Computational models for and from biology : simple gene assembly and reaction systems

The advancement of science and technology makes it clear that no single perspective is any longer sufficient to describe the true nature of any phenomenon. That is why the interdisciplinary research is gaining more attention overtime. An excellent example of this type of research is natural computing which stands on the borderline between biology and computer science. The contribution of research done in natural computing is twofold: on one hand, it sheds light into how nature works and how it processes information and, on the other hand, it provides some guidelines on how to design bio-inspired technologies. The first direction in this thesis focuses on a nature-inspired process called gene assembly in ciliates. The second one studies reaction systems, as a modeling framework with its rationale built upon the biochemical interactions happening within a cell. The process of gene assembly in ciliates has attracted a lot of attention as a research topic in the past 15 years. Two main modelling frameworks have been initially proposed in the end of 1990s to capture ciliates’ gene assembly process, namely the intermolecular model and the intramolecular model. They were followed by other model proposals such as templatebased assembly and DNA rearrangement pathways recombination models. In this thesis we are interested in a variation of the intramolecular model called simple gene assembly model, which focuses on the simplest possible folds in the assembly process. We propose a new framework called directed overlap-inclusion (DOI) graphs to overcome the limitations that previously introduced models faced in capturing all the combinatorial details of the simple gene assembly process. We investigate a number of combinatorial properties of these graphs, including a necessary property in terms of forbidden induced subgraphs. We also introduce DOI graph-based rewriting rules that capture all the operations of the simple gene assembly model and prove that they are equivalent to the string-based formalization of the model. Reaction systems (RS) is another nature-inspired modeling framework that is studied in this thesis. Reaction systems’ rationale is based upon two main regulation mechanisms, facilitation and inhibition, which control the interactions between biochemical reactions. Reaction systems is a complementary modeling framework to traditional quantitative frameworks, focusing on explicit cause-effect relationships between reactions. The explicit formulation of facilitation and inhibition mechanisms behind reactions, as well as the focus on interactions between reactions (rather than dynamics of concentrations) makes their applicability potentially wide and useful beyond biological case studies. In this thesis, we construct a reaction system model corresponding to the heat shock response mechanism based on a novel concept of dominance graph that captures the competition on resources in the ODE model. We also introduce for RS various concepts inspired by biology, e.g., mass conservation, steady state, periodicity, etc., to do model checking of the reaction systems based models. We prove that the complexity of the decision problems related to these properties varies from P to NP- and coNP-complete to PSPACE-complete. We further focus on the mass conservation relation in an RS and introduce the conservation dependency graph to capture the relation between the species and also propose an algorithm to list the conserved sets of a given reaction system.

Studies on Energy Requirement and Conservation in Selected Fish Harvesting Systems

Present work deals with the studies on energy requirement and convervation in selected fish harvesting systems.Modem fishing is one of the most energy intensive methods of food production. Fossil fuels used for motorised and mechanised fishing are nonrenewable and limited. Most of the environmental problems that confront mankind today are connected to the use of energy in one way or another. Code of Conduct for Responsible Fisheries (FAO, 1995) highlights the need for efficient use of energy in the fisheries sector. Information on energy requirement in different fish harvesting systems, based on the principles of energy analysis, is entirely lacking in respect of Indian fisheries. Such an analysis will provide an unbiased decision making support for maximising the yield per unit of non-renewable energy use, from different fishery resource systems, by rational deployment of harvesting systems. In the present study, results of investigations conducted during 1997-2000 on energy requirement in selected fish harvesting systems and approaches to energy conservation in fishing, are presented along with a detailed description of the fish harvesting systems and their operation. The content of the thesis is organised into 8 Chapters.

Soil organic carbon management for sustainable land use in Sudano-Sahelian West Africa

