Exercise sheet 1 pdf

Exercises and solutions in PDF

Exercise sheet 4

Exercises and solutions in LaTex

Ataxias heredodegenerativas

Descripción de las ataxias heredodegenerativas con énfasis en la semiología general de este tipo de enfermedades y la fisiopatología de los grandes grupos de ataxias.

Fenotipo y genotipo de once pacientes con Ataxia de Friedreich

Introducción: La ataxia de Friedreich (FRDA) es una enfermedad autosómica recesiva debida a una mutación en el gen X25. Dicho gen está localizado en el cromosoma 9 y codifica para la proteína frataxina. La enfermedad es causada por la repetición del trinucleótido GAA. En individuos normales la secuencia GAA se encuentra repetida entre siete y veintidós veces, mientras que, en pacientes con ataxia de Friedreich GAA puede estar repetida cientos o miles de veces.Objetivos: Evaluar si existe correlación entre el tamaño de la expansión, la edad de inicio de FRDA y su severidad en la muestra seleccionada.Métodos:- Se estudiaron once pacientes con fenotipo típico de ataxia de Friedreich. El análisis molecular por PCR determinó la expansión del trinucleótido GAA. Se analizó la correlación entre la edad de inicio de FRDA y su progresión con el número de repeticiones GAA.Resultados y conclusiones:- El análisis molecular por PCR mostró ocho pacientes homocigotos para la expansión, y tres negativos. El promedio del tamaño de las expansiones en los alelos es 622±5 con un promedio correspondiente de la edad inicio de FRDA 13±8. Para el tamaño de la muestra no se observó una correlación estadística significativa entre la edad de inicio de la enfermedad y el número de repeticiones, pero sí una tendencia a correlacionarse de forma inversa (p<0.11). El diagnóstico molecular de FRDA, sumado a la comprensión de su fisiología y a la utilización de los criterios de inclusión de Harding, constituye un paso importante en el logro de un tratamiento óptimo de la enfermedad.

Diversitat genètica de la truita comuna (Salmo trutta L.) a la Península Ibèrica: biogeografia i gestió

L'estudi de la diversitat i la diferenciació genètiques de les poblacions de truita comuna (Salmo trutta L.) a la Península Ibèrica ha confirmat l'elevada diferenciació observada en treballs previs i la divergència, ja descrita, entre les poblacions de la vessant atlàntica i la mediterrània. El resultats obtinguts, però, ens permeten observar patrons d'estructura poblacional tant en les poblacions atlàntiques com les mediterrànies. A l'Atlàntic s'observa un marcat patró hidrogràfic en la distribució de la diferenciació genètica, que contrasta fortament amb la distribució d'aquesta diferenciació en les poblacions mediterrànies, caracteritzades pels contactes secundaris entre llinatges durant les expansions pleniglacials i una forta divergència local conseqüència de la seva marginalitat i aïllament en els períodes interglacials. El manteniment d'aquesta diferenciació i individualitat descrites en les poblacions de truita de la Península, es veu seriosament compromès per les contínues repoblacions dels rius amb exemplars exògens d'origen nord europeu. La substitució dels genomes autòctons per la introducció de gens al.lòctons provoca una erosió dels patrimonis genètics natius i una homogeneïtzació de les poblacions, destruint els patrons de diferenciació existents. Al mateix temps, els nostres resultats indiquen que les conseqüències de les repoblacions no són sempre les mateixes. Concretament, es constata un fracàs de les repoblacions en rius intensament repoblats i sotmesos a pesca intensiva, que contrasta amb una enorme erosió de les poblacions quan les repoblacions s'efectuen sobre àrees protegides i sense cap mena de pressió pesquera. Això suggereix que múltiples factors com la gestió dels rius posterior a les repoblacions, l'estat de les poblacions o les condicions de l'hàbitat són determinants de la introducció efectiva dels exemplars alliberats; fet que dificulta la predicció sobre actuacions particulars. Malgrat aquesta introgressió de gens exògens que es detecta en moltes de les poblacions analitzades, els gens natius predominen en gairebé tots els rius de la Península. La conservació d'aquesta elevada riquesa genètica que encara resta en les poblacions de truita de la Península Ibèrica ha de ser l'objectiu final de qualsevol programa de gestió. Per això, defensem una gestió basada en el propi riu mitjançant una pesca sostinguda per la reproducció natural de les poblacions salvatges, acompanyada d'una millora i recuperació d'hàbitats adequats per la truita, i evitant, per sobre de tot, la introducció en els rius d'exemplars exògens, degut als efectes nocius i incontrolables que comporta aquest procés.

