas a capacidade de suporte docultivo GM será maior do que a Natural, e portanto,esta será mais impactada.

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Caso 𝜆 >> 1

Tomando a diferença entre o crescimento líquido (20) e o mesmo consideradosem competição. Faremos 𝛽1 e 𝛽2 pequenos, mas não nulos⎧⎪⎨⎪⎩

y1(t) ≈ A1 − a11𝜆 e−𝜆t − a1

2𝜆 e−𝜆t ,

y2(t) ≈ A2 − a21𝜆 e−𝜆t − a2

2𝜆 e−𝜆t .

(24)

Então o efeito da competição entre GM × Natural, por um longo tempolongo, é y i − y i , ou seja

y i (t) − y i (t) ≈(𝛽1

𝛼1+

𝛽2

𝛼2

)e−𝜆2𝛼1𝛼2t/(𝜆𝛼1𝛼2+𝛽1𝛼2+𝛼1𝛽2) (25)

Ambas culturas serão igualmente afetadas, mas a capacidade de suporte docultivo GM será maior do que a Natural, e portanto,esta será mais impactada.

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Caso 𝜆 >> 1

Concluímos que em (25) com 𝜆 >> 1 a taxa no expoente seráaproximadamente 𝜆, e como t é monoticamente crescente, a diferença tendea zero.No contexto biológico, o intervalo entre o plantio e a colheita é pequeno, e asespécies que fazem sentido econômico (mercado) produzem variantes GMpara melhorar a produção tipicamente não possuem caracteristicamente taxade crescimento 𝜆 intrínseca alta. Devemos observar diferenças significativasnesses casos.

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Caso 𝜆 >> 1

Concluímos que em (25) com 𝜆 >> 1 a taxa no expoente seráaproximadamente 𝜆, e como t é monoticamente crescente, a diferença tendea zero.No contexto biológico, o intervalo entre o plantio e a colheita é pequeno, e asespécies que fazem sentido econômico (mercado) produzem variantes GMpara melhorar a produção tipicamente não possuem caracteristicamente taxade crescimento 𝜆 intrínseca alta. Devemos observar diferenças significativasnesses casos.

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Caso 𝜆 pequeno e/ou 𝛽1 e 𝛽2 são grandes

Se 𝜆 é pequeno e/ou 𝛽i são grandes, então o termo exponencial fica próximode 1. Este é o caso de interesse!

y i (t) − y i (t) ≈(𝛽1

𝛼1+

𝛽2

𝛼2

)(26)

Note que 𝛼i são o recíproco das capacidades de suporte dos sistema logísticooriginal, 𝛽i são os coef. interação da j-ésima variante.A diferença acima é essencialmente determinada pelo coef. de interaçãogrande (impacto da variante GM sobre a natural) vezes a capacidade de

suporte grande da variante GM 𝛽1 ×1𝛼1

.

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Caso 𝜆 pequeno e/ou 𝛽1 e 𝛽2 são grandes

Se 𝜆 é pequeno e/ou 𝛽i são grandes, então o termo exponencial fica próximode 1. Este é o caso de interesse!

y i (t) − y i (t) ≈(𝛽1

𝛼1+

𝛽2

𝛼2

)(26)

Note que 𝛼i são o recíproco das capacidades de suporte dos sistema logísticooriginal, 𝛽i são os coef. interação da j-ésima variante.A diferença acima é essencialmente determinada pelo coef. de interaçãogrande (impacto da variante GM sobre a natural) vezes a capacidade de

suporte grande da variante GM 𝛽1 ×1𝛼1

.

Rinaldo Vieira da Silva Junior (UFAL, Campus Arapiraca)A Matemática e o Impacto Ambiental de Transgênicos 33 / 36

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Caso 𝜆 pequeno e/ou 𝛽1 e 𝛽2 são grandes

Se 𝜆 é pequeno e/ou 𝛽i são grandes, então o termo exponencial fica próximode 1. Este é o caso de interesse!

y i (t) − y i (t) ≈(𝛽1

𝛼1+

𝛽2

𝛼2

)(26)

Note que 𝛼i são o recíproco das capacidades de suporte dos sistema logísticooriginal, 𝛽i são os coef. interação da j-ésima variante.A diferença acima é essencialmente determinada pelo coef. de interaçãogrande (impacto da variante GM sobre a natural) vezes a capacidade de

suporte grande da variante GM 𝛽1 ×1𝛼1

.

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Sumário

1 Introdução

2 Trofodinâmica Analítica

3 Parâmetros Agrupados CHS

4 Dinâmica Estocástica

5 Discussão Biológica dos ResultadosSolução Crescimento Líquido

6 Referências Bibliográficas

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Referências

Hutchinson, G. E., “An Introduction to Population Biology. New Haven: Yale U.Press, 1978.

Avery, T. E., “Natural Resource Measurements”, 2nd ed., McGraw Hill, New York,1975.

Whittaker, R. H., “Communities and Ecosystems", 2nd ed., MacMillan PublishingCo., New York, 1970.

Antonelli, P. L. and Bradbury, R. H, “Volterra-Hamilton Models in the Ecology andEvolution of Colonial Organisms”, Series in Mathematical Biology and Medicine, 2,World Scientific Press, New Jersey, 1995.

Antonelli, P. L. and Zastawniak, T.J. “Fundamentals of Finslerian Diffusion withApplications", Springer-Verlag, London, 1999.

Carielo, M. S. O MÉTODO DA TROFODINÂMICA ANALÍTICA:FUNDAMENTAÇÃO MATEMÁTICA E APLICAÇÕES, UFPE, 2015.

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Referências

Harper, J. L., “Population Biology of Plants”, Academic Press, Waltham, 1977.

Conway, Edward and Hoff, David and Smoller, Joel, ”Large time behavior ofsolutions of systems of nonlinear reaction-diffusion equations”, SIAM Journal onApplied Mathematics, 35, 1, pp. 1–16, SIAM, 1978.

Smoller, Joel, ”Shock waves and reaction-diffusion equations”, smoller1983shock,Research supported by the US Air Force and National Science Foundation. NewYork and Heidelberg, Springer-Verlag (Grundlehren der MathematischenWissenschaften. Volume 258), 1983, 600 p., 258, 1983.

P.L. Antonelli, R.V.S. Junior, S.F. Rutz, Environmental Analysis of Impact ofTransgenic Crops, Int. J. of Appl. Math., Academic Publications Ltd., 26, No 4(2013), 515-524.

P.L. Antonelli, R.V.S. Junior, S.F. Rutz, ANALYSIS OF IMPACT OFTRANSGENIC CROPS IN A NOISY ENVIRONMENT, (to appear).

Rinaldo Vieira da Silva Junior (UFAL, Campus Arapiraca)A Matemática e o Impacto Ambiental de Transgênicos 36 / 36