Fractional dynamics in DNA

This paper addresses the DNA code analysis in the perspective of dynamics and fractional calculus. Several mathematical tools are selected to establish a quantitative method without distorting the alphabet represented by the sequence of DNA bases. The association of Gray code, Fourier transform and fractional calculus leads to a categorical representation of species and chromosomes.

A marcha: a influência do Gerador de Padrão Central

A marcha é influenciada por um conjunto de factores que resultam da interacção e organização própria de sistemas neurais e mecânicos, entre os quais, da dinâmica músculo-esquelética, da modulação pelos centros nervosos superiores, pela modulação aferente e é, também, assumida como sendo controlada pelo Gerador de Padrão Central (GPC), que se define como um programa central baseado num circuito espinal geneticamente determinado, capaz de produzir um ritmo associado a cada marcha. Apresenta-se como objectivo deste trabalho abordar quais os modelos explicativos para o funcionamento do GPC e qual a evidência científica, que continua a ter muitas divergências.

Autoinhibition of TBCB regulates EB1-mediated microtubule dynamics

Tubulin cofactors (TBCs) participate in the folding, dimerization, and dissociation pathways of the tubulin dimer. Among them, TBCB and TBCE are two CAP-Gly domain-containing proteins that together efficiently interact with and dissociate the tubulin dimer. In the study reported here we showed that TBCB localizes at spindle and midzone microtubules during mitosis. Furthermore, the motif DEI/M-COO− present in TBCB, which is similar to the EEY/F-COO− element characteristic of EB proteins, CLIP-170, and α-tubulin, is required for TBCE–TBCB heterodimer formation and thus for tubulin dimer dissociation. This motif is responsible for TBCB autoinhibition, and our analysis suggests that TBCB is a monomer in solution. Mutants of TBCB lacking this motif are derepressed and induce microtubule depolymerization through an interaction with EB1 associated with microtubule tips. TBCB is also able to bind to the chaperonin complex CCT containing α-tubulin, suggesting that it could escort tubulin to facilitate its folding and dimerization, recycling or degradation.

A marcha: a influência do Gerador de Padrão Central

A marcha é influenciada por um conjunto de factores que resultam da interacção e organização própria de sistemas neurais e mecânicos, entre os quais, da dinâmica músculo-esquelética, da modulação pelos centros nervosos superiores, pela modulação aferente e é, também, assumida como sendo controlada pelo Gerador de Padrão Central (GPC), que se define como um programa central baseado num circuito espinal geneticamente determinado, capaz de produzir um ritmo associado a cada marcha. Apresenta-se como objectivo deste trabalho abordar quais os modelos explicativos para o funcionamento do GPC e qual a evidência científica, que continua a ter muitas divergências.

Symbolic dynamics and renormalization of non-autonomous k periodic dynamical systems

The purpose of this paper was to introduce the symbolic formalism based on kneading theory, which allows us to study the renormalization of non-autonomous periodic dynamical systems.

An Extension of Gompertzian Growth Dynamics Weibull and Frechet Models

In this work a new probabilistic and dynamical approach to an extension of the Gompertz law is proposed. A generalized family of probability density functions, designated by Beta* (p, q), which is proportional to the right hand side of the Tsoularis-Wallace model, is studied. In particular, for p = 2, the investigation is extended to the extreme value models of Weibull and Frechet type. These models, described by differential equations, are proportional to the hyper-Gompertz growth model. It is proved that the Beta* (2, q) densities are a power of betas mixture, and that its dynamics are determined by a non-linear coupling of probabilities. The dynamical analysis is performed using techniques of symbolic dynamics and the system complexity is measured using topological entropy. Generally, the natural history of a malignant tumour is reflected through bifurcation diagrams, in which are identified regions of regression, stability, bifurcation, chaos and terminus.

Topological Complexity and Predictability in the Dynamics of a Tumor Growth Model with Shilnikov's Chaos

Dynamical systems modeling tumor growth have been investigated to determine the dynamics between tumor and healthy cells. Recent theoretical investigations indicate that these interactions may lead to different dynamical outcomes, in particular to homoclinic chaos. In the present study, we analyze both topological and dynamical properties of a recently characterized chaotic attractor governing the dynamics of tumor cells interacting with healthy tissue cells and effector cells of the immune system. By using the theory of symbolic dynamics, we first characterize the topological entropy and the parameter space ordering of kneading sequences from one-dimensional iterated maps identified in the dynamics, focusing on the effects of inactivation interactions between both effector and tumor cells. The previous analyses are complemented with the computation of the spectrum of Lyapunov exponents, the fractal dimension and the predictability of the chaotic attractors. Our results show that the inactivation rate of effector cells by the tumor cells has an important effect on the dynamics of the system. The increase of effector cells inactivation involves an inverse Feigenbaum (i.e. period-halving bifurcation) scenario, which results in the stabilization of the dynamics and in an increase of dynamics predictability. Our analyses also reveal that, at low inactivation rates of effector cells, tumor cells undergo strong, chaotic fluctuations, with the dynamics being highly unpredictable. Our findings are discussed in the context of tumor cells potential viability.

