Effects of Paramuricea clavata (Risso, 1826) (Anthozoa: Plexauridae) forests on settlement of benthic species: an experimental approach

Rationale: Coralligenous habitat is considered the second most important subtidal “hot spot” of species diversity in the Mediterranean Sea after the Posidonia oceanica meadows. It can be defined as a typical Mediterranean biogenic hard bottom, mainly produced by the accumulation of calcareous encrusting algae that, together with other builder organisms, form a multidimensional framework with a high micro-spatial variability. The development of this habitat depends on physical factors (i.e. light, hydrodynamism, nutrients, etc.), but also biologic interactions can play a relevant role in structuring the benthic assemblages. This great environmental heterogeneity allows several different assemblages to coexist in a reduced space. One of the most beautiful is that characterised by the Mediterranean gorgonian Paramuricea clavata (Risso, 1826) that can contribute to above 40% of total biomass of the community and brings significant structural complexity into the coralligenous habitat. In sites moderately exposed to waves and currents, P. clavata can form high-density populations (up to 60 colonies m-2) between 20 – 70 m in depth. Being a suspension feeder, where it forms dense populations, P. clavata plays a significant role in transferring energy from planktonic to benthic system. The effects of the branched colonies of P. clavata could be comparable to those of the forests on land. They can affect the micro scale hydrodynamism and light, promoting or inhibiting the growth of other species. Unfortunately, gorgonians are threatened by several anthropogenic disturbance factors (i.e. fishing, pollution, tourism) and by climatic anomalies, linked to the global changes, that are responsible of thermal stress, development of mucilage and enhanced pathogens activity, leading to mass mortality events in last decades. Till now, the possible effects of gorgonian forest loss are largely unknown. Our goal was to analyse the ecological role of these sea fan forests on the coralligenous benthic assemblages. Experimental setup and main results: The influence of P. clavata in the settlement and recruitment of epibenthic organisms was analysed by a field experiment carried out in two randomly selected places: Tavolara island and Portofino promontory. The experiment consisted in recreate the presence and absence of the gorgonian forest on recruitment panels, arranged in four plots per type (forested and non-forested), interspersed each other, and deployed at the same depth. On every forested panel 3 gorgonian colonies about 20 cm height were grafted with the use of Eppendorf tubes and epoxy resin bicomponent simulating a density of 190 sea fans per m-2. This density corresponds to a mean biomass of 825 g DW m-2,3 which is of the same order of magnitude of the natural high-density populations. After about 4 months, the panels were collected and analysed in laboratory in order to estimate the percent cover of all the species that have colonized the substrata. The gorgonian forest effects were tested by multivariate and univariate permutational analyses of the variance (PERMANOVA). Recruited assemblages largely differed between the two study sites, probably due to different environmental conditions including water quality and turbidity. On overall, the presence of P. clavata reduced the settlement and recruitment of several algae: the shadow caused by the gorgonian might reduce light availability and therefore their growth. This effect might be greater in places where the waters are on average more clear, since at Portofino it is less visible and could be masked by the high turbidity of the water. The same pattern was registered for forams, more abundant outside gorgonian forest, probably linked with algal distribution, shadowing effect or alimentary competition. The last one hypothesis could be valid also for serpulids polychaetes that growth mainly on non-forested panels. An opposite trend, was showed by a species of bryozoan and by an hydroid that is facilitated by the presence of P. clavata, probably because it attenuates irradiance level and hydrodynamism. Species diversity was significantly reduced by the presence of P. clavata forests at both sites. This seems in contrast with what we expected, but the result may be influenced by the large algal component on non-forested panels. The analysis confirmed the presence of differences in the species diversity among plots and between sites respectively due to natural high variability of the coralligenous system and to different local environment conditions. The reduction of species diversity due to the presence of gorgonians appeared related to a worst evenness rather than to less species richness. With our experiment it is demonstrated that the presence of P. clavata forests can significantly alter local coralligenous assemblages patterns, promoting or inhibiting the recruitment of some species, modifying trophic relationships and adding heterogeneity and complexity to the habitat. Moreover, P. clavata could have a stabilising effect on the coralligenous assemblages.

