Biologically inspired visual odometer for navigation of a flying robot

Experimental research in biology has uncovered a number of different ways in which flying insects use cues derived from optical flow for navigational purposes, such as safe landing, obstacle avoidance and dead reckoning. In this study, we use a synthetic methodology to gain additional insights into the navigation behavior of bees. Specifically, we focus on the mechanisms of course stabilization behavior and visually mediated odometer by using a biological model of motion detector for the purpose of long-range goal-directed navigation in 3D environment. The performance tests of the proposed navigation method are conducted by using a blimp-type flying robot platform in uncontrolled indoor environments. The result shows that the proposed mechanism can be used for goal-directed navigation. Further analysis is also conducted in order to enhance the navigation performance of autonomous aerial vehicles. © 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Impact des polluants agricoles sur la génétique des populations d’une espèce sentinelle : le ouaouaron (Rana catesbeiana)

L’expansion agricole ne cesse d’agir sur la perte d’habitats essentiels et nécessaires au développement des espèces. Bien que plusieurs espèces réussissent à survivre dans ces habitats peu adéquats, la persistance et la santé de plusieurs populations semblent compromises par l’utilisation souvent intensive de polluants chimiques agricoles et de fertilisants. Cette étude a pour but de déterminer l’impact des contaminants et de l’écologie du paysage sur la diversité génétique des populations de ouaouarons retrouvées en milieu agricole. Notre hypothèse de départ stipule qu’une exposition chronique aux polluants agricoles induira des différences génétiques au niveau des populations exposées. Le bassin versant de la rivière Yamaska a été désigné comme site d’étude puisqu’il fait partie de la région agricole la plus importante du Québec et parce qu’on y retrouve un gradient d’utilisation des terres pour l’agriculture (faible, moyen, élevé). Le ouaouaron a été choisi à titre de modèle biologique puisque ses caractéristiques physiologiques et écologiques en font une espèce sentinelle capable de rendre compte de l’état de santé global des écosystèmes. La caractérisation génétique des populations a été effectuée à partir de marqueurs d’AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism). Les résultats montrent que la diversité génétique est liée à la colonisation à partir de l’embouchure de la rivière Yamaska et que quelques populations sont génétiquement différenciées. De plus, nous avons démontré une relation positive entre le nombre de locus polymorphes et l’atrazine, l’indice de contamination et le métolachlore et la concentration en azote ainsi qu’entre l’hétérozygotie attendue et la concentration en phosphate.

L'épigénétique, moteur de l'évolution d'un vertébré asexué

L’objectif de cette thèse est de déterminer l’étendue de la variabilité épigénétique, plus particulièrement du polymorphisme de méthylation de l’ADN, non liée à la variabilité génétique dans les populations asexuées en milieu naturel. Cette évaluation nous a permis de mieux cerner l’importance que peuvent avoir les processus épigénétiques en écologie et en évolution. Le modèle biologique utilisé est l’hybride clonal du complexe gynogénétique Chrosomus eos-neogaeus. Malgré une homogénéité génétique, une importante variabilité phénotypique est observée entre les hybrides d’une même lignée clonale mais retrouvés dans des environnements différents. L’influence des processus épigénétiques apporte une explication sur ce paradoxe. L’épigénétique se définit comme une modification de l’expression des gènes sans changement de la séquence d’ADN. La diversité des phénotypes peut entre autre s’expliquer par des patrons de méthylation différentiels des gènes et/ou des allèles des gènes entre les hybrides génétiquement identiques. La diversité des lignées épiclonales peut quant à elle s’expliquer par la colonisation de plusieurs lignées épiclonales, s’établir en réponse à l’environnement ou de façon aléatoire. Plusieurs méthodes seront utilisées afin de survoler le génome des hybrides clonaux pour mettre en évidence le polymorphisme de méthylation de l’ADN à l’échelle de l’individu et entre les individus de différentes populations.

Les impacts de la dispersion historique sur la variabilité génétique à différentes échelles spatiales : connaître l'histoire pour mieux comprendre le présent.

