Extinction probabilities for tsetse (Glossina spp.) in a world of changing climate
Date
2020-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Tsetse (Glossina spp) transmit trypanosomiases, as sleeping sickness to humans and
nagana to livestock. These continue to have negative impacts on health and wealth in
the African continent. In recent years, treatment, and vector control, have helped to
reduced disease burden and the World Health Organization set 2020 as a target year
for eliminating the disease in humans. Tsetse populations have also declined in parts
of Africa due to climate change and human encroachment. In the fight against trypanosomiases,
there is a continuing need to improve understanding of tsetse population
dynamics – and particularly the conditions under which tsetse populations persist, and
the implications for tsetse control/eradication in a changing world. We explore here
five primary objectives. Firstly, we revisit a branching process model developed for
tsetse population growth and estimates for extinction probabilities. We improve the
model by modifying it to work for more realistic situations where, for example, male
to female sex ratios in the population are not necessarily one-to-one. We estimate
extinction probabilities as a function of the probability that a deposited larva is female,
and show that tsetse populations will thrive better when there are slightly more
females than males in the population. We confirm that daily mortality rates 3.5%
ensure eradication of closed populations of tsetse. Secondly, we simplify the mathematical
derivation of earlier estimate for extinction probabilities and carry out global
uncertainty and sensitivity analyses on extinction probabilities, using Latin Hypercube
Sampling and Partial Rank Correlation Coefficient methods. We show that adult female
mortality has the highest correlation with extinction probability. We caution that a new tsetse control method, which proposes a strategy combining Sterile Insect
Techniques (SIT) with increased pupal mortality, may not offer any added benefit for
tsetse eradication. Thirdly, we estimate extinction probabilities, times to extinction
and growth rates as a function of temperature for tsetse populations. We provide temperature
bounds for tsetse persistence, and suggest that future control efforts should
consider the impact of changing climate on the distribution and abundance of tsetse
populations. Fourthly, we develop a general model for tsetse population persistence,
and show that previous models are special cases of our current model. While extinction
probabilities are sensitive to changes in the point of the life cycle at which we
count the population, the reproduction number is independent of the counting point
chosen. Finally, we derive the intrinsic rate of increase for tsetse populations using
the Euler-Lotka equation. We use temperature data, and tsetse population estimates
from a mark–recapture exercise, to test our model’s validity, and show that our results
are comparable to estimates derived from the data. We estimate the intrinsic
rate of increase for tsetse populations in the neighbourhood of Rekomitjie Research
Station in Zimbabwe, using as input average daily temperatures from 1960–2018. We
created multiple climate change scenarios, using 2018 daily temperatures as a baseline.
We predict that a warming rate of 0.08°C per-year could drive tsetse populations to
extinction in the neighbourhood of Rekomitjie within the next 50 years.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Tsetse-vlieë (Glossina spp) dra trypanosomiasis oor, bekend as slaapsiekte by mense en nagana by vee. Dit het steeds ’n negatiewe invloed op die gesondheid en welvaart op die vasteland van Afrika. In onlangse jare het die behandeling en vektor kontrole gehelp om die las van siektes te verminder, en WGO het 2020 as ’n teikenjaar vir die uitwissing van die siekte by mense gestel. Tsetse-bevolkings het ook in dele van Afrika ernstig afgeneem as gevolg van klimaatsverandering en menslike nedersettings wat habitat oorneem. In die stryd teen trypanosomiasis is daar ’n voortdurende behoefte om die begrip van die tsetse-bevolkingsdinamika te verbeter - veral die omstandighede waaronder tsetse-bevolkings voortbestaan, en die gevolge vir die beheer van die tsetse-bevolking in ’n veranderende wêreld. Hier word vyf primêre doelstellings ondersoek. Eerstens kyk ons na ’n vertakkingsprosesmodel wat ontwikkel is vir die groei van die bevolking en die beraming van waarskynlikhede vir uitsterwing. Ons verbeter die model deur dit aan te pas vir meer realistiese situasies waar byvoorbeeld manlike-totvroulike geslagsverhoudings in die bevolking nie noodwendig een-tot-een is nie. Ons skat die waarskynlikheid van uitsterwing as ’n funksie van die waarskynlikheid dat ’n afgesette larwe vroulik is, en toon dat die tsetse-bevolkings beter sal floreer as daar ’n bietjie meer vroulike as manlike vlieë in die bevolking is. Ons bevestig dat daaglikse sterftesyfers van 3.5% die uitsterwing van geslote tsetse-bevolkings verseker. Tweedens vereenvoudig ons die wiskundige afleiding van vroeëre beramings vir die uit sterwing waarskynlikhede en voer ons globale onsekerheid en sensitiwiteitsanalises uit oor die uitsterwing waarskynlikhede, met behulp van Latynse Hypercube steekproefneming en gedeeltelike rang korrelasie koëffisiënt metodes. Ons toon aan dat sterftes van volwasse vroulike vlieë sterk gekorreleerd is met die waarskynlikheid van uitsterwing. Ons waarsku dat ’n nuwe metode, waarin ’n strategie voorgestel word waarin Steriele Insekstegnieke (SIT) gekombineer word met