Reintroduction of the Eurasian otter (Lutra lutra) in Muga and Fluvià basins (north-eastern Spain): viability, development, monitoring and trends of the new population

Aquesta tesi es basa en el programa de reintroducció de la llúdriga eurasiàtica (Lutra lutra) a les conques dels rius Muga i Fluvià (Catalunya) durant la segona meitat dels 1990s. Els objectius de la tesi foren demostrar la viabilitat de la reintroducció, demostrar l'èxit de la mateixa, estudiar aspectes ecològics i etològics de l'espècie, aprofitant l'oportunitat única de gaudir d'una població "de disseny" i determinar les probabilitats de supervivència de la població a llarg termini. La reintroducció de la llúdriga a les conques dels rius Muga i Fluvià va reeixir, doncs l'àrea geogràfica ocupada efectivament es va incrementar fins a un 64% d'estacions positives a l'hivern 2001-02. La troballa de tres exemplars adults nascuts a l'àrea de reintroducció és una altra prova que valida l'èxit del programa. La densitat d'exemplars calculada a través dels censos visuals ha resultat baixa (0.04-0.11 llúdrigues/km), però s'aproxima al que hom pot esperar en els primers estadis d'una població reintroduïda, encara poc nombrosa però distribuïda en una gran àrea. La mortalitat post-alliberament va ser del 22% un any després de l'alliberament, similar o inferior a la d'altres programes de reintroducció de llúdrigues reeixits. La mortalitat va ser deguda principalment a atropellaments (56%). El patró d'activitat de les llúdrigues reintroduïdes va esdevenir principalment nocturn i crepuscular, amb una escassa activitat diürna. Les seves àrees vitals van ser del mateix ordre (34,2 km) que les calculades en d'altres estudis realitzats a Europa. La longitud mitjana de riu recorreguda per una llúdriga durant 24 hores va ser de 4,2 km per les femelles i 7,6 km pels mascles. Durant el període de radioseguiment dues femelles van criar i els seus moviments van poder ser estudiats amb deteniment. La resposta de la nova població de llúdrigues a les fluctuacions estacionals en la disponibilitat d'aigua, habitual a les regions mediterrànies, va consistir en la concentració en una àrea menor durant el període de sequera estival, a causa de l'increment de trams secs, inhabitables per la llúdriga per la manca d'aliment, fet que va provocar expansions i contraccions periòdiques en l'àrea de distribució. La persistència a llarg termini de la població reintroduïda va ser estudiada mitjançant una Anàlisi de Viabilitat Poblacional (PVA). El resultat va ser un baix risc d'extinció de la població en els propers 100 anys i la majoria dels escenaris simulats (65%) van assolir el criteri d'un mínim de 90% de probabilitat de supervivència. Del model poblacional construït es dedueix que un punt clau per assegurar la viabilitat de la població reintroduïda és la reducció de la mortalitat accidental. A l'àrea d'estudi, els atropellaments causen més del 50% de la mortalitat i aquesta pot ser reduïda mitjançant la construcció de passos de fauna, el tancament lateral d'alguns trams de carretera perillosos i el control de la velocitat en algunes vies. El projecte de reintroducció ha posat a punt un protocol per a la captura, maneig i alliberament de llúdrigues salvatges, que pot contenir informació útil per a programes similars. També ha suposat una oportunitat única d'estudiar una població dissenyada artificialment i poder comparar diversos mètodes per estimar la distribució i la densitat de poblacions de llúdrigues. Per últim, la reintroducció portada a terme a les conques dels rius Muga i Fluvià ha aconseguit crear una nova població de llúdrigues, que persisteix en el temps, que es reprodueix regularment i que es dispersa progressivament, fins i tot a noves conques fluvials.

