Construção, caracterização global e local de redes biológicas

A Biologia Sistêmica visa a compreensão da vida através de modelos integrativos que enfatizem as interações entre os diferentes agentes biológicos. O objetivo é buscar por leis universais, não nas partes componentes dos sistemas mas sim nos padrões de interação dos elementos constituintes. As redes complexas biológicas são uma poderosa abstração matemática que permite a representação de grandes volumes de dados e a posterior formulação de hipóteses biológicas. Nesta tese apresentamos as redes biológicas integradas que incluem interações oriundas do metabolismo, interação física de proteínas e regulação. Discutimos sua construção e ferramentas para sua análise global e local. Apresentamos também resultados do uso de ferramentas de aprendizado de máquina que nos permitem compreender a relação entre propriedades topológicas e a essencialidade gênica e a previsão de genes mórbidos e alvos para drogas em humanos

Caracterização topológica dos motivos das redes biológicas integradas da Escherichia coli e da Saccharomyces cerevisiae

The reducionism method has helped in the clari cation of functioning of many biological process. However, such process are extremely complex and have emergent properties that can not be explained or even predicted by reducionism methods. To overcome these limits, researchers have been used a set of methods known as systems biology, a new area of biology aiming to understand the interactions between the multiple components of biological processes. These interactions can be represented by a mathematical object called graph or network, where the interacting elements are represented by a vertex and the interactions by edges that connect a pair of vertexes. Into graphs it is possible to nd subgraphs, occurring in complex networks at numbers that are signi cantly higher than those in randomized networks, they are de ned as motifs. As motifs in biological networks may represent the structural units of biological processess, their detection is important. Therefore, the aim of this present work was detect, count and classify motifs present in biological integrated networks of bacteria Escherichia coli and yeast Saccharomyces cere- visiae. For this purpose, we implemented codes in MathematicaR and Python environments for detecting, counting and classifying motifs in these networks. The composition and types of motifs detected in these integrated networks indicate that such networks are organized in three main bridged modules composed by motifs in which edges are all the same type. The connecting bridges are composed by motifs in which the types of edges are diferent

Efeitos do controle da jaqueira, Artocarpus heterophyllus L., sobre a comunidade de pequenos mamíferos e a rede de dispersão de sementes na Ilha Grande, RJ

Atualmente observa-se uma expressiva perda de biodiversidade global resultante de atividades antrópicas, sendo a introdução de espécies exóticas uma das mais impactantes. A jaqueira Artocarpus heterophyllus é uma espécie exótica introduzida no Brasil durante o período colonial, sendo considerada invasora em diversas localidades. Na Mata Atlântica invade áreas de mata aberta e de borda, habitualmente associadas a ambientes antrópicos. Na Ilha Grande é encontrada em grande abundância em decorrência do histórico de ocupação humana. Para compreender como a mastofauna responde a presença da jaqueira, o Laboratório de Ecologia de Mamíferos da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) vem desenvolvendo um estudo ao longo de seis anos nos arredores da Vila Dois Rios, localizada na face oceânica da Ilha Grande. A partir dos resultados prévios iniciou-se uma segunda etapa do estudo no mesmo local que buscou avaliar diferentes métodos de controle das jaqueiras. O presente estudo é uma continuação direta desses dois trabalhos anteriores e teve como objetivo acompanhar as respostas da comunidade de pequenos mamíferos no período imediatamente posterior ao controle. Durante 18 meses foram amostradas bimestralmente 18 grades, 10 aonde foi efetuado o controle das jaqueiras e 8 aonde não foi constatada a presença desta árvore. Em cada grade foram colocadas 11 armadilhas de captura viva sendo banana a isca utilizada. Os mamíferos capturados foram medidos e suas fezes coletadas. A quantidade de jacas em cada área também foi anotada bimensalmente. As fezes foram analisadas em laboratório e as sementes encontradas identificadas. Os resultados obtidos indicam que a influência de A. heterophyllus sobre a estrutura da comunidade de pequenos mamíferos foi menor após o tratamento de controle. A única espécie que parece ainda responder a abundância de jaqueiras é o roedor Trinomys dimidiatus, que apresentou densidades mais elevadas nas áreas em tratamento, porém mais próximas a resultados obtidos para espécies congêneres em áreas pouco antropizadas. Utilizando uma abordagem de redes complexas observamos que, embora T. dimidiatus seja a espécie mais abundante em termos de número de indivíduos, o gambá Didelphis aurita parece ser a espécie de mamífero mais importante para dispersão de sementes nativas, aparecendo como espécie com maior número de conexões com espécies de sementes nas redes contruídas para as áreas sem jaqueiras e com jaqueiras antes e após o tratamento. Finalmente, a partir dos dados obtidos criamos um modelo matemático para a população de T. dimidiatus dos arredores da Vila Dois Rios, baseado em um crescimento logístico. Os resultados do modelo proposto se mostraram correlacionados com os dados de abundância reais, de modo que ele parece ser um simulador adequado da população local.

