Evolutionary methods for self-organizing cooperation in peer-to-peer networks

The Peer-to-Peer network paradigm is drawing the attention of both final users and researchers for its features. P2P networks shift from the classic client-server approach to a high level of decentralization where there is no central control and all the nodes should be able not only to require services, but to provide them to other peers as well. While on one hand such high level of decentralization might lead to interesting properties like scalability and fault tolerance, on the other hand it implies many new problems to deal with. A key feature of many P2P systems is openness, meaning that everybody is potentially able to join a network with no need for subscription or payment systems. The combination of openness and lack of central control makes it feasible for a user to free-ride, that is to increase its own benefit by using services without allocating resources to satisfy other peers’ requests. One of the main goals when designing a P2P system is therefore to achieve cooperation between users. Given the nature of P2P systems based on simple local interactions of many peers having partial knowledge of the whole system, an interesting way to achieve desired properties on a system scale might consist in obtaining them as emergent properties of the many interactions occurring at local node level. Two methods are typically used to face the problem of cooperation in P2P networks: 1) engineering emergent properties when designing the protocol; 2) study the system as a game and apply Game Theory techniques, especially to find Nash Equilibria in the game and to reach them making the system stable against possible deviant behaviors. In this work we present an evolutionary framework to enforce cooperative behaviour in P2P networks that is alternative to both the methods mentioned above. Our approach is based on an evolutionary algorithm inspired by computational sociology and evolutionary game theory, consisting in having each peer periodically trying to copy another peer which is performing better. The proposed algorithms, called SLAC and SLACER, draw inspiration from tag systems originated in computational sociology, the main idea behind the algorithm consists in having low performance nodes copying high performance ones. The algorithm is run locally by every node and leads to an evolution of the network both from the topology and from the nodes’ strategy point of view. Initial tests with a simple Prisoners’ Dilemma application show how SLAC is able to bring the network to a state of high cooperation independently from the initial network conditions. Interesting results are obtained when studying the effect of cheating nodes on SLAC algorithm. In fact in some cases selfish nodes rationally exploiting the system for their own benefit can actually improve system performance from the cooperation formation point of view. The final step is to apply our results to more realistic scenarios. We put our efforts in studying and improving the BitTorrent protocol. BitTorrent was chosen not only for its popularity but because it has many points in common with SLAC and SLACER algorithms, ranging from the game theoretical inspiration (tit-for-tat-like mechanism) to the swarms topology. We discovered fairness, meant as ratio between uploaded and downloaded data, to be a weakness of the original BitTorrent protocol and we drew inspiration from the knowledge of cooperation formation and maintenance mechanism derived from the development and analysis of SLAC and SLACER, to improve fairness and tackle freeriding and cheating in BitTorrent. We produced an extension of BitTorrent called BitFair that has been evaluated through simulation and has shown the abilities of enforcing fairness and tackling free-riding and cheating nodes.

Cooperation and competition in the air transport market: current scenario, possible evolutions and analytical tools

dall'avvento della liberalizzazione, aeroporti e vettori hanno vissuto cambiamenti. Il maggior miglioramneto nella gestione degli aeroporti è una gestione più commerciale ed efficiente. Le forme di regolazione economica e le caratteristiche della gestione manageriale sono state indagate. Dodici paesi sono stati scelti per indagare la situazione del trasporto aereo mondiale, fra questi sia paesi con un sistema maturo sia paesi emergenti. La distribuzione del traffico è stata analizzata con l'indice HHI per evidenziare aeroporti con concentrazione maggiore di 0,25 (in accordo con la normativa statunitense); il sistema aeroportuale è stato analizzato con l'indice di Gini e con l'indice di dominanza. Infine, la teoria dei giochi si è dimostrata un valido supporto per studiare il mercato del trasporto aereo anche con l'uso di giochi di tipo DP

TNFRSF13B Genetic variability an anthropological - evolutionary approach to Biomedical Research