Spatial and temporal variation in settlement, growth and condition of the rockfish species Sebastes caurinus and Sebastes carnatus in the Channel Islands region, Santa Barbara, CA

Survival during the early life stages of marine species, including nearshore temperate reef fishes, is typically very low, and small changes in mortality rates, due to physiological and environmental conditions, can have marked effects on survival of a cohort and, on a larger scale, on the success of a recruitment season. Moreover, trade offs between larval growth and accumulation of energetic resources prior to settlement are likely to influence growth and survival until this critical period and afterwards. Rockfish recruitment rates are notoriously variable between years and across geographic locations. Monitoring of rates of onshore delivery of pelagic juveniles (defined here as settlement) of two species of nearshore rockfishes, Sebastes caurinus and Sebastes carnatus, was done between 2003-2009 years using artificial collectors placed at San Miguel and Santa Cruz Island, off Southern California coast. I investigated spatiotemporal variation in settlement rate, lipid content, pelagic larval duration and larval growth of the newly settled fishes; I assessed relationships between birth date, larval growth, early life-history characteristics and lipid content at settlement, considering also interspecific differences; finally, I attempt to relate interannual patterns of settlement and of early life history traits to easily accessible, local and regional indices of ocean conditions including in situ ocean temperature and regional upwelling, sea surface temperature (SST) and Chlorophyll-a (Chl-a) concentration. Spatial variations appeared to be of low relevance, while significant interannual differences were detected in settlement rate, pelagic larval duration and larval growth. The amount of lipid content of the newly settled fishes was highly variable in space and time, but did not differ between the two species and did not show any relationships with early life history traits, indicating that no trade off involved these physiological processes or they were masked by high individual variability in different periods of larval life. Significant interspecific differences were found in the timing of parturition and settlement and in larval growth rates, with S. carnatus growing faster and breeding and settling later than S. caurinus. The two species exhibited also different patterns of correlations between larval growth rates and larval duration. S. carnatus larval duration was longer when the growth in the first two weeks post-hatch was faster, while S. caurinus had a shorter larval duration when grew fast in the middle and in the end of larval life, suggesting different larval strategies. Fishes with longer larval durations were longer in size at settlement and exhibited longer planktonic phase in periods of favourable environmental conditions. Ocean conditions had a low explanatory power for interannual variation in early life history traits, but a very high explanatory power for settlement fluctuations, with regional upwelling strength being the principal indicator. Nonetheless, interannual variability in larval duration and growth were related to great phenological changes in upwelling happened during the period of this study and that caused negative consequences at all trophic levels along the California coast. Despite the low explanatory power of the environmental variables used in this study on the variation of larval biological traits, environmental processes were differently related with early life history characteristics analyzed to species, indicating possible species-specific susceptibility to ocean conditions and local environmental adaptation, which should be further investigated. These results have implications for understanding the processes influencing larval and juvenile survival, and consequently recruitment variability, which may be dependent on biological characteristics and environmental conditions.

Genetic variability and structuring of deep Corallium rubrum (Linnaeus, 1758) populations

ABSTRACT Given the decline of shallow-water red coral populations resulting from over-exploitation and mass mortality events, deeper populations below 50 metres depth (mesophotic populations) are currently the most harvested; unfortunately, very little is known about their biology and ecology. The persistence of these populations is tightly linked to their adult density, reproductive success, larval dispersal and recruitment. Moreover, for their conservation, it is paramount understand processes such as connectivity within and among populations. Here, for the first time, genetic variability and structuring of Corallium rubrum populations collected in the Tyrrhenian Sea ranging from 58 to 118 metres were analyzed using ten microsatellite loci and two mitochondrial markers (mtMSH and MtC). The aims of the work were 1) to examine patterns of genetic diversity within each geographic area (Elba, Ischia and Praiano) and 2) to define population structuring at different spatial scales (from tens of metres to hundreds of kilometres). Based on microsatellite data set, significant deviations from Hardy-Weinberg equilibrium due to elevated heterozygote deficiencies were detected in all samples, probably related to the presence of null alleles and/or inbreeding, as was previously observed in shallow-water populations. Moreover, significant levels of genetic differentiation were observed at all spatial scale, suggesting a recent isolation of populations. Biological factors which act at small spatial scale and/or abiotic factors at larger scale (e.g. summer gyres or absence of suitable substrata for settlement) could determine this genetic isolation. Using mitochondrial markers, significant differences were found only at wider scale (between Tuscany and Campania regions). These results could be related to the different mutation rate of the molecular makers or to the occurrence of some historical links within regions. A significant isolation by distance pattern was then observed using both data sets, confirming the restricted larval dispersal capability of the species. Therefore, the hypothesis that deeper populations may act as a source of larvae helping recovery of threatened shallow-water populations is not proved. Conservation strategies have to take into account these results, and management plans of deep and currently harvested populations have to be defined at a regional or sub regional level, similarly to shallow-water populations. Nevertheless, further investigations should be needed to understand better the genetic structuring of this species in the mesophotic zone, e.g. extending studies to other Mediterranean deep-water populations.