Desenvolupament computacional de la semblança molecular quàntica

La present Tesi Doctoral, titulada desenvolupament computacional de la semblança molecular quàntica, tracta, fonamentalment, els aspectes de càlcul de mesures de semblança basades en la comparació de funcions de densitat electrònica.El primer capítol, Semblança quàntica, és introductori. S'hi descriuen les funcions de densitat de probabilitat electrònica i llur significança en el marc de la mecànica quàntica. Se n'expliciten els aspectes essencials i les condicions matemàtiques a satisfer, cara a una millor comprensió dels models de densitat electrònica que es proposen. Hom presenta les densitats electròniques, mencionant els teoremes de Hohenberg i Kohn i esquematitzant la teoria de Bader, com magnituds fonamentals en la descripció de les molècules i en la comprensió de llurs propietats.En el capítol Models de densitats electròniques moleculars es presenten procediments computacionals originals per l'ajust de funcions densitat a models expandits en termes de gaussianes 1s centrades en els nuclis. Les restriccions físico-matemàtiques associades a les distribucions de probabilitat s'introdueixen de manera rigorosa, en el procediment anomenat Atomic Shell Approximation (ASA). Aquest procediment, implementat en el programa ASAC, parteix d'un espai funcional quasi complert, d'on se seleccionen variacionalment les funcions o capes de l'expansió, d'acord als requisits de no negativitat. La qualitat d'aquestes densitats i de les mesures de semblança derivades es verifica abastament. Aquest model ASA s'estén a representacions dinàmiques, físicament més acurades, en quant que afectades per les vibracions nuclears, cara a una exploració de l'efecte de l'esmorteïment dels pics nuclears en les mesures de semblança molecular. La comparació de les densitats dinàmiques respecte les estàtiques evidencia un reordenament en les densitats dinàmiques, d'acord al que constituiria una manifestació del Principi quàntic de Le Chatelier. El procediment ASA, explícitament consistent amb les condicions de N-representabilitat, s'aplica també a la determinació directe de densitats electròniques hidrogenoides, en un context de teoria del funcional de la densitat.El capítol Maximització global de la funció de semblança presenta algorismes originals per la determinació de la màxima sobreposició de les densitats electròniques moleculars. Les mesures de semblança molecular quàntica s'identifiquen amb el màxim solapament, de manera es mesuri la distància entre les molècules, independentment dels sistemes de referència on es defineixen les densitats electròniques. Partint de la solució global en el límit de densitats infinitament compactades en els nuclis, es proposen tres nivells de aproximació per l'exploració sistemàtica, no estocàstica, de la funció de semblança, possibilitant la identificació eficient del màxim global, així com també dels diferents màxims locals. Es proposa també una parametrització original de les integrals de recobriment a través d'ajustos a funcions lorentzianes, en quant que tècnica d'acceleració computacional. En la pràctica de les relacions estructura-activitat, aquests avenços possibiliten la implementació eficient de mesures de semblança quantitatives, i, paral·lelament, proporcionen una metodologia totalment automàtica d'alineació molecular. El capítol Semblances d'àtoms en molècules descriu un algorisme de comparació dels àtoms de Bader, o regions tridimensionals delimitades per superfícies de flux zero de la funció de densitat electrònica. El caràcter quantitatiu d'aquestes semblances possibilita la mesura rigorosa de la noció química de transferibilitat d'àtoms i grups funcionals. Les superfícies de flux zero i els algorismes d'integració usats han estat publicats recentment i constitueixen l'aproximació més acurada pel càlcul de les propietats atòmiques. Finalment, en el capítol Semblances en estructures cristal·lines hom proposa una definició original de semblança, específica per la comparació dels conceptes de suavitat o softness en la distribució de fonons associats a l'estructura cristal·lina. Aquests conceptes apareixen en estudis de superconductivitat a causa de la influència de les interaccions electró-fonó en les temperatures de transició a l'estat superconductor. En aplicar-se aquesta metodologia a l'anàlisi de sals de BEDT-TTF, s'evidencien correlacions estructurals entre sals superconductores i no superconductores, en consonància amb les hipòtesis apuntades a la literatura sobre la rellevància de determinades interaccions.Conclouen aquesta tesi un apèndix que conté el programa ASAC, implementació de l'algorisme ASA, i un capítol final amb referències bibliogràfiques.