Judged by their negative nutrient balances, low soil cover and low productivity, the predominant agro-pastoral farming systems in the Sudano-Sahelian zone of West Africa are highly unsustainable for crop production intensification. With kaolinite as the main clay type, the cation exchange capacity of the soils in this region, often less than 1 cmol_c kg^-1 soil, depends heavily on the organic carbon (Corg) content. However, due to low carbon sequestration and to the microbe, termite and temperature-induced rapid turnover rates of organic material in the present land-use systems, Corg contents of the topsoil are very low, ranging between 1 and 8 g kg^-1 in most soils. For sustainable food production, the availability of phosphorus (P) and nitrogen (N) has to be increased considerably in combination with an improvement in soil physical properties. Therefore, the adoption of innovative management options that help to stop or even reverse the decline in Corg typically observed after cultivating bush or rangeland is of utmost importance. To maintain food production for a rapidly growing population, targeted applications of mineral fertilisers and the effective recycling of organic amendments as crop residues and manure are essential. Any increase in soil cover has large effects in reducing topsoil erosion by wind and water and favours the accumulation of wind-blown dust high in bases which in turn improves P availability. In the future decision support systems, based on GIS, modelling and simulation should be used to combine (i) available fertiliser response data from on-station and on-farm research, (ii) results on soil productivity restoration with the application of mineral and organic amendments and (iii) our present understanding of the cause-effect relationships governing the prevailing soil degradation processes. This will help to predict the effectiveness of regionally differentiated soil fertility management approaches to maintain or even increase soil Corg levels.

Echtzeitsimulation großer Grafikmodelle

Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Zeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet Technische Informatik an der Universität Kassel. Im Rahmen dieser Arbeit werden der Entwurf und die Implementierung eines Cluster-basierten verteilten Szenengraphen gezeigt. Bei der Implementierung des verteilten Szenengraphen wurde von der Entwicklung eines eigenen Szenengraphen abgesehen. Stattdessen wurde ein bereits vorhandener Szenengraph namens OpenSceneGraph als Basis für die Entwicklung des verteilten Szenengraphen verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Clusterunterstützung in den vorliegenden OpenSceneGraph integriert. Bei der Erweiterung des OpenSceneGraphs wurde besonders darauf geachtet den vorliegenden Szenengraphen möglichst nicht zu verändern. Zusätzlich wurde nach Möglichkeit auf die Verwendung und Integration externer Clusterbasierten Softwarepakete verzichtet. Für die Verteilung des OpenSceneGraphs wurde auf Basis von Sockets eine eigene Kommunikationsschicht entwickelt und in den OpenSceneGraph integriert. Diese Kommunikationsschicht wurde verwendet um Sort-First- und Sort-Last-basierte Visualisierung dem OpenSceneGraph zur Verfügung zu stellen. Durch die Erweiterung des OpenScenGraphs um die Cluster-Unterstützung wurde eine Ansteuerung beliebiger Projektionssysteme wie z.B. einer CAVE ermöglicht. Für die Ansteuerung einer CAVE wurden mittels VRPN diverse Eingabegeräte sowie das Tracking in den OpenSceneGraph integriert. Durch die Anbindung der Geräte über VRPN können diese Eingabegeräte auch bei den anderen Cluster-Betriebsarten wie z.B. einer segmentierten Anzeige verwendet werden. Die Verteilung der Daten auf den Cluster wurde von dem Kern des OpenSceneGraphs separat gehalten. Damit kann eine beliebige OpenSceneGraph-basierte Anwendung jederzeit und ohne aufwendige Modifikationen auf einem Cluster ausgeführt werden. Dadurch ist der Anwender in seiner Applikationsentwicklung nicht behindert worden und muss nicht zwischen Cluster-basierten und Standalone-Anwendungen unterscheiden.

Transport magnetischer Partikel durch maßgeschneiderte magnetische Feldlandschaften zur Anwendung in mikrofluidischen Mischprozessen