Networked tourism: from world destinations to inter-organizations

Na última década, a referência ao conceito de redes cresceu rapidamente entre a literatura sobre turismo, geralmente aplicado a tópicos como as interorganizações, estrutura de multi-destinos, espaços de Turismo online, entre outros. O conceito de rede difundiu-se na natureza e na sociedade, em áreas que vão desde a Biologia à Medicina, ou da Economia à Gestão, e o conhecimento sobre redes tem vindo a impulsionar uma teoria comum para facilitar a compreensão de diferentes sistemas complexos e a representação das ligações entre organizações, acções, bens, proteínas ou pessoas. A tese teve como propósito o encontro de um eixo comum entre dois campos férteis de investigação através de uma revisão teórica sistemática. A investigação sobre redes complexas é um campo recente na Física que tem vindo a desenvolver-se bastante na última década com fortes aplicações interdisciplinares. Por outro lado, a análise de redes sociais é uma área de investigação activa em Sociologia e Economia há bastante tempo. O estudo das implicações das redes complexas para a ciência das redes de turismo é uma área promissora já com resultados fascinantes. A tese tem três resultados principais. Primeiro, traz conhecimento das ricas áreas de conhecimento sobre redes complexas e redes sociais. Em segundo lugar, apresenta modelos evolutivos que melhor se adaptam às chegadas turísticas internacionais. Como se organizam as redes sociais? Como é que os indivíduos escolhem os seus destinos de viagem? Estes são exemplos de questões que serão abordadas na tese. Em terceiro lugar, discute resultados que fazem notar comportamentos comuns entre redes em turismo e outras redes reais. O que é comum a todas as redes na natureza? Adicionalmente, os padrões encontrados entre os destinos turísticos mostram um comportamento não social, com destinos mais característicos de redes económicas e sistemas tecnológicos que questionam a faceta social do sector do turismo. Por acréscimo, a rede de transportes aéreos e a rede de turismo mostram diferenças consideráveis que se podem dever a razões políticas ou outras que provavelmente explicam o aumento da utilização de voos charters.

Interacting agents on complex networks and stochastic processes in them

Nas últimas décadas, um grande número de processos têm sido descritos em termos de redes complexas. A teoria de redes complexas vem sendo utilizada com sucesso para descrever, modelar e caracterizar sistemas naturais, artificias e sociais, tais como ecossistemas, interações entre proteínas, a Internet, WWW, até mesmo as relações interpessoais na sociedade. Nesta tese de doutoramento apresentamos alguns modelos de agentes interagentes em redes complexas. Inicialmente, apresentamos uma breve introdução histórica (Capítulo 1), seguida de algumas noções básicas sobre redes complexas (Capítulo 2) e de alguns trabalhos e modelos mais relevantes a esta tese de doutoramento (Capítulo 3). Apresentamos, no Capítulo 4, o estudo de um modelo de dinâmica de opiniões, onde busca-se o consenso entre os agentes em uma população, seguido do estudo da evolução de agentes interagentes em um processo de ramificação espacialmente definido (Capítulo 5). No Capítulo 6 apresentamos um modelo de otimização de fluxos em rede e um estudo do surgimento de redes livres de escala a partir de um processo de otimização . Finalmente, no Capítulo 7, apresentamos nossas conclusões e perspectivas futuras.