Strong and weak Allee effects and chaotic dynamics in Richards' growths

In this paper we define and investigate generalized Richards' growth models with strong and weak Allee effects and no Allee effect. We prove the transition from strong Allee effect to no Allee effect, passing through the weak Allee effect, depending on the implicit conditions, which involve the several parameters considered in the models. New classes of functions describing the existence or not of Allee effect are introduced, a new dynamical approach to Richards' populational growth equation is established. These families of generalized Richards' functions are proportional to the right hand side of the generalized Richards' growth models proposed. Subclasses of strong and weak Allee functions and functions with no Allee effect are characterized. The study of their bifurcation structure is presented in detail, this analysis is done based on the configurations of bifurcation curves and symbolic dynamics techniques. Generically, the dynamics of these functions are classified in the following types: extinction, semi-stability, stability, period doubling, chaos, chaotic semistability and essential extinction. We obtain conditions on the parameter plane for the existence of a weak Allee effect region related to the appearance of cusp points. To support our results, we present fold and flip bifurcations curves and numerical simulations of several bifurcation diagrams.

Multimodal species abundance distributions: a deconstruction approach reveals the processes behind the pattern

Copyright © 2014 The Authors. Oikos © 2014 Nordic Society Oikos.

Reproductive dynamics of Sterna hirundinacea Lesson, 1831 in Ilha dos Cardos, Santa Catarina, Brazil

In this work, we intend to describe the reproductive dynamics of Sterna hirundinacea in an island fromSouth Brazil.We studied the reproductive biology of this species in its natural environment and provide data on their growth, survival, and reproductive success in Ilha dosCardos, SantaCatarina, South Brazil. Samplingswere carried out daily on the island throughout the reproductive seasons of 2003, 2005, and 2006 and the different stages of development of the chicks were characterized according to age, length of the beak, and plumage characteristics.We provide a basic equation Lm = 167.91 (1 – e −0.062t−(−0.23)) to determine the approximate age of individuals using their body mass. The main cause of chick mortality on the island was natural (63.17% in 2003, 81.41% in 2005, and 79.96% in 2006), whereas predation contributed to mortality in a proportion of 38.83% in 2003, 18.59% in 2005, and 20.04% in 2006.The absence in the area of the chicks’ main predator, Kelp gull (Larus dominicanus), the large number of chicks that reached the final stages of development, and their reproductive success demonstrate that Ilha dos Cardos is an important breeding site for the species in southern Brazil.

New mitochondrial and nuclear evidences support recent demographic expansion and an atypical phylogeographic pattern in the Spittlebug Philaenus spumarius (Hemiptera, Aphrophoridae)

Copyright: © 2014 Rodrigues et al. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original author and source are credited.

Imported and autochthonous cases in the dynamics of dengue epidemics in Brazil

OBJECTIVE: To estimate the basic reproduction number (R0) of dengue fever including both imported and autochthonous cases. METHODS: The study was conducted based on epidemiological data of the 2003 dengue epidemic in Brasília, Brazil. The basic reproduction number is estimated from the epidemic curve, fitting linearly the increase of initial cases. Aiming at simulating an epidemic with both autochthonous and imported cases, a "susceptible-infectious-resistant" compartmental model was designed, in which the imported cases were considered as an external forcing. The ratio between R0 of imported versus autochthonous cases was used as an estimator of real R0. RESULTS: The comparison of both reproduction numbers (only autochthonous versus all cases) showed that considering all cases as autochthonous yielded a R0 above one, although the real R0 was below one. The same results were seen when the method was applied on simulated epidemics with fixed R0. This method was also compared to some previous proposed methods by other authors and showed that the latter underestimated R0 values. CONCLUSIONS: It was shown that the inclusion of both imported and autochthonous cases is crucial for the modeling of the epidemic dynamics, and thus provides critical information for decision makers in charge of prevention and control of this disease.

Um novo gerador central de padrões de locomoção para geração de trajectórias em tempo real de robôs quadrúpedes