In the recent years TNFRSF13B coding variants have been implicated by clinical genetics studies in Common Variable Immunodeficiency (CVID), the most common clinically relevant primary immunodeficiency in individuals of European ancestry, but their functional effects in relation to the development of the disease have not been entirely established. To examine the potential contribution of such variants to CVID, the more comprehensive perspective of an evolutionary approach was applied in this study, underling the belief that evolutionary genetics methods can play a role in dissecting the origin, causes and diffusion of human diseases, representing a powerful tool also in human health research. For this purpose, TNFRSF13B coding region was sequenced in 451 healthy individuals belonging to 26 worldwide populations, in addition to 96 control, 77 CVID and 38 Selective IgA Deficiency (IgAD) individuals from Italy, leading to the first achievement of a global picture of TNFRSF13B nucleotide diversity and haplotype structure and making suggestion of its evolutionary history possible. A slow rate of evolution, within our species and when compared to the chimpanzee, low levels of genetic diversity geographical structure and the absence of recent population specific selective pressures were observed for the examined genomic region, suggesting that geographical distribution of its variability is more plausibly related to its involvement also in innate immunity rather than in adaptive immunity only. This, together with the extremely subtle disease/healthy samples differences observed, suggests that CVID might be more likely related to still unknown environmental and genetic factors, rather than to the nature of TNFRSF13B variants only.

Nell'incertezza scientifica e morale. Il dilemma delle cure intensive ai neonati estremamente prematuri