Changes in heron and egret populations on the Laurentian Great Lakes and connecting channels, 1977-2009

Canadian and U.S. federal wildlife agencies completed four decadal surveys, spanning the years 1977 to 2009, to census colonial waterbirds breeding on the Great Lakes and adjoining bodies of water. In this paper, we reports abundance, distribution, and general population trends of three species: Black-crowned Night-Heron (Nycticorax nycticorax), Great Egret (Ardea alba), and Great Blue Heron (Ardea herodias). Estimates of nest numbers ranged from approximately 4000-6100 for the Black-crowned Night-Heron, 250-1900 for the Great Egret, and 3800-6400 for the Great Blue Heron. Average annual rates of change in nest numbers between the first (1977) and fourth (2008) census were −1% for the Black-crowned Night-Heron, +23% for the Great Egret, and −0.27% for the Great Blue Heron. Across the 30-year census, Black-crowned Night-Heron estimates decreased in U.S. (−57%) but increased (+18%) in Canadian waters, Great Egret nests increased 1381% in Canadian waters with a smaller, but still substantial increase in the number of nests at U.S. colonies (+613%), and Great Blue Heron numbers increased 148% in Canadian waters and 713% in U.S. waters. Although a single factor cannot be clearly linked to changes observed in each species’ distribution, hydrological variation, habitat succession, nest competition with Double-crested Cormorants (Phalacrocorax auritus), and land use changes likely all contributed. Management activities should support both breeding and foraging conditions including restoration of early successional habitats and anticipate continued northward expansions in the distributions of these waterbirds.

Correlating Bayesian date estimates with climatic events and domestication using a bovine case study

The tribe Bovini contains a number of commercially and culturally important species, such as cattle. Understanding their evolutionary time scale is important for distinguishing between post-glacial and domestication-associated population expansions, but estimates of bovine divergence times have been hindered by a lack of reliable calibration points. We present a Bayesian phylogenetic analysis of 481 mitochondrial D-loop sequences, including 228 radiocarbon-dated ancient DNA sequences, using a multi-demographic coalescent model. By employing the radiocarbon dates as internal calibrations, we co-estimate the bovine phylogeny and divergence times in a relaxed-clock framework. The analysis yields evidence for significant population expansions in both taurine and zebu cattle, European aurochs and yak clades. The divergence age estimates support domestication-associated expansion times (less than 12 kyr) for the major haplogroups of cattle. We compare the molecular and palaeontological estimates for the Bison-Bos divergence.