Die Miniaturisierung von konventioneller Labor- und Analysetechnik nimmt eine zentrale Rolle im Bereich der allgemeinen Lebenswissenschaften und medizinischen Diagnostik ein. Neuartige und preiswerte Technologieplattformen wie Lab-on-a-Chip (LOC) oder Mikrototalanalysesysteme (µTAS) versprechen insbesondere im Bereich der Individualmedizin einen hohen gesellschaftlichen Nutzen zur frühzeitigen und nichtinvasiven Diagnose krankheitsspezifischer Indikatoren. Durch den patientennahen Einsatz preiswerter und verlässlicher Mikrochips auf Basis hoher Qualitätsstandards entfallen kostspielige und zeitintensive Zentrallaboranalysen, was gleichzeitig Chancen für den globalen Einsatz - speziell in Schwellen- und Entwicklungsländern - bietet. Die technischen Herausforderungen bei der Realisierung moderner LOC-Systeme sind in der kontrollierten und verlässlichen Handhabung kleinster Flüssigkeitsmengen sowie deren diagnostischem Nachweis begründet. In diesem Kontext wird der erfolgreichen Integration eines fernsteuerbaren Transports von biokompatiblen, magnetischen Mikro- und Nanopartikeln eine Schlüsselrolle zugesprochen. Die Ursache hierfür liegt in der vielfältigen Einsetzbarkeit, die durch die einzigartigen Materialeigenschaften begründet sind. Diese reichen von der beschleunigten, aktiven Durchmischung mikrofluidischer Substanzvolumina über die Steigerung der molekularen Interaktionsrate in Biosensoren bis hin zur Isolation und Aufreinigung von krankheitsspezifischen Indikatoren. In der Literatur beschriebene Ansätze basieren auf der dynamischen Transformation eines makroskopischen, zeitabhängigen externen Magnetfelds in eine mikroskopisch veränderliche potentielle Energielandschaft oberhalb magnetisch strukturierter Substrate, woraus eine gerichtete und fernsteuerbare Partikelbewegung resultiert. Zentrale Kriterien, wie die theoretische Modellierung und experimentelle Charakterisierung der magnetischen Feldlandschaft in räumlicher Nähe zur Oberfläche der strukturierten Substrate sowie die theoretische Beschreibung der Durchmischungseffekte, wurden jedoch bislang nicht näher beleuchtet, obwohl diese essentiell für ein detailliertes Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen und folglich für einen Markteintritt zukünftiger Geräte sind. Im Rahmen der vorgestellten Arbeit wurde daher ein neuartiger Ansatz zur erfolgreichen Integration eines Konzepts zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel zur Anwendung in modernen LOC-Systemen unter Verwendung von magnetisch strukturierten Exchange-Bias (EB) Dünnschichtsystemen verfolgt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Verfahren der ionenbe-schussinduzierten magnetischen Strukturierung (IBMP) von EB-Systemen zur Herstellung von maßgeschneiderten magnetischen Feldlandschaften (MFL) oberhalb der Substratoberfläche, deren Stärke und räumlicher Verlauf auf Nano- und Mikrometerlängenskalen gezielt über die Veränderung der Materialparameter des EB-Systems via IBMP eingestellt werden kann, eignet. Im Zuge dessen wurden erstmals moderne, experimentelle Verfahrenstechniken (Raster-Hall-Sonden-Mikroskopie und rastermagnetoresistive Mikroskopie) in Kombination mit einem eigens entwickelten theoretischen Modell eingesetzt, um eine Abbildung der MFL in unterschiedlichen Abstandsbereichen zur Substratoberfläche zu realisieren. Basierend auf der quantitativen Kenntnis der MFL wurde ein neuartiges Konzept zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel entwickelt, bei dem Partikelgeschwindigkeiten im Bereich von 100 µm/s unter Verwendung von externen Magnetfeldstärken im Bereich weniger Millitesla erzielt werden können, ohne den magnetischen Zustand des Substrats zu modifizieren. Wie aus den Untersuchungen hervorgeht, können zudem die Stärke des externen Magnetfelds, die Stärke und der Gradient der MFL, das magnetfeldinduzierte magnetische Moment der Partikel sowie die Größe und der künstlich veränderliche Abstand der Partikel zur Substratoberfläche als zentrale Einflussgrößen zur quantitativen Modifikation der Partikelgeschwindigkeit genutzt werden. Abschließend wurde erfolgreich ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, das die quantitative Studie der aktiven Durchmischung auf Basis des vorgestellten Partikeltransportkonzepts von theoretischer Seite ermöglicht, um so gezielt die geometrischen Gegebenheiten der mikrofluidischen Kanalstrukturen auf einem LOC-System für spezifische Anwendungen anzupassen.

Towards Grid-Wide Modeling and Simulation

Modeling and simulation permeate all areas of business, science and engineering. With the increase in the scale and complexity of simulations, large amounts of computational resources are required, and collaborative model development is needed, as multiple parties could be involved in the development process. The Grid provides a platform for coordinated resource sharing and application development and execution. In this paper, we survey existing technologies in modeling and simulation, and we focus on interoperability and composability of simulation components for both simulation development and execution. We also present our recent work on an HLA-based simulation framework on the Grid, and discuss the issues to achieve composability.

