Genealogy and genetic differentiation of populations evolving in heterogeneous environments

• Applicant: Professor Dr. Oskar Hallatschek
• Subject Area: Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics
• Term: from 2006 to 2009
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 19370331

• Final Report Year: 2009

Final Report Abstract

Ziel war, die (vornehmlich neutrale) genetische Variation in Populationen zu verstehen, die sich nicht im Gleichgewicht befinden. Ich begann meine Analyse mit einem scheinbar einfachen Fall: Eine Bevölkerung, die ihr Habitat kontinuierlich erweitert. Solche Prozesse kommen in der evolutionären Geschichte vieler Arten häufig vor, zum Beispiel, als Reaktion auf einen Klimawechsel (sich zurückziehende Gletscher etc.). Es stellte sich heraus, dass schon die eindimensionale Idealisierung dieser Situation gleichermassen unverstanden, wie nicht-trivial war. Neben einigen mathematischen Relationen, ist es mir konkret gelungen, die zeitliche Abnahme der genetischen Variabilität für eine grosse Klasse von Modellen auf die Form der Bevölkerungsverteilung in der Kolonisierungsfront zurückzuführen. Damit ist es möglich, aus einem gegebenen Model für den Prozess der Habitaterweiterung die Entwicklung der neutralen genetische Variation vorherzusagen. Umgekehrt kann man evolutionsgeschichtlich interessante Parameter, wie Kolonisierungsrichtung und Geschwindigkeit, aus der genetischen Variation ableiten, falls das passende Populationsmodell zur Verfügung steht. Die meisten natürlichen (Re-)Kolonisierungsprozesse finden allerdings in zwei Dimensionen statt. Unter Vernachlässigung von Wachstumsvariationen lässt sich oben erwähnte Theorie auch auf mehrere Dimensionen erweitern. Meine Simulationen haben aber gezeigt, dass sich für lange Zeiten signifikante Abweichungen ergeben falls die Grenzlinie der wachsenden Kolonie aufrauht. Auf Grund der lokalen Wachstumszufälligkeiten stellt sich ein anomal schnelles “Entmischen” ein. Ich konnte diese paradigmatische Situation sogar experimentell mit Ecoli- und Hefekulturen umsetzten und die Resultate mit Simulationen vergleichen.

Publications

• Dynamics of semiflexible polymers in a flow field. Physical Review E, 74(4):11, 2006
  T. Munk, O. Hallatschek, C. H. Wiggins, and E. Frey
  
• Coupling of transverse and longitudinal response in stiff polymers. Physical Review Letters, 99(9):4, 2007
  B. Obermayer and O. Hallatschek
  
• Genetic drift at expanding frontiers promotes gene segregation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 104(50):19926–19930, 2007
  O. Hallatschek, P. Hersen, S. Ramanathan, and D. R. Nelson
  
• Stretching dynamics of semiflexible polymers. European Physical Journal E, 23(4):375– 388, 2007
  B. Obermayer, O. Hallatschek, E. Frey, and K. Kroy
  
• Tension dynamics in semiflexible polymers. I. Coarse-grained equations of motion. Physical Review E, 75(3):14, 2007
  O. Hallatschek, E. Frey, and K. Kroy
  
• Tension dynamics in semiflexible polymers. II. Scaling solutions and applications. Physical Review E, 75(3):20, 2007
  O. Hallatschek, E. Frey, and K. Kroy
  
• Dynamic structure factor of a stiff polymer in a glassy solution. European Physical Journal E, 26(1):123–136, 2008
  J. Glaser, O. Hallatschek, and K. Kroy
  
• Gene surfing in expanding populations. Theoretical Population Biology, 73(1):158–170, 2008
  O. Hallatschek and D. R. Nelson
  
• Life at the front of an expanding population. Oct 2008
  Oskar Hallatschek and David R Nelson
  
• Surfing during population expansions promotes genetic revolutions and structuration. Trends in Ecology & Evolution, 23(7):347–351, 7 2008
  L. Excoffer and N. Ray
  
• Freely relaxing polymers remember how they were straightened. Phys. Rev. E, 79(2):021804, Jan 2009
  Benedikt Obermayer, Wolfram Moebius, Oskar Hallatschek, Erwin Frey, and Klaus Kroy