Non-evolutive pattern recognition techniques: An application in medical image diagnostics

Lo studio dell’intelligenza artificiale si pone come obiettivo la risoluzione di una classe di problemi che richiedono processi cognitivi difficilmente codificabili in un algoritmo per essere risolti. Il riconoscimento visivo di forme e figure, l’interpretazione di suoni, i giochi a conoscenza incompleta, fanno capo alla capacità umana di interpretare input parziali come se fossero completi, e di agire di conseguenza. Nel primo capitolo della presente tesi sarà costruito un semplice formalismo matematico per descrivere l’atto di compiere scelte. Il processo di “apprendimento” verrà descritto in termini della massimizzazione di una funzione di prestazione su di uno spazio di parametri per un ansatz di una funzione da uno spazio vettoriale ad un insieme finito e discreto di scelte, tramite un set di addestramento che descrive degli esempi di scelte corrette da riprodurre. Saranno analizzate, alla luce di questo formalismo, alcune delle più diffuse tecniche di artificial intelligence, e saranno evidenziate alcune problematiche derivanti dall’uso di queste tecniche. Nel secondo capitolo lo stesso formalismo verrà applicato ad una ridefinizione meno intuitiva ma più funzionale di funzione di prestazione che permetterà, per un ansatz lineare, la formulazione esplicita di un set di equazioni nelle componenti del vettore nello spazio dei parametri che individua il massimo assoluto della funzione di prestazione. La soluzione di questo set di equazioni sarà trattata grazie al teorema delle contrazioni. Una naturale generalizzazione polinomiale verrà inoltre mostrata. Nel terzo capitolo verranno studiati più nel dettaglio alcuni esempi a cui quanto ricavato nel secondo capitolo può essere applicato. Verrà introdotto il concetto di grado intrinseco di un problema. Verranno inoltre discusse alcuni accorgimenti prestazionali, quali l’eliminazione degli zeri, la precomputazione analitica, il fingerprinting e il riordino delle componenti per lo sviluppo parziale di prodotti scalari ad alta dimensionalità. Verranno infine introdotti i problemi a scelta unica, ossia quella classe di problemi per cui è possibile disporre di un set di addestramento solo per una scelta. Nel quarto capitolo verrà discusso più in dettaglio un esempio di applicazione nel campo della diagnostica medica per immagini, in particolare verrà trattato il problema della computer aided detection per il rilevamento di microcalcificazioni nelle mammografie.

Segmentazione del pavimento di una scena basata sul riconoscimento del pattern

Nel contesto della tesi è stata sviluppata un'applicazione di Realtà Aumentata per tablet Android nell'ambito dell'interior design. Dopo aver acquisito un'istantanea con la fotocamera del dispositivo di un ambiente interno, è possibile selezionare attraverso un "tocco" sul display il rivestimento (pavimento o parete) di cui si vuole simulare il cambiamento di colore o texture. Una volta individuata ed evidenziata l'area di interesse, in tempo reale è possibile cambiare interattivamente l'aspetto del rivestimento precedentemente selezionato. La tesi si focalizza sulla ricerca di un metodo che consenta di avere una segmentazione accurata della superficie di interesse. L'algoritmo di segmentazione studiato, utilizzato nell'applicazione di Realtà Aumentata, è sviluppato nel contesto della collaborazione tra il Computer Vision Group (CVG), coordinato dal Prof. Alessandro Bevilacqua e Maticad S.r.l., un'azienda che opera nel settore dell'Information Technology, Distributed Applications, Internet e Computer Grafica, presso la quale ho effettuato un periodo di tirocinio. Maticad, oltre a software per pc desktop, sviluppa applicazioni per iOS e in questo contesto, durante il tirocinio, ho sviluppata un'applicazione demo per iOS 7 volta a studiare le prestazioni dei sensori (ottico, inerziali, magnetici), in vista di un futuro porting dell'applicazione su quel sistema operativo.

Pattern e tecnologie per lo sviluppo di applicazioni cloud: Orleans come caso di studio.