Predictive motion control of a mirosot mobile robot

This paper discusses predictive motion control of a MiRoSoT robot. The dynamic model of the robot is deduced by taking into account the whole process - robot, vision, control and transmission systems. Based on the obtained dynamic model, an integrated predictive control algorithm is proposed to position precisely with either stationary or moving obstacle avoidance. This objective is achieved automatically by introducing distant constraints into the open-loop optimization of control inputs. Simulation results demonstrate the feasibility of such control strategy for the deduced dynamic model

Monologue or Intercultural Dialogue Between Medical Systems? An Educational Challenge for Medical Sciences

Each medical cultural system constructs knowledge about health through specialization or interculturalism. The knowledge constructed through interculturalism has sought, mainly, to adapt the delivery of health care services to the users’ cultural referents. This emphasis has overlooked the opportunities embedded in the establishment of intercultural relationships between medical systems based on dialogue, especially in regard to the adjustment of the disciplinary boundaries of medical cultural systems that would allow the construction of new knowledge on health. This absence of dialogue has been determined by epistemological barriers inherent to every system as well as by social domination. This article presents some concepts related to cognition processes which encourage the reflection on the possibilities to overcome such barriers so that the health sciences may contribute to the effective implementation of the World Health Organization and the State’s recommendations on the matter.

Estado situacional de los modelos basados en agentes y su impacto en la investigación organizacional

En un mundo hiperconectado, dinámico y cargado de incertidumbre como el actual, los métodos y modelos analíticos convencionales están mostrando sus limitaciones. Las organizaciones requieren, por tanto, herramientas útiles que empleen tecnología de información y modelos de simulación computacional como mecanismos para la toma de decisiones y la resolución de problemas. Una de las más recientes, potentes y prometedoras es el modelamiento y la simulación basados en agentes (MSBA). Muchas organizaciones, incluidas empresas consultoras, emplean esta técnica para comprender fenómenos, hacer evaluación de estrategias y resolver problemas de diversa índole. Pese a ello, no existe (hasta donde conocemos) un estado situacional acerca del MSBA y su aplicación a la investigación organizacional. Cabe anotar, además, que por su novedad no es un tema suficientemente difundido y trabajado en Latinoamérica. En consecuencia, este proyecto pretende elaborar un estado situacional sobre el MSBA y su impacto sobre la investigación organizacional.

Supervisory systems in waste water treatment plants: sistematise their implementation

La implantació de Sistemes de Suport a la presa de Decisions (SSD) en Estacions Depuradores d'Aigües Residuals Urbanes (EDAR) facilita l'aplicació de tècniques més eficients basades en el coneixement per a la gestió del procés, assegurant la qualitat de l'aigua de sortida tot minimitzant el cost ambiental de la seva explotació. Els sistemes basats en el coneixement es caracteritzen per la seva capacitat de treballar amb dominis molt poc estructurats, i gran part de la informació rellevant de tipus qualitatiu i/o incerta. Precisament aquests són els trets característics que es poden trobar en els sistemes biològics de depuració, i en conseqüència en una EDAR. No obstant, l'elevada complexitat dels SSD fa molt costós el seu disseny, desenvolupament i aplicació en planta real, pel que resulta determinant la generació d'un protocol que faciliti la seva exportació a EDARs de tecnologia similar. L'objectiu del present treball de Tesi és precisament el desenvolupament d'un protocol que faciliti l'exportació sistemàtica de SSD i l'aprofitament del coneixement del procés prèviament adquirit. El treball es desenvolupa en base al cas d'estudi resultant de l'exportació a l'EDAR Montornès del prototipus original de SSD implementat a l'EDAR Granollers. Aquest SSD integra dos tipus de sistemes basats en el coneixement, concretament els sistemes basats en regles (els quals són programes informàtics que emulen el raonament humà i la seva capacitat de solucionar problemes utilitzant les mateixes fonts d'informació) i els sistemes de raonament basats en casos (els quals són programes informàtics basats en el coneixement que volen solucionar les situacions anormals que pateix la planta en el moment actual mitjançant el record de l'acció efectuada en una situació passada similar). El treball està estructurat en diferents capítols, en el primer dels quals, el lector s'introdueix en el món dels sistemes de suport a la decisió i en el domini de la depuració d'aigües. Seguidament es fixen els objectius i es descriuen els materials i mètodes utilitzats. A continuació es presenta el prototipus de SSD desenvolupat per la EDAR Granollers. Una vegada el prototipus ha estat presentat es descriu el primer protocol plantejat pel mateix autor de la Tesi en el seu Treball de Recerca. A continuació es presenten els resultats obtinguts en l'aplicació pràctica del protocol per generar un nou SSD, per una planta depuradora diferent, partint del prototipus. L'aplicació pràctica del protocol permet l'evolució del mateix cap a un millor pla d'exportació. Finalment, es pot concloure que el nou protocol redueix el temps necessari per realitzar el procés d'exportació, tot i que el nombre de passos necessaris ha augmentat, la qual cosa significa que el nou protocol és més sistemàtic.