Novel critical phenomena in optimization driven processes on networks

The work presented in this Ph.D thesis was developed in the context of complex network theory, from a statistical physics standpoint. We examine two distinct problems in this research field, taking a special interest in their respective critical properties. In both cases, the emergence of criticality is driven by a local optimization dynamics. Firstly, a recently introduced class of percolation problems that attracted a significant amount of attention from the scientific community, and was quickly followed up by an abundance of other works. Percolation transitions were believed to be continuous, until, recently, an 'explosive' percolation problem was reported to undergo a discontinuous transition, in [93]. The system's evolution is driven by a metropolis-like algorithm, apparently producing a discontinuous jump on the giant component's size at the percolation threshold. This finding was subsequently supported by number of other experimental studies [96, 97, 98, 99, 100, 101]. However, in [1] we have proved that the explosive percolation transition is actually continuous. The discontinuity which was observed in the evolution of the giant component's relative size is explained by the unusual smallness of the corresponding critical exponent, combined with the finiteness of the systems considered in experiments. Therefore, the size of the jump vanishes as the system's size goes to infinity. Additionally, we provide the complete theoretical description of the critical properties for a generalized version of the explosive percolation model [2], as well as a method [3] for a precise calculation of percolation's critical properties from numerical data (useful when exact results are not available). Secondly, we study a network flow optimization model, where the dynamics consists of consecutive mergings and splittings of currents flowing in the network. The current conservation constraint does not impose any particular criterion for the split of current among channels outgoing nodes, allowing us to introduce an asymmetrical rule, observed in several real systems. We solved analytically the dynamic equations describing this model in the high and low current regimes. The solutions found are compared with numerical results, for the two regimes, showing an excellent agreement. Surprisingly, in the low current regime, this model exhibits some features usually associated with continuous phase transitions.

Fraturas e caminhos ótimos na rede de Barabasi-Albert

Following the study of Andrade et al. (2009) on regular square lattices, here we investigate the problem of optimal path cracks (OPC) in Complex Networks. In this problem we associate to each site a determined energy. The optimum path is defined as the one among all possible paths that crosses the system which has the minimum cost, namely the sum of the energies along the path. Once the optimum path is determined, at each step, one blocks its site with highest energy, and then a new optimal path is calculated. This procedure is repeated until there is a set of blocked sites forming a macroscopic fracture which connects the opposite sides of the system. The method is applied to a lattice of size L and the density of removed sites is computed. As observed in the work by Andrade et al. (2009), the fractured system studied here also presents different behaviors depending on the level of disorder, namely weak, moderated and strong disorder intensities. In the regime of weak and moderated disorder, while the density of removed sites in the system does not depend of the size L in the case of regular lattices, in the regime of high disorder the density becomes substantially dependent on L. We did the same type of study for Complex Networks. In this case, each new site is connected with m previous ones. As in the previous work, we observe that the density of removed sites presents a similar behavior. Moreover, a new result is obtained, i.e., we analyze the dependency of the disorder with the attachment parameter m

Implementação do algoritmo de Newman para identificação de comunidades em placas gráficas

Communities are present on physical, chemical and biological systems and their identification is fundamental for the comprehension of the behavior of these systems. Recently, available data related to complex networks have grown exponentially, demanding more computational power. The Graphical Processing Unit (GPU) is a cost effective alternative suitable for this purpose. We investigate the convenience of this for network science by proposing a GPU based implementation of Newman community detection algorithm. We showed that the processing time of matrix multiplications of GPUs grow slower than CPUs in relation to the matrix size. It was proven, thus, that GPU processing power is a viable solution for community dentification simulation that demand high computational power. Our implementation was tested on an integrated biological network for the bacterium Escherichia coli

A realidade contemporânea das relações institucionais: desafios e oportunidades para as Relações Públicas

The contemporary organizations establish complex networks of relationships with their audiences. However, it is the socio-historical setting of the organizations that allow that their internal structures, management and culture as well as their interests and goals in relation to the macro social environment to be understood. To understand what is currently proposed as institutional relations, it is necessary to search on that socio-historical source the progress in the studies of management and organizational communication aiming to prove the assumptions underlying this strategic role within organizations. In order to do that, this project raises ethnographic aspects of the institutional relationships to see what is proposed by the organizations and, therefore, highlights the lack of detailed studies in this area. From this survey, it is clear the possible role of public relations in contributing to studies, plans and execution of institutional relations according to the basement in the humanities and communication processes of networks of relationships between organizations

Modelos matemáticos e computacionais para descrever a transmissão de dois sorotipos de vírus de dengue

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Determination of the critical coupling of explosive synchronization transitions in scale-free networks by mean-field approximations

An explosive synchronization can be observed in scale-free networks when Kuramoto oscillators have natural frequencies equal to their number of connections. The present paper reports on mean-field approximations to determine the critical coupling of such explosive synchronization. It has been verified that the equation obtained for the critical coupling has an inverse dependence on the network average degree. This expression differs from those whose frequency distributions are unimodal and even. In this case, the critical coupling depends on the ratio between the first and second statistical moments of the degree distribution. Numerical simulations were also conducted to verify our analytical results.