Definizione del problema: Nonostante il progresso della biotecnologia medica abbia consentito la sopravvivenza del feto, fuori dall’utero materno, ad età gestazionali sempre più basse, la prognosi a breve e a lungo termine di ogni nuovo nato resta spesso incerta e la medicina non è sempre in grado di rimediare completamente e definitivamente ai danni alla salute che spesso contribuisce a causare. Sottoporre tempestivamente i neonati estremamente prematuri alle cure intensive non ne garantisce la sopravvivenza; allo stesso modo, astenervisi non ne garantisce la morte o almeno la morte immediata; in entrambi i casi i danni alla salute (difetti della vista e dell’udito, cecità, sordità, paralisi degli arti, deficit motori, ritardo mentale, disturbi dell’apprendimento e del comportamento) possono essere gravi e permanenti ma non sono prevedibili con certezza per ogni singolo neonato. Il futuro ignoto di ogni nuovo nato, insieme allo sgretolamento di terreni morali condivisi, costringono ad affrontare laceranti dilemmi morali sull’inizio e sul rifiuto, sulla continuazione e sulla sospensione delle cure. Oggetto: Questo lavoro si propone di svolgere un’analisi critica di alcune strategie teoriche e pratiche con le quali, nell’ambito delle cure intensive ai neonati prematuri, la comunità scientifica, i bioeticisti e il diritto tentano di aggirare o di risolvere l’incertezza scientifica e morale. Tali strategie sono accomunate dalla ricerca di criteri morali oggettivi, o almeno intersoggettivi, che consentano ai decisori sostituti di pervenire ad un accordo e di salvaguardare il vero bene del paziente. I criteri esaminati vanno dai dati scientifici riguardanti la prognosi dei prematuri, a “fatti” di natura più strettamente morale come la sofferenza del paziente, il rispetto della libertà di coscienza del medico, l’interesse del neonato a sopravvivere e a vivere bene. Obiettivo: Scopo di questa analisi consiste nel verificare se effettivamente tali strategie riescano a risolvere l’incertezza morale o se invece lascino aperto il dilemma morale delle cure intensive neonatali. In quest’ultimo caso si cercherà di trovare una risposta alla domanda “chi deve decidere per il neonato?” Metodologia e strumenti: Vengono esaminati i più importanti documenti scientifici internazionali riguardanti le raccomandazioni mediche di cura e i pareri della comunità scientifica; gli studi scientifici riguardanti lo stato dell’arte delle conoscenze e degli strumenti terapeutici disponibili ad oggi; i pareri di importanti bioeticisti e gli approcci decisionali più frequentemente proposti ed adoperati; alcuni documenti giuridici internazionali riguardanti la regolamentazione della sperimentazione clinica; alcune pronunce giudiziarie significative riguardanti casi di intervento o astensione dall’intervento medico senza o contro il consenso dei genitori; alcune indagini sulle opinioni dei medici e sulla prassi medica internazionale; le teorie etiche più rilevanti riguardanti i criteri di scelta del legittimo decisore sostituto del neonato e la definizione dei suoi “migliori interessi” da un punto di vista filosofico-morale. Struttura: Nel primo capitolo si ricostruiscono le tappe più importanti della storia delle cure intensive neonatali, con particolare attenzione agli sviluppi dell’assistenza respiratoria negli ultimi decenni. In tal modo vengono messi in luce sia i cambiamenti morali e sociali prodotti dalla meccanizzazione e dalla medicalizzazione dell’assistenza neonatale, sia la continuità della medicina neonatale con il tradizionale paternalismo medico, con i suoi limiti teorici e pratici e con lo sconfinare della pratica terapeutica nella sperimentazione incontrollata. Nel secondo capitolo si sottopongono ad esame critico le prime tre strategie di soluzione dell’incertezza scientifica e morale. La prima consiste nel decidere la “sorte” di un singolo paziente in base ai dati statistici riguardanti la prognosi di tutti i nati in condizioni cliniche analoghe (“approccio statistico”); la seconda, in base alla risposta del singolo paziente alle terapie (“approccio prognostico individualizzato”); la terza, in base all’evoluzione delle condizioni cliniche individuali osservate durante un periodo di trattamento “aggressivo” abbastanza lungo da consentire la raccolta dei dati clinici utili a formulare una prognosi sicura(“approccio del trattamento fino alla certezza”). Viene dedicata una più ampia trattazione alla prima strategia perché l’uso degli studi scientifici per predire la prognosi di ogni nuovo nato accomuna i tre approcci e costituisce la strategia più diffusa ed emblematica di aggiramento dell’incertezza. Essa consiste nella costruzione di un’ “etica basata sull’evidenza”, in analogia alla “medicina basata sull’evidenza”, in quanto ambisce a fondare i doveri morali dei medici e dei genitori solo su fatti verificabili (le prove scientifiche di efficacia delle cure)apparentemente indiscutibili, avalutativi o autocertificativi della moralità delle scelte. Poiché la forza retorica di questa strategia poggia proprio su una (parziale) negazione dell’incertezza dei dati scientifici e sulla presunzione di irrilevanza della pluralità e della complessità dei valori morali nelle decisioni mediche, per metterne in luce i limiti si è scelto di dedicare la maggior parte del secondo capitolo alla discussione dei limiti di validità scientifica degli studi prognostici di cui i medici si avvalgono per predire la prognosi di ogni nuovo nato. Allo stesso scopo, in questo capitolo vengono messe in luce la falsa neutralità morale dei giudizi scientifici di “efficacia”, “prognosi buona”, “prognosi infausta” e di “tollerabilità del rischio” o dei “costi”. Nel terzo capitolo viene affrontata la questione della natura sperimentale delle cure intensive per i neonati prematuri al fine di suggerire un’ulteriore ragione dell’incertezza morale, dell’insostenibilità di obblighi medici di trattamento e della svalutazione dell’istituto del consenso libero e informato dei genitori del neonato. Viene poi documentata l’esistenza di due atteggiamenti opposti manifestati dalla comunità scientifica, dai bioeticisti e dal diritto: da una parte il silenzio sulla natura sperimentale delle terapie e dall’altra l’autocertificazione morale della sperimentazione incontrollata. In seguito si cerca di mostrare come entrambi, sebbene opposti, siano orientati ad occultare l’incertezza e la complessità delle cure ai neonati prematuri, per riaffermare, in tal modo, la precedenza dell’autorità decisionale del medico rispetto a quella dei genitori. Il quarto capitolo, cerca di rispondere alla domanda “chi deve decidere in condizioni di incertezza?”. Viene delineata, perciò, un’altra strategia di risoluzione dell’incertezza: la definizione del miglior interesse (best interest) del neonato, come oggetto, limite e scopo ultimo delle decisioni mediche, qualsiasi esse siano. Viene verificata l’ipotesi che il legittimo decisore ultimo sia colui che conosce meglio di ogni altro i migliori interessi del neonato. Perciò, in questo capitolo vengono esposte e criticate alcune teorie filosofiche sul concetto di “miglior interesse” applicato allo speciale status del neonato. Poiché quest’analisi, rivelando l’inconoscibilità del best interest del neonato, non consente di stabilire con sicurezza chi sia intitolato a prendere la decisione ultima, nell’ultimo capitolo vengono esaminate altre ragioni per le quali i genitori dovrebbero avere l’ultima parola nelle decisioni di fine o di proseguimento della vita. Dopo averle scartate, viene proposta una ragione alternativa che, sebbene non risolutiva, si ritiene abbia il merito di riconoscere e di non mortificare l’irriducibilità dell’incertezza e l’estrema complessità delle scelte morali, senza rischiare, però, la paralisi decisionale, il nichilismo morale e la risoluzione non pacifica dei conflitti.