Singular vector ensemble forecasting systems and the prediction of flow dependent uncertainty

The ECMWF ensemble weather forecasts are generated by perturbing the initial conditions of the forecast using a subset of the singular vectors of the linearised propagator. Previous results show that when creating probabilistic forecasts from this ensemble better forecasts are obtained if the mean of the spread and the variability of the spread are calibrated separately. We show results from a simple linear model that suggest that this may be a generic property for all singular vector based ensemble forecasting systems based on only a subset of the full set of singular vectors.

Evaluation of the model representation of the evolution of convective systems using satellite observations of outgoing longwave radiation

We introduce a technique for assessing the diurnal development of convective storm systems based on outgoing longwave radiation fields. Using the size distribution of the storms measured from a series of images, we generate an array in the lengthscale-time domain based on the standard score statistic. It demonstrates succinctly the size evolution of storms as well as the dissipation kinematics. It also provides evidence related to the temperature evolution of the cloud tops. We apply this approach to a test case comparing observations made by the Geostationary Earth Radiation Budget instrument to output from the Met Office Unified Model run at two resolutions. The 12km resolution model produces peak convective activity on all lengthscales significantly earlier in the day than shown by the observations and no evidence for storms growing in size. The 4km resolution model shows realistic timing and growth evolution although the dissipation mechanism still differs from the observed data.

Determination of digesta flow entering the omasal canal of dairy cows using different marker systems

Four studies were conducted to compare the effect of four indigestible markers (LiCoEDTA, Yb-acetate, Cr-mordanted straw and indigestible neutral-detergent fibre (INDF)) and three marker systems on the flow of digesta entering the omasal canal of lactating dairy cows. Samples of digesta aspirated from the omasal canal were pooled and separated using filtration and high-speed centrifugation into three fractions defined as the liquid phase, small particulate and large particulate matter. Co was primarily associated with the liquid phase, Yb was concentrated in small particulate matter, whilst Cr and INDF were associated with large particles. Digesta flow was calculated based on single markers or using the reconstitution system based on combinations of two (Co + Yb, Co + Cr and Co + INDF) or three markers (Co + Yb + Cr and Co + Yb + INDF). Use of single markers resulted in large differences between estimates of organic matter (OM) flow entering the omasal canal suggesting that samples were not representative of true digesta. Digesta appeared to consist of at least three phases that tended to separate during sampling. OM was concentrated in particulate matter, whilst the liquid phase consisted mainly of volatile fatty acids and inorganic matter. Yb was intimately associated with nitrogenous compounds, whereas Cr and INDF were concentrated in fibrous material. Current data indicated that marker systems based on Yb in combination with Cr or INDF are required for the accurate determination of OM, N and neutral-detergent fibre flow. In cases where the flow of water-soluble nutrients entering the omasal canal is also required, the marker system should also include Co.

Cumulant-based deconvolution and identification: several new families of linear equations

This paper presents several new families of cumulant-based linear equations with respect to the inverse filter coefficients for deconvolution (equalisation) and identification of nonminimum phase systems. Based on noncausal autoregressive (AR) modeling of the output signals and three theorems, these equations are derived for the cases of 2nd-, 3rd and 4th-order cumulants, respectively, and can be expressed as identical or similar forms. The algorithms constructed from these equations are simpler in form, but can offer more accurate results than the existing methods. Since the inverse filter coefficients are simply the solution of a set of linear equations, their uniqueness can normally be guaranteed. Simulations are presented for the cases of skewed series, unskewed continuous series and unskewed discrete series. The results of these simulations confirm the feasibility and efficiency of the algorithms.