Supervised classification of basaltic aggregate particles based on texture properties

The strength and durability of materials produced from aggregates (e.g., concrete bricks, concrete, and ballast) are critically affected by the weathering of the particles, which is closely related to their mineral composition. It is possible to infer the degree of weathering from visual features derived from the surface of the aggregates. By using sound pattern recognition methods, this study shows that the characterization of the visual texture of particles, performed by using texture-related features of gray scale images, allows the effective differentiation between weathered and nonweathered aggregates. The selection of the most discriminative features is also performed by taking into account a feature ranking method. The evaluation of the methodology in the presence of noise suggests that it can be used in stone quarries for automatic detection of weathered materials.

Roteamento e alocação de comprimento de onda em redes WDM segundo algoritmo baseado em regras da natureza.

O surgimento de novos serviços de telecomunicações tem provocado um enorme aumento no tráfego de dados nas redes de transmissão. Para atender a essa demanda crescente, novas tecnologias foram desenvolvidas e implementadas ao longo dos anos, sendo que um dos principais avanços está na área de transmissão óptica, devido à grande capacidade de transporte de informação da fibra óptica. A tecnologia que melhor explora a capacidade desse meio de transmissão atualmente é a multiplexação por divisão de comprimento de onda ou Wavelength Division Multiplexing (WDM) que permite a transmissão de diversos sinais utilizando apenas uma fibra óptica. Redes ópticas WDM se tornaram muito complexas, com enorme capacidade de transmissão de informação (terabits por segundo), para atender à explosão de necessidade por largura de banda. Nesse contexto, é de extrema importância que os recursos dessas redes sejam utilizados de forma inteligente e otimizada. Um dos maiores desafios em uma rede óptica é a escolha de uma rota e a seleção de um comprimento de onda disponível na rede para atender uma solicitação de conexão utilizando o menor número de recursos possível. Esse problema é bastante complexo e ficou conhecido como problema de roteamento e alocação de comprimento de onda ou, simplesmente, problema RWA (Routing and Wavelentgh Assignment problem). Muitos estudos foram realizados com o objetivo de encontrar uma solução eficiente para esse problema, mas nem sempre é possível aliar bom desempenho com baixo tempo de execução, requisito fundamental em redes de telecomunicações. A técnica de algoritmo genético (AG) tem sido utilizada para encontrar soluções de problemas de otimização, como é o caso do problema RWA, e tem obtido resultados superiores quando comparada com soluções heurísticas tradicionais encontradas na literatura. Esta dissertação apresenta, resumidamente, os conceitos de redes ópticas e de algoritmos genéticos, e descreve uma formulação do problema RWA adequada à solução por algoritmo genético.

A Análise de redes sociais e a perspectiva geoespacial: um estudo de caso para avaliar a capilaridade do fluxo de informações em redes socioespaciais.

A noção de rede social e os métodos em análise em redes sociais (ARS) tem atraído considerável interesse e curiosidade para a comunidade científica nestas últimas décadas, assim como a crescente fascinação pública sobre as relações mais complexas da sociedade moderna. A ARS está baseada na importância de relações entre a interação de unidades. Numa análise de rede social a observação dos atributos sociais de um ator pode ser entendida como padrão ou como uma estrutura de relação entre as unidades. Desta forma, quando empregados a uma perspectiva de rede, é possível estudar os padrões de estruturas relacionais diretamente, sem referência a atributos dos indivíduos envolvidos. Na análise convencional de redes sociais a distância geográfica (ou geoespacial) não tem efeito mapeado na rede. Quando utilizada, esta informação normalmente adquire caráter de um atributo complementar associado individualmente a cada ator (ou aglomerados de atores) da própria rede. O objetivo deste trabalho é demonstrar, numa escala local (de maneira mais granular) como o posicionamento geoespacial dos atores, considerado como elementos da rede, pode desvendar aspectos significativos do comportamento destes que não seriam revelados em análises convencionais. No estudo de caso utilizou-se ainda conceitos de outras disciplinas, como a Matemática e a Física, para verificar a capilaridade do fluxo da informação da rede em três perspectivas distintas: a social, a espacial e a socioespacial. O trabalho descreve o campo emergente de pesquisa em ARS, abordando também questões fundamentais sobre como estas diferentes perspectivas podem trazer resultados mais assertivos para orientar uma tomada de decisão no mercado.

Geração de simuladores de filas para diferentes contextos com estudo de casos para redes de computadores

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)