An evolutionary approach to the design of experiments for combinatorial optimization with an application to enzyme engineering

In a large number of problems the high dimensionality of the search space, the vast number of variables and the economical constrains limit the ability of classical techniques to reach the optimum of a function, known or unknown. In this thesis we investigate the possibility to combine approaches from advanced statistics and optimization algorithms in such a way to better explore the combinatorial search space and to increase the performance of the approaches. To this purpose we propose two methods: (i) Model Based Ant Colony Design and (ii) Naïve Bayes Ant Colony Optimization. We test the performance of the two proposed solutions on a simulation study and we apply the novel techniques on an appplication in the field of Enzyme Engineering and Design.

Genetic characterization, population history and evolutionary medicine perspective in two native south american populations: Yanesha and Wichi

Two Amerindian populations from the Peruvian Amazon (Yanesha) and from rural lowlands of the Argentinean Gran Chaco (Wichi) were analyzed. They represent two case study of the South American genetic variability. The Yanesha represent a model of population isolated for long-time in the Amazon rainforest, characterized by environmental and altitudinal stratifications. The Wichi represent a model of population living in an area recently colonized by European populations (the Criollos are the population of the admixed descendents), whose aim is to depict the native ancestral gene pool and the degree of admixture, in relation to the very high prevalence of Chagas disease. The methods used for the genotyping are common, concerning the Y chromosome markers (male lineage) and the mitochondrial markers (maternal lineage). The determination of the phylogeographic diagnostic polymorphisms was carried out by the classical techniques of PCR, restriction enzymes, sequencing and specific mini-sequencing. New method for the detection of the protozoa Trypanosoma cruzi was developed by means of the nested PCR. The main results show patterns of genetic stratification in Yanesha forest communities, referable to different migrations at different times, estimated by Bayesian analyses. In particular Yanesha were considered as a population of transition between the Amazon basin and the Andean Cordillera, evaluating the potential migration routes and the separation of clusters of community in relation to different genetic bio-ancestry. As the Wichi, the gene pool analyzed appears clearly differentiated by the admixed sympatric Criollos, due to strict social practices (deeply analyzed with the support of cultural anthropological tools) that have preserved the native identity at a diachronic level. A pattern of distribution of the seropositivity in relation to the different phylogenetic lineages (the adaptation in evolutionary terms) does not appear, neither Amerindian nor European, but in relation to environmental and living conditions of the two distinct subpopulations.