verhoogde vrektes in die papies, geen ekstra voordeel vir die uitroei van tsetse kan bied nie. Derdens skat ons die waarskynlikheid van uitsterwing, tye tot uitsterwing en groeitempo as ’n funksie van temperatuur vir tsetse-bevolkings. Ons bied temperatuurgrense vir tsetse-volharding, en stel voor dat toekomstige beheerpogings die impak van veranderende klimaat op die verspreiding en oorvloed van tsetse-bevolkings moet oorweeg. Vierdens ontwikkel ons ’n algemene model vir volharding van die tsetse-bevolking en toon dat vorige modelle spesiale gevalle van ons huidige model is. Terwyl die waarskynlikheid van uitsterwing gevoelig is vir veranderinge in die punt van die lewensiklus waarop ons die bevolking tel, is die reproduksiegetal onafhanklik van die gekose telpunt. Laastens verkry ons die intrinsieke toename in tsetse bevolkings met behulp van die Euler-Lotka vergelyking. Ons gebruik temperatuurdata en bevolkingsberamings verkry deur ‘n “mark-recapture” eksperiment, om die geldigheid van ons model te toets en om aan te toon dat ons resultate vergelykbaar is met die beramings wat uit die data verkry is. Ons skat die intrinsieke groeitempo van tsetse-bevolkings in die omgewing van die Rekomitjie-navorsingsstasie in Zimbabwe, en gebruik die gemiddelde daaglikse temperatuur tussen 1960 en 2018 as ‘n veranderlike. Ons het verskeie klimaatverandering scenario’s geskep met die daaglikse temperatuur van 2018 as ’n basislyn. Ons voorspel dat ’n opwarmingstempo van 0.08°C per jaar kan lei tot uitsterwing van tsetse-vlieg bevolkings binne die volgende 50 jaar in die omgewing van Rekomitjie.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Tsetse-vlieë (Glossina spp) dra trypanosomiasis oor, bekend as slaapsiekte by mense en nagana by vee. Dit het steeds ’n negatiewe invloed op die gesondheid en welvaart op die vasteland van Afrika. In onlangse jare het die behandeling en vektor kontrole gehelp om die las van siektes te verminder, en WGO het 2020 as ’n teikenjaar vir die uitwissing van die siekte by mense gestel. Tsetse-bevolkings het ook in dele van Afrika ernstig afgeneem as gevolg van klimaatsverandering en menslike nedersettings wat habitat oorneem. In die stryd teen trypanosomiasis is daar ’n voortdurende behoefte om die begrip van die tsetse-bevolkingsdinamika te verbeter - veral die omstandighede waaronder tsetse-bevolkings voortbestaan, en die gevolge vir die beheer van die tsetse-bevolking in ’n veranderende wêreld. Hier word vyf primêre doelstellings ondersoek. Eerstens kyk ons na ’n vertakkingsprosesmodel wat ontwikkel is vir die groei van die bevolking en die beraming van waarskynlikhede vir uitsterwing. Ons verbeter die model deur dit aan te pas vir meer realistiese situasies waar byvoorbeeld manlike-totvroulike geslagsverhoudings in die bevolking nie noodwendig een-tot-een is nie. Ons skat die waarskynlikheid van uitsterwing as ’n funksie van die waarskynlikheid dat ’n afgesette larwe vroulik is, en toon dat die tsetse-bevolkings beter sal floreer as daar ’n bietjie meer vroulike as manlike vlieë in die bevolking is. Ons bevestig dat daaglikse sterftesyfers van 3.5% die uitsterwing van geslote tsetse-bevolkings verseker. Tweedens vereenvoudig ons die wiskundige afleiding van vroeëre beramings vir die uit sterwing waarskynlikhede en voer ons globale onsekerheid en sensitiwiteitsanalises uit oor die uitsterwing waarskynlikhede, met behulp van Latynse Hypercube steekproefneming en gedeeltelike rang korrelasie koëffisiënt metodes. Ons toon aan dat sterftes van volwasse vroulike vlieë sterk gekorreleerd is met die waarskynlikheid van uitsterwing. Ons waarsku dat ’n nuwe metode, waarin ’n strategie voorgestel word waarin Steriele Insekstegnieke (SIT) gekombineer word met verhoogde vrektes in die papies, geen ekstra voordeel vir die uitroei van tsetse kan bied nie. Derdens skat ons die waarskynlikheid van uitsterwing, tye tot uitsterwing en groeitempo as ’n funksie van temperatuur vir tsetse-bevolkings. Ons bied temperatuurgrense vir tsetse-volharding, en stel voor dat toekomstige beheerpogings die impak van veranderende klimaat op die verspreiding en oorvloed van tsetse-bevolkings moet oorweeg. Vierdens ontwikkel ons ’n algemene model vir volharding van die tsetse-bevolking en toon dat vorige modelle spesiale gevalle van ons huidige model is. Terwyl die waarskynlikheid van uitsterwing gevoelig is vir veranderinge in die punt van die lewensiklus waarop ons die bevolking tel, is die reproduksiegetal onafhanklik van die gekose telpunt. Laastens verkry ons die intrinsieke toename in tsetse bevolkings met behulp van die Euler-Lotka vergelyking. Ons gebruik temperatuurdata en bevolkingsberamings verkry deur ‘n “mark-recapture” eksperiment, om die geldigheid van ons model te toets en om aan te toon dat ons resultate vergelykbaar is met die beramings wat uit die data verkry is. Ons skat die intrinsieke groeitempo van tsetse-bevolkings in die omgewing van die Rekomitjie-navorsingsstasie in Zimbabwe, en gebruik die gemiddelde daaglikse temperatuur tussen 1960 en 2018 as ‘n veranderlike. Ons het verskeie klimaatverandering scenario’s geskep met die daaglikse temperatuur van 2018 as ’n basislyn. Ons voorspel dat ’n opwarmingstempo van 0.08°C per jaar kan lei tot uitsterwing van tsetse-vlieg bevolkings binne die volgende 50 jaar in die omgewing van Rekomitjie.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2020.
Keywords
Tsetse-flies -- Extinction probability, Tsetse-flies -- Effect of high temperature on, Tsetse-flies -- Effect of climatic changes on -- Forcasting, Tsetse-flies -- Mortality -- Mathematical models, Trypanosomiasis, Branching process, UCTD