La variabilité génétique actuelle est influencée par une combinaison complexe de variables historiques et contemporaines. Dès lors, une interprétation juste de l’impact des processus actuels nécessite une compréhension profonde des processus historiques ayant influencé la variabilité génétique. En se basant sur la prémisse que des populations proches devraient partager une histoire commune récente, nombreuses études, effectuées à petite échelle spatiale, ne prennent pas en considération l’effet potentiel des processus historiques. Cette thèse avait pour but de vérifier la validité de cette prémisse en estimant l’effet de la dispersion historique à grande et à petite échelle spatiale. Le premier volet de cette thèse avait pour but d’évaluer l’impact de la dispersion historique sur la répartition des organismes à grande échelle spatiale. Pour ce faire, les moules d’eau douce du genre flotteurs (Pyganodon spp.) ont servies de modèle biologique. Les moules d'eau douce se dispersent principalement au stade larvaire en tant que parasites des poissons. Une série de modèles nuls ont été développés pour évaluer la co-occurrence entre des parasites et leurs hôtes potenitels. Les associations distinctes du flotteur de Terre-Neuve (P. fragilis) avec des espèces de poissons euryhalins permettent d’expliquer sa répartition. Ces associations distinctes ont également pu favoriser la différenciation entre le flotteur de Terre-Neuve et son taxon soeur : le flotteur de l’Est (P. cataracta). Cette étude a démontré les effets des associations biologiques historiques sur les répartitions à grande échelle spatiale. Le second volet de cette thèse avait pour but d’évaluer l’impact de la dispersion historique sur la variabilité génétique, à petite échelle spatiale. Cette fois, différentes populations de crapet de roche (Ambloplites rupestris) et de crapet soleil (Lepomis gibbosus), dans des drainages adjacents ont servies de modèle biologique. Les différences frappantes observées entre les deux espèces suggèrent des patrons de colonisation opposés. La faible diversité génétique observée en amont des drainages et la forte différenciation observée entre les drainages pour les populations de crapet de roche suggèrent que cette espèce aurait colonisé les drainages à partir d'une source en aval. Au contraire, la faible différenciation et la forte diversité génétique observées en amont des drainages pour les populations de crapet soleil suggèrent une colonisation depuis l’amont, induisant du même coup un faux signal de flux génique entre les drainages. La présente étude a démontré que la dispersion historique peut entraver la capacité d'estimer la connectivité actuelle, à petite échelle spatiale, invalidant ainsi la prémisse testée dans cette thèse. Les impacts des processus historiques sur la variabilité génétique ne sont pas faciles à démontrer. Le troisième volet de cette thèse avait pour but de développer une méthode permettant de les détecter. La méthode proposée est très souple et favorise la comparaison entre la variabilité génétique et plusieurs hypothèses de dispersion. La méthode pourrait donc être utilisée pour comparer des hypothèses de dispersion basées sur le paysage historique et sur le paysage actuel et ainsi permettre l’évaluation des impacts historiques et contemporains sur la variabilité génétique. Les performances de la méthode sont présentées pour plusieurs scénarios de simulations, d’une complexité croissante. Malgré un impact de la différentiation globale, du nombre d’individus ou du nombre de loci échantillonné, la méthode apparaît hautement efficace. Afin d’illustrer le potentiel de la méthode, deux jeux de données empiriques très contrastés, publiés précédemment, ont été ré analysés. Cette thèse a démontré les impacts de la dispersion historique sur la variabilité génétique à différentes échelles spatiales. Les effets historiques potentiels doivent être pris en considération avant d’évaluer les impacts des processus écologiques sur la variabilité génétique. Bref, il faut intégrer l’évolution à l’écologie.

Structural Chromosomal Alterations Induced by Dietary Bioflavonoids in Fanconi Anemia Lymphocytes