Uno dei temi più discussi ed interessanti nel mondo dell’informatica al giorno d’oggi è sicuramente il Cloud Computing. Nuove organizzazioni che offrono servizi di questo tipo stanno nascendo ovunque e molte aziende oggi desiderano imparare ad utilizzarli, migrando i loro centri di dati e le loro applicazioni nel Cloud. Ciò sta avvenendo anche grazie alla spinta sempre più forte che stanno imprimendo le grandi compagnie nella comunità informatica: Google, Amazon, Microsoft, Apple e tante altre ancora parlano sempre più frequentemente di Cloud Computing e si stanno a loro volta ristrutturando profondamente per poter offrire servizi Cloud adeguandosi così a questo grande cambiamento che sta avvenendo nel settore dell’informatica. Tuttavia il grande movimento di energie, capitali, investimenti ed interesse che l’avvento del Cloud Computing sta causando non aiuta a comprendere in realtà che cosa esso sia, al punto tale che oggi non ne esiste ancora una definizione univoca e condivisa. La grande pressione inoltre che esso subisce da parte del mondo del mercato fa sì che molte delle sue più peculiari caratteristiche, dal punto di vista dell’ingegneria del software, vengano nascoste e soverchiate da altre sue proprietà, architetturalmente meno importanti, ma con un più grande impatto sul pubblico di potenziali clienti. Lo scopo che mi propongo con questa tesi è quello quindi di cercare di fare chiarezza in quello che è il mondo del Cloud computing, focalizzandomi particolarmente su quelli che sono i design pattern più utilizzati nello sviluppo di applicazioni di tipo cloud e presentando quelle che oggi rappresentano le principali tecnologie che vengono utilizzate sia in ambito professionale, che in ambito di ricerca, per realizzare le applicazioni cloud, concentrandomi in maniera particolare su Microsoft Orleans.

Realizzazione di un sistema di analisi dei dati elettroanatomici per l'analisi dei pattern di attivazione elettrica in pazienti affetti da fibrillazione atriale.

La fibrillazione atriale è l'aritmia maggiormente riscontrata nella pratica clinica. Nonostante l'ablazione transcatetere presenti risultati migliori rispetto alla terapia farmacologica, non è ancora chiaro se sia utile l'aggiunta di ulteriori lesioni in atrio, oltre a quelle delle vene polmonari, in maniera tale da aumentare la percentuale di successo della procedura. Infatti, poiché i meccanismi che portano all'insorgere dell'aritmia e in particolare che la sostengono ancora oggi non sono ben chiari, si sono sviluppate diverse teorie, tra cui quella dei Rotori, che consistono in pattern di stabile rotazione e diffusione intorno al loro punto di origine (pivot) e che si pensa possano essere i responsabili del sostentamento della fibrillazione atriale. Questo elaborato ha l'obiettivo di realizzare un sistema di analisi dei dati elettroanatomici con lo scopo di studiare l'attività elettrica dell'atrio, rivolgendo particolare attenzione all'individuazione di rotori.

Pattern anticipi e ritardi del trasporto pubblico: un'applicazione di data visualization su dataset reali

La tesi descrive il sistema denominato GARTP che visualizza l'analisi dell'anticipo e del ritardo nel trasporto pubblico, su una mappa cartografica.

Esperimenti di design pattern di ispirazione biologica

L'informatica, assieme alle sue innovazioni tecnologiche, offre al mondo d'oggi uno scenario in continuo sviluppo evolutivo che permette di facilitare alcune necessità dell'essere umano. Con la nascita di internet e dei nuovi dispositivi cellulari, la comunicazione è stata resa più malleabile e immediata. Tuttavia, le nuove tecnologie utilizzano infrastrutture complesse che non sempre sono ampiamente sfruttate a causa delle loro esigenze quali scalabilità, risposte in tempo reale, o tolleranza. Per far fronte a queste caratteristiche, una nuova tendenza del software è quella di fornire autonomia e pro-attività alle entità nel sistema in modo da incrementare la loro interazione. Queste caratteristiche permettono di responsabilizzare i soggetti rendendo il sistema auto-organizzato, con una migliore scalabilità,robustezza, e quindi riducendo le esigenze di calcolo di ciascuna entità. Lo studio dei sistemi auto-organizzanti è stato ispirato alla natura, e in particolare, ai sistemi biologici. Questi sistemi mostrano le caratteristiche interessanti per gli scenari pervasivi, poichè sono robusti e resistenti, in grado di adattarsi al contesto ambientale e quindi reagiscono a determinate modifiche che si verificano nell'ambiente comportandosi di conseguenza. L'ingegneria dell'auto-organizzazione ha il compito di simulare e testare questi comportamenti presentando uno schema progettuale completo che permetta di presentare soluzioni ricorrenti a problemi noti. Tale schema è definito in termini informatici design pattern. Le entità, definite agenti, per interagire e comunicare tra di loro hanno bisogno di coordinarsi tramite un modello specifico. Nel nostro caso è stato scelto TuCSoN, poichè riesce a separare uno spazio dedicato allo scambio di informazioni da uno spazio dedicato alle specifiche che permette di descrivere delle politiche di comportamento per sistemi MAS implementati nell'opportuno linguaggio di programmazione ReSpecT.