Neste trabalho estuda-se a geração de trajectórias em tempo real de um robô quadrúpede. As trajectórias podem dividir-se em duas componentes: rítmica e discreta. A componente rítmica das trajectórias é modelada por uma rede de oito osciladores acoplados, com simetria 4 2 Z  Z . Cada oscilador é modelado matematicamente por um sistema de Equações Diferenciais Ordinárias. A referida rede foi proposta por Golubitsky, Stewart, Buono e Collins (1999, 2000), para gerar os passos locomotores de animais quadrúpedes. O trabalho constitui a primeira aplicação desta rede à geração de trajectórias de robôs quadrúpedes. A derivação deste modelo baseia-se na biologia, onde se crê que Geradores Centrais de Padrões de locomoção (CPGs), constituídos por redes neuronais, geram os ritmos associados aos passos locomotores dos animais. O modelo proposto gera soluções periódicas identificadas com os padrões locomotores quadrúpedes, como o andar, o saltar, o galopar, entre outros. A componente discreta das trajectórias dos robôs usa-se para ajustar a parte rítmica das trajectórias. Este tipo de abordagem é útil no controlo da locomoção em terrenos irregulares, em locomoção guiada (por exemplo, mover as pernas enquanto desempenha tarefas discretas para colocar as pernas em localizações específicas) e em percussão. Simulou-se numericamente o modelo de CPG usando o oscilador de Hopf para modelar a parte rítmica do movimento e um modelo inspirado no modelo VITE para modelar a parte discreta do movimento. Variou-se o parâmetro g e mediram-se a amplitude e a frequência das soluções periódicas identificadas com o passo locomotor quadrúpede Trot, para variação deste parâmetro. A parte discreta foi inserida na parte rítmica de duas formas distintas: (a) como um offset, (b) somada às equações que geram a parte rítmica. Os resultados obtidos para o caso (a), revelam que a amplitude e a frequência se mantêm constantes em função de g. Os resultados obtidos para o caso (b) revelam que a amplitude e a frequência aumentam até um determinado valor de g e depois diminuem à medida que o g aumenta, numa curva quase sinusoidal. A variação da amplitude das soluções periódicas traduz-se numa variação directamente proporcional na extensão do movimento do robô. A velocidade da locomoção do robô varia com a frequência das soluções periódicas, que são identificadas com passos locomotores quadrúpedes.

Robôs quadrúpedes: geração de trajectórias em tempo real usando sistemas dinâmicos não-lineares

A geração de trajectórias de robôs em tempo real é uma tarefa muito complexa, não existindo ainda um algoritmo que a permita resolver de forma eficaz. De facto, há controladores eficientes para trajectórias previamente definidas, todavia, a adaptação a variações imprevisíveis, como sendo terrenos irregulares ou obstáculos, constitui ainda um problema em aberto na geração de trajectórias em tempo real de robôs. Neste trabalho apresentam-se modelos de geradores centrais de padrões de locomoção (CPGs), inspirados na biologia, que geram os ritmos locomotores num robô quadrúpede. Os CPGs são modelados matematicamente por sistemas acoplados de células (ou neurónios), sendo a dinâmica de cada célula dada por um sistema de equações diferenciais ordinárias não lineares. Assume-se que as trajectórias dos robôs são constituídas por esta parte rítmica e por uma parte discreta. A parte discreta pode ser embebida na parte rítmica, (a.1) como um offset ou (a.2) adicionada às expressões rítmicas, ou (b) pode ser calculada independentemente e adicionada exactamente antes do envio dos sinais para as articulações do robô. A parte discreta permite inserir no passo locomotor uma perturbação, que poderá estar associada à locomoção em terrenos irregulares ou à existência de obstáculos na trajectória do robô. Para se proceder á análise do sistema com parte discreta, será variado o parâmetro g. O parâmetro g, presente nas equações da parte discreta, representa o offset do sinal após a inclusão da parte discreta. Revê-se a teoria de bifurcação e simetria que permite a classificação das soluções periódicas produzidas pelos modelos de CPGs com passos locomotores quadrúpedes. Nas simulações numéricas, usam-se as equações de Morris-Lecar e o oscilador de Hopf como modelos da dinâmica interna de cada célula para a parte rítmica. A parte discreta é modelada por um sistema inspirado no modelo VITE. Medem-se a amplitude e a frequência de dois passos locomotores para variação do parâmetro g, no intervalo [-5;5]. Consideram-se duas formas distintas de incluir a parte discreta na parte rítmica: (a) como um (a.1) offset ou (a.2) somada nas expressões que modelam a parte rítmica, e (b) somada ao sinal da parte rítmica antes de ser enviado às articulações do robô. No caso (a.1), considerando o oscilador de Hopf como dinâmica interna das células, verifica-se que a amplitude e frequência se mantêm constantes para -50.2. A extensão do movimento varia de forma directamente proporcional à amplitude. No caso das equações de Morris-Lecar, quando a componente discreta é embebida (a.2), a amplitude e a frequência aumentam e depois diminuem para - 0.170.5 Pode concluir-se que: (1) a melhor forma de inserção da parte discreta que menos perturbação insere no robô é a inserção como offset; (2) a inserção da parte discreta parece ser independente do sistema de equações diferenciais ordinárias que modelam a dinâmica interna de cada célula. Como trabalho futuro, é importante prosseguir o estudo das diferentes formas de inserção da parte discreta na parte rítmica do movimento, para que se possa gerar uma locomoção quadrúpede, robusta, flexível, com objectivos, em terrenos irregulares, modelada por correcções discretas aos padrões rítmicos.

Dynamics and orchestral effects in late Eighteenth-Century portuguese organ music: the works of José Marques e Silva (1782-1837) and the organs of António Xavier Machado e Cerveira (1756-1828)

A maioria dos órgãos históricos portugueses data dos finais do século XVIII ou do princípio do século XIX. Durante este período foi construído um invulgar número de instrumentos em Lisboa e nas áreas circundantes por António