Introduction Fanconi anemia is an autosomal recessive disease characterized by a variety of congenital abnormalities, progressive bone marrow failure, increased chromosomal instability and higher risk to acute myeloid leukemia, solid tumors. This entity can be considered an appropriate biological model to analyze natural substances with possible genotoxic effect. The aims of this study were to describe and quantify structural chromosomal aberrations induced by 5 flavones, 2 isoflavones and a topoisomerase II chemotherapeutic inhibitor in Fanconi anemia lymphocytes in order to determine chromosomal numbers changes and/ or type of chromosomal damage. Materials and methods Chromosomes stimulated by phytohaemagglutinin M, from Fanconi anemia lymphocytes, were analysed by conventional cytogenetic culture. For each chemical substance and controls, one hundred metaphases were evaluated. Chromosomal alterations were documented by photography and imaging analyzer. To statistical analysis was used chi square test to identify significant differences between frequencies of chromosomal damage of basal and exposed cell cultured a P value less than 0.05. Results There were 431 chromosomal alterations in 1000 metaphases analysed; genistein was the more genotoxic bioflavonoid, followed in descendent order by genistin, fisetin, kaempferol, quercetin, baicalein and miricetin. Chromosomal aberrations observed were: chromatid breaks, chromosomal breaks, cromatid and chromosomal gaps, quadriratials exchanges, dicentrics chromosome and complex rearrangements. Conclusion Bioflavonoids as genistein, genistin and fisetin, which are commonly present in the human diet, showed statistical significance in the number of chromosomal aberrations in Fanconi anemia lymphocytes, regarding the basal damage.

Avaluació de la toxicitat de metalls pesants i arsènic en diferents models biològics

En aquest estudi, la toxicitat de diversos metalls pesants i l'arsènic va ser analitzada utilitzant diferents models biològics. En la primera part d'aquest treball, el bioassaig de toxicitat Microtox, el qual està basat en la variació de l'emissió lumínica del bacteri luminiscent Vibrio fischeri, va ser utilitzat per establir les corbes dosi-resposta de diferents elements tòxics com el Zn(II), Pb(II), Cu(II), Hg(II), Ag(I), Co(II), Cd(II), Cr(VI), As(V) i As(III) en solucions aquoses. Els experiments es varen portar a terme a pH 6.0 i 7.0 per tal de mostrar que el pH pot influir en la toxicitat final mesurada d'alguns metalls degut als canvis relacionats amb la seva especiació química. Es varen trobar diferents tipus de corbes dosi-resposta depenent del metall analitzat i el pH del medi. En el cas de l'arsènic, l'efecte del pH en la toxicitat de l'arsenat i l'arsenit es va investigar utilitzant l'assaig Microtox en un rang de pHs comprès entre pH 5.0 i 9.0. Els valors d'EC50 determinats per l'As(V) disminueixen, reflectint un augment de la toxicitat, a mesura que el pH de la solució augmenta mentre que, en el cas de l'As(III), els valors d'EC50 quasi bé no varien entre pH 6.0 i 8.0 i només disminueixen a pH 9.0. HAsO42- i H2AsO3- es varen definir com les espècies més tòxiques. Així mateix, una anàlisi estadística va revelar un efecte antagònic entre les espècies químiques d'arsenat que es troben conjuntament a pH 6.0 i 7.0. D'altra banda, els resultats de dos mètodes estadístics per predir la toxicitat i les possibles interaccions entre el Co(II), Cd(II), Cu(II), Zn(II) i Pb(II) en mescles binàries equitòxiques es varen comparar amb la toxicitat observada sobre el bacteri Vibrio fischeri. L'efecte combinat d'aquests metalls va resultar ser antagònic per les mescles de Co(II)-Cd(II), Cd(II)-Zn(II), Cd(II)-Pb(II) i Cu(II)-Pb(II), sinèrgic per Co(II)-Cu(II) i Zn(II)-Pb(II) i additiu en els altres casos, revelant un patró complex de possibles interaccions. L'efecte sinèrgic de la combinació Co(II)-Cu(II) i la forta disminució de la toxicitat del Pb(II) quan es troba en presència de Cd(II) hauria de merèixer més atenció quan s'estableixen les normatives de seguretat ambiental. La sensibilitat de l'assaig Microtox també va ser determinada. Els valors d'EC20, els quals representen la toxicitat llindar mesurable, varen ser determinats per cada element individualment i es va veure que augmenten de la següent manera: Pb(II) < Ag(I) < Hg(II)  Cu(II) < Zn(II) < As(V) < Cd(II)  Co(II) < As(III) < Cr(VI). Aquests valors es varen comparar amb les concentracions permeses en aigues residuals industrials establertes per la normativa oficial de Catalunya (Espanya). L'assaig Microtox va resultar ser suficientment sensible per detectar els elements assajats respecte a les normes oficials referents al control de la contaminació, excepte en el cas del cadmi, mercuri, arsenat, arsenit i cromat. En la segona part d'aquest treball, com a resultats complementaris dels resultats previs obtinguts utilitzant l'assaig de toxicitat aguda Microtox, els efectes crònics del Cd(II), Cr(VI) i As(V) es varen analitzar sobre la taxa de creixement i la viabilitat en el mateix model biològic. Sorprenentment, aquests productes químics nocius varen resultar ser poc tòxics per aquest bacteri quan es mesura el seu efecte després de temps d'exposició llargs. Tot i això, en el cas del Cr(VI), l'assaig d'inhibició de la viabilitat va resultar ser més sensible que l'assaig de toxicitat aguda Microtox. Així mateix, també va ser possible observar un clar fenomen d'hormesis, especialment en el cas del Cd(II), quan s'utilitza l'assaig d'inhibició de la viabilitat. A més a més, diversos experiments es varen portar a terme per intentar explicar la manca de toxicitat de Cr(VI) mostrada pel bacteri Vibrio fischeri. La resistència mostrada per aquest bacteri podria ser atribuïda a la capacitat d'aquest bacteri de convertir el Cr(VI) a la forma menys tòxica de Cr(III). Es va trobar que aquesta capacitat de reducció depèn de la composició del medi de cultiu, de la concentració inicial de Cr(VI), del temps d'incubació i de la presència d'una font de carboni. En la tercera part d'aquest treball, la línia cel·lular humana HT29 i cultius primaris de cèl·lules sanguínies de Sparus sarba es varen utilitzar in vitro per detectar la toxicitat llindar de metalls mesurant la sobreexpressió de proteines d'estrès. Extractes de fangs precedents de diverses plantes de tractament d'aigues residuals i diferents metalls, individualment o en combinació, es varen analitzar sobre cultius cel·lulars humans per avaluar el seu efecte sobre la taxa de creixement i la capacitat d'induir la síntesi de les proteïnes Hsp72 relacionades amb l'estrès cel·lular. No es varen trobar efectes adversos significatius quan els components s'analitzen individualment. Nogensmenys, quan es troben conjuntament, es produeix un afecte advers sobre tan la taxa de creixement com en l'expressió de proteins d'estrès. D'altra banda, cèl·lules sanguínies procedents de Sparus sarba es varen exposar in vitro a diferents concentracions de cadmi, plom i crom. La proteïna d'estrès HSP70 es va sobreexpressar significativament després de l'exposició a concentracions tan febles com 0.1 M. Sota les nostres condicions de treball, no es va evidenciar una sobreexpressió de metal·lotioneïnes. Nogensmenys, les cèl·lules sanguínies de peix varen resultar ser un model biològic interessant per a ser utilitzat en anàlisis de toxicitat. Ambdós models biològics varen resultar ser molt adequats per a detectar acuradament la toxicitat produïda per metalls. En general, l'avaluació de la toxicitat basada en l'anàlisi de la sobreexpressió de proteïnes d'estrès és més sensible que l'avaluació de la toxicitat realitzada a nivell d'organisme. A partir dels resultats obtinguts, podem concloure que una bateria de bioassaigs és realment necessària per avaluar acuradament la toxicitat de metalls ja que existeixen grans variacions entre els valors de toxicitat obtinguts emprant diferents organismes i molts factors ambientals poden influir i modificar els resultats obtinguts.

Optimització del procés productiu d'engreixament porcí. Un enfocament operatiu

Aquest treball de tesis doctoral tracta de la Optimització de la fase d'engreix. L'objectiu és determinar les condicions d'enviament a sacrifici d'un lot d'animals des d'un punt de vista operatiu. En primer lloc es fa una anàlisi de la cadena de producció de carn porcina, resaltant-ne els canvis del sector que han influit en la fase d'engreixament. La conclusió d'aquesta anàlisi és el plantejament d'un model per prendre decisions degut al canvi de paradigma que s'evidencia: els productors de porcs en la fase d'engreix cal que orientin la gestió del paràmetres operatius i els productes finals a les exigències i gustos dels seus clients. Seguidament, es presenta el sistema d'ajut a la decisió basat en un model biològic que explica l'evolució de les variables productives (pes i consum de pinso). A més també prediu les variables associades a característiques de la canal, com són el percentatge de magre, la proporció de peces, el rendiment i el greix intramuscular. El sistema té en compte tres mercats de carn porcina alternatius: 1) basat en pes viu, 2) basat en mèrits de la canal (percentatge de magre) y 3) basat en el valor de les peces nobles resultants de l'especejament de l'animal. L'objetiu del sistema és determinar la millor estratègia d'enviament per a cadascun dels genotips que s'han estudiat (alternatives de producció) depenent del mercat on seran enviats els animals. A més, també ha estat estudiat l'efecte de la variabilitat biològica dels animals dins del lot sobre els valors econòmics. També s'ha considerat l'opció d'enviar els animals en diverses etapes per tal d'homogeneitzar el pes dels animals enviats. Aquest problema ha estat estudiat seguint l'enfocament de programació dinàmica. En els darrers capítols es presenten quatre aplicacions del model que s'han desenvolupat al llarg del treball. En un futur els mercats de carn porcina tindran la tendència a ser més definits, per tant la producció en la fase d'engreixament porcí hauria d'integrar i tenir en compte les demandes i les exigències del consumidor.

Graphical tracking systems revisited: a practical approach to computer scheduling in horticulture

Graphical tracking is a technique for crop scheduling where the actual plant state is plotted against an ideal target curve which encapsulates all crop and environmental characteristics. Management decisions are made on the basis of the position of the actual crop against the ideal position. Due to the simplicity of the approach it is possible for graphical tracks to be developed on site without the requirement for controlled experimentation. Growth models and graphical tracks are discussed, and an implementation of the Richards curve for graphical tracking described. In many cases, the more intuitively desirable growth models perform sub-optimally due to problems with the specification of starting conditions, environmental factors outside the scope of the original model and the introduction of new cultivars. Accurate specification for a biological model requires detailed and usually costly study, and as such is not adaptable to a changing cultivar range and changing cultivation techniques. Fitting of a new graphical track for a new cultivar can be conducted on site and improved over subsequent seasons. Graphical tracking emphasises the current position relative to the objective, and as such does not require the time consuming or system specific input of an environmental history, although it does require detailed crop measurement. The approach is flexible and could be applied to a variety of specification metrics, with digital imaging providing a route for added value. For decision making regarding crop manipulation from the observed current state, there is a role for simple predictive modelling over the short term to indicate the short term consequences of crop manipulation.

Physical principles of membrane organization

Membranes are the most common cellular structures in both plants and animals. They are now recognized as being involved in almost all aspects of cellular activity ranging from motility and food entrapment in simple unicellular organisms, to energy transduction, immunorecognition, nerve conduction and biosynthesis in plants and higher organisms. This functional diversity is reflected in the wide variety of lipids and particularly of proteins that compose different membranes. An understanding of the physical principles that govern the molecular organization of membranes is essential for an understanding of their physiological roles since structure and function are much more interdependent in membranes than in, say, simple chemical reactions in solution. We must recognize, however, that the word ‘understanding’ means different things in different disciplines, and nowhere is this more apparent than in this multidisciplinary area where biology, chemistry and physics meet.

How honeybees make grazing landings on flat surfaces

Freely flying bees were filmed as they landed on a flat, horizontal surface, to investigate the underlying visuomotor control strategies. The results reveal that (1) landing bees approach the surface at a relatively shallow descent angle; (2) they tend to hold the angular velocity of the image of the surface constant as they approach it; and (3) the instantaneous speed of descent is proportional to the instantaneous forward speed. These characteristics reflect a surprisingly simple and effective strategy for achieving a smooth landing, by which the forward and descent speeds are automatically reduced as the surface is approached and are both close to zero at touchdown. No explicit knowledge of flight speed or height above the ground is necessary. A model of the control scheme is developed and its predictions are verified. It is also shown that, during landing, the bee decelerates continuously and in such a way as to keep the projected time to touchdown constant as the surface is approached. The feasibility of this landing strategy is demonstrated by implementation in a robotic gantry equipped with vision.