The unsteady flow of a weakly compressible fluid in a thin porous layer. I: Two-dimensional theory

We consider the problem of determining the pressure and velocity fields for a weakly compressible fluid flowing in a two-dimensional reservoir in an inhomogeneous, anisotropic porous medium, with vertical side walls and variable upper and lower boundaries, in the presence of vertical wells injecting or extracting fluid. Numerical solution of this problem may be expensive, particularly in the case that the depth scale of the layer h is small compared to the horizontal length scale l. This is a situation which occurs frequently in the application to oil reservoir recovery. Under the assumption that epsilon=h/l<<1, we show that the pressure field varies only in the horizontal direction away from the wells (the outer region). We construct two-term asymptotic expansions in epsilon in both the inner (near the wells) and outer regions and use the asymptotic matching principle to derive analytical expressions for all significant process quantities. This approach, via the method of matched asymptotic expansions, takes advantage of the small aspect ratio of the reservoir, epsilon, at precisely the stage where full numerical computations become stiff, and also reveals the detailed structure of the dynamics of the flow, both in the neighborhood of wells and away from wells.

Likelihood-based estimation of microsatellite mutation rates

Microsatellites are widely used in genetic analyses, many of which require reliable estimates of microsatellite mutation rates, yet the factors determining mutation rates are uncertain. The most straightforward and conclusive method by which to study mutation is direct observation of allele transmissions in parent-child pairs, and studies of this type suggest a positive, possibly exponential, relationship between mutation rate and allele size, together with a bias toward length increase. Except for microsatellites on the Y chromosome, however, previous analyses have not made full use of available data and may have introduced bias: mutations have been identified only where child genotypes could not be generated by transmission from parents' genotypes, so that the probability that a mutation is detected depends on the distribution of allele lengths and varies with allele length. We introduce a likelihood-based approach that has two key advantages over existing methods. First, we can make formal comparisons between competing models of microsatellite evolution; second, we obtain asymptotically unbiased and efficient parameter estimates. Application to data composed of 118,866 parent-offspring transmissions of AC microsatellites supports the hypothesis that mutation rate increases exponentially with microsatellite length, with a suggestion that contractions become more likely than expansions as length increases. This would lead to a stationary distribution for allele length maintained by mutational balance. There is no evidence that contractions and expansions differ in their step size distributions.

Acoustic trapped modes in a three-dimensional waveguide of slowly varying cross section

In this paper we develop an asymptotic scheme to approximate the trapped mode solutions to the time harmonic wave equation in a three-dimensional waveguide with a smooth but otherwise arbitrarily shaped cross section and a single, slowly varying `bulge', symmetric in the longitudinal direction. Extending the work in Biggs (2012), we first employ a WKBJ-type ansatz to identify the possible quasi-mode solutions which propagate only in the thicker region, and hence find a finite cut-on region of oscillatory behaviour and asymptotic decay elsewhere. The WKBJ expansions are used to identify a turning point between the cut-on and cut-on regions. We note that the expansions are nonuniform in an interior layer centred on this point, and we use the method of matched asymptotic expansions to connect the cut-on and cut-on regions within this layer. The behaviour of the expansions within the interior layer then motivates the construction of a uniformly valid asymptotic expansion. Finally, we use this expansion and the symmetry of the waveguide around the longitudinal centre, x = 0, to extract trapped mode wavenumbers, which are compared with those found using a numerical scheme and seen to be extremely accurate, even to relatively large values of the small parameter.

The Structure of the chiral Pt{531} surface: a combined LEED and DFT study

The structure of the chiral kinked Pt{531} surface has been determined by low-energy electron diffraction intensity-versus-energy (LEED-IV) analysis and density functional theory (DFT). Large contractions and expansions of the vertical interlayer distances with respect to the bulk-terminated surface geometry were found for the first six layers (LEED: d(12) = 0.44 angstrom, d(23) = 0.69 angstrom, d(34) = 0.49 angstrom, d(45) = 0.95 angstrom, d(56) = 0.56 angstrom; DFT: d(12) = 0.51 angstrom, d(23) = 0.55 angstrom, d(34) = 0.74 angstrom, d(45) = 0.78 angstrom, d(56) = 0.63 angstrom; d(bulk) = 0.66 angstrom). Energy-dependent cancellations of LEED spots over unusually large energy ranges, up to 100 eV, can be explained by surface roughness and reproduced by applying a model involving 0.25 ML of vacancies and adatoms in the scattering calculations. The agreement between the results from LEED and DFT is not as good as in other cases, which could be due to this roughness of the real surface.