Evolutionary genetics of lactase persistence in Eurasian human populations

Although ability to digest lactose generally declines after weaning in all mammals, in some human populations it persists also in adult individuals, a condition named lactase persistence (LP). Studies on the prevalence of the LP phenotype in worldwide human populations have shown that the frequency of this trait is highly variable in different ethnic groups, appearing to be positively correlated with the importance of milk in the diet. In particular, several single-nucleotide polymorphisms (SNPs) in the proximity of the LCT gene have been proved to be associated with LP. Nevertheless, few studies have till now analyzed genetic variation underlying LP in a wide set of Eurasian populations and, especially, in the Italian one. In the present study, we thus typed 40 SNPs surrounding the LCT gene in more than 1,000 samples from Italian and Arabic peninsulas to investigate patterns of LP-related genetic diversity in two regions which have played a pivotal role in the recent human evolutionary history according to their geographical position and historical/archaeological records. Our results underline a high and complex variability of the explored genomic region in both studied populations. In particular, a clear diversification of Northern Italian groups from the rest of the peninsula, was observed, with the formers being genetically more similar to Northern European populations than to Southern Italians. These observation are consistent with known decreasing pattern of LP from Northern to Southern Italy and suggest the possibility of an independent evolution of LP-associated genotypes in Northern Italy. A similar scenario was observed in the Arabian peninsula, with Dhofari Arabs from Southern Oman and Yemeni clustering together with respect to Arabs from Northern Oman and the subgroup of Omanis of Asian origin which appeared instead to be genetically closer to Europeans than to the rest of Arabic groups.

Evolutionary epigenetics of modern human populations

Epigenetic variability is a new mechanism for the study of human microevolution, because it creates both phenotypic diversity within an individual and within population. This mechanism constitutes an important reservoir for adaptation in response to new stimuli and recent studies have demonstrated that selective pressures shape not only the genetic code but also DNA methylation profiles. The aim of this thesis is the study of the role of DNA methylation changes in human adaptive processes, considering the Italian peninsula and macro-geographical areas. A whole-genome analysis of DNA methylation profile across the Italian penisula identified some genes whose methylation levels differ between individuals of different Italian districts (South, Centre and North of Italy). These genes are involved in nitrogen compound metabolism and genes involved in pathogens response. Considering individuals with different macro-geographical origins (individuals of Asians, European and African ancestry) more significant DMRs (differentially methylated regions) were identified and are located in genes involved in glucoronidation, in immune response as well as in cell comunication processes. A "profile" of each ancestry (African, Asian and European) was described. Moreover a deepen analysis of three candidate genes (KRTCAP3, MAD1L and BRSK2) in a cohort of individuals of different countries (Morocco, Nigeria, China and Philippines) living in Bologna, was performed in order to explore genetic and epigenetic diversity. Moreover this thesis have paved the way for the application of DNA methylation for the study of hystorical remains and in particular for the age-estimation of individuals starting from biological samples (such as teeth or blood). Noteworthy, a mathematical model that considered methylation values of DNA extracted from cementum and pulp of living individuals can estimate chronological age with high accuracy (median absolute difference between age estimated from DNA methylation and chronological age was 1.2 years).

Il dilemma femminista dell'uso politico della violenza in Italia negli anni Settanta e Ottanta: tra pensiero politico e caso storico

Degli anni Settanta si parla, ormai quasi canonicamente, come gli anni della crisi, una crisi che compare quasi simultaneamente fuori e dentro i confini nazionali, e si configura come vera e propria crisi di sistema. Considerando il turning point rappresentato dai Seventies, è diffusa l'interpretazione nel contesto italiano del paradigma politologico secondo il quale è nella mancanza e nelle assenze del sistema politico-istituzionale alle domande di modernizzazione democratica provenienti dalle soggettività che emergono in quella che è stata definita la “stagione dei movimenti” che andrebbero individuate le radici prima della scelta della violenza come strumento di lotta politica e poi del cosiddetto “riflusso”. Questo studio cerca di analizzare le dinamiche e gli sviluppi nella relazione tra movimento femminista e violenza politica in Italia tra anni settanta e anni ottanta. Per comprendere ed analizzare le dinamiche di tale sviluppo è stato necessario prima ricostruire la genealogia del concetto di violenza politica elaborato dalla filosofia politica nel XX secolo e poi confrontarlo con il concetto di violenza proposto dal pensiero femminista nello stesso arco temporale. Allo stesso tempo si è considerato il fenomeno della violenza politicamente motivata agita nel decennio settanta, analizzando le specificità del femminismo stesso, ma anche, la possibilità di individuare lo scarto – politico, ideologico e esistenziale – tra le definizioni date dalla pratica femminista alla categoria di violenza e le peculiarità degli altri movimenti che si muovevano nella scena politica e sociale tra anni settanta e anni ottanta