Estimating abundance and spatial distribution patterns of the bubble crab Dotilla fenestrata (Crustacea : Brachyura)

The bubble crab Dotilla fenestrata forms very dense populations on the sand flats of the eastern coast of Inhaca Island, Mozambique, making it an interesting biological model to examine spatial distribution patterns and test the relative efficiency of common sampling methods. Due to its apparent ecological importance within the sandy intertidal community, understanding the factors ruling the dynamics of Dotilla populations is also a key issue. In this study, different techniques of estimating crab density are described, and the trends of spatial distribution of the different population categories are shown. The studied populations are arranged in discrete patches located at the well-drained crests of nearly parallel mega sand ripples. For a given sample size, there was an obvious gain in precision by using a stratified random sampling technique, considering discrete patches as strata, compared to the simple random design. Density average and variance differed considerably among patches since juveniles and ovigerous females were found clumped, with higher densities at the lower and upper shore levels, respectively. Burrow counting was found to be an adequate method for large-scale sampling, although consistently underestimating actual crab density by nearly half. Regression analyses suggested that crabs smaller than 2.9 mm carapace width tend to be undetected in visual burrow counts. A visual survey of sampling plots over several patches of a large Dotilla population showed that crab density varied in an interesting oscillating pattern, apparently following the topography of the sand flat. Patches extending to the lower shore contained higher densities than those mostly covering the higher shore. Within-patch density variability also pointed to the same trend, but the density increment towards the lowest shore level varied greatly among the patches compared.

Vivência do enfermeiro no cuidado humano na Unidade de Terapia Intensiva adulto

The purpose of the study was to understand the nurse s experience with human care in the Adult Intensive Care Unit (ICU). The objective was to describe the nurse s experience in caring for patients in the ICU and to analyze the nurse s perception of the care provided. The study is a descriptive inquiry of qualitative nature with a phenomenological approach. We interviewed eight nurses, 26 and 43 years of age, that provide care in the ICU of a private hospital in Natal/RN, during the manths of July and August of 2006. We analyzed the data acording to the method of Colaizzi. Four categories emerged from the data: The search for the maintenance of life, The technicalbureaucratic activities, The recognition of the patient s individuality, and the expression of the nurse s feelings.The analysis allowed us to describe the lived experience of the nurse s care the ICU and to comprehend the structural elements of this experience. The results showed that the nurse s experience presents itself as a process of the several actions and feelings that occur while the social relations between the patient and the nurse develop. Finally, we understand that although the study shows an experience based on a biological model of health, these nurses possess an initial idea on how to reach humanized care in its essence, needing, however, of an institutional policy that favors this practice, an educational formation that prepares her to recognize her field of work as a place of continuous learning and an understanding of the health model as an ally in the search of humanized care

Subcellular localization of proteins labeled with GFP in Xanthomonas citri ssp citri: targeting the division septum

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Quantitative aspects of the migration and evolutive asynchronism of Schistosoma mansoni in mice

Two groups of white mice (Mus musculus) were infected with 65 and 440 cercariae transcutaneously. Migration of Schistosoma mansoni from skin to the lungs and to the portal system thereafter was studied through fitting mathematical equations. Six evolutive stages previously defined were used to determine the asynchronic development of parasites in the portal system. Equations the moment of maximum schistosomula recovery in skin and lungs. In the portal system the equations lead to different days of maximum recovery according to each stage. These differences measure quantitatively the asynchronism of S. mansoni.

Endogenous corticosteroids and insulin in acute inflammation

Carrageenin-induced inflammatory responses in the hindpaws of rats were quantitated by measuring: (1) alterations in volumes of the paws; and (2) alterations in concentration of dye, previously injected intravenously, which was recovered in perfusates from the paws. The inflammatory response in one paw was attenuated by previously inducing an inflammatory response in the contralateral paw. The effect was abolished by pretreatment with insulin. Indexes of adrenal activity were increased after the induction of the inflammatory response and they were not attenuated by pretreatment with insulin. Adrenal hyperactivity was characterized by increased serum corticosterone concentration, decreased adrenal ascorbic acid content, and reduced number of circulating eosinophils. It is concluded that inflammatory stimuli which lead to alterations in microvessels depend on a facilitatory effect of insulin. This effect is antagonized by glucocorticoids released in enhanced concentrations after the application of noxious stimuli. Therefore, endogenous insulin and glucocorticoids act as modulators of inflammatory responses.