A statistical mechanical approach for the computation of the climatic response to general forcings

The climate belongs to the class of non-equilibrium forced and dissipative systems, for which most results of quasi-equilibrium statistical mechanics, including the fluctuation-dissipation theorem, do not apply. In this paper we show for the first time how the Ruelle linear response theory, developed for studying rigorously the impact of perturbations on general observables of non-equilibrium statistical mechanical systems, can be applied with great success to analyze the climatic response to general forcings. The crucial value of the Ruelle theory lies in the fact that it allows to compute the response of the system in terms of expectation values of explicit and computable functions of the phase space averaged over the invariant measure of the unperturbed state. We choose as test bed a classical version of the Lorenz 96 model, which, in spite of its simplicity, has a well-recognized prototypical value as it is a spatially extended one-dimensional model and presents the basic ingredients, such as dissipation, advection and the presence of an external forcing, of the actual atmosphere. We recapitulate the main aspects of the general response theory and propose some new general results. We then analyze the frequency dependence of the response of both local and global observables to perturbations having localized as well as global spatial patterns. We derive analytically several properties of the corresponding susceptibilities, such as asymptotic behavior, validity of Kramers-Kronig relations, and sum rules, whose main ingredient is the causality principle. We show that all the coefficients of the leading asymptotic expansions as well as the integral constraints can be written as linear function of parameters that describe the unperturbed properties of the system, such as its average energy. Some newly obtained empirical closure equations for such parameters allow to define such properties as an explicit function of the unperturbed forcing parameter alone for a general class of chaotic Lorenz 96 models. We then verify the theoretical predictions from the outputs of the simulations up to a high degree of precision. The theory is used to explain differences in the response of local and global observables, to define the intensive properties of the system, which do not depend on the spatial resolution of the Lorenz 96 model, and to generalize the concept of climate sensitivity to all time scales. We also show how to reconstruct the linear Green function, which maps perturbations of general time patterns into changes in the expectation value of the considered observable for finite as well as infinite time. Finally, we propose a simple yet general methodology to study general Climate Change problems on virtually any time scale by resorting to only well selected simulations, and by taking full advantage of ensemble methods. The specific case of globally averaged surface temperature response to a general pattern of change of the CO2 concentration is discussed. We believe that the proposed approach may constitute a mathematically rigorous and practically very effective way to approach the problem of climate sensitivity, climate prediction, and climate change from a radically new perspective.

On the response of the Antarctic Circumpolar Current transport to climate change in coupled climate models

The CMIP3 (IPCC AR4) models show a consistent intensification and poleward shift of the westerly winds over the Southern Ocean during the 21st century. However, the responses of the Antarctic Circumpolar Currents (ACC) show great diversity in these models, with many even showing reductions in transport. To obtain some understanding of diverse responses in the ACC transport, we investigate both external atmospheric and internal oceanic processes that control the ACC transport responses in these models. While the strengthened westerlies act to increase the tilt of isopycnal surfaces and hence the ACC transport through Ekman pumping effects, the associated changes in buoyancy forcing generally tend to reduce the surface meridional density gradient. The steepening of isopycnal surfaces induced by increased wind forcing leads to enhanced (parameterized) eddy-induced transports that act to reduce the isopycnal slopes. There is also considerable narrowing of the ACC that tends to reduce the ACC transport, caused mainly by the poleward shifts of the subtropical gyres and to a lesser extent by the equatorward expansions of the subpolar gyres in some models. If the combined effect of these retarding processes is larger than that of enhanced Ekman pumping, the ACC transport will be reduced. In addition, the effect of Ekman pumping on the ACC is reduced in weakly stratified models. These findings give insight into the reliability of IPCC-class model predictions of the Southern Ocean circulation, and into the observed decadal-scale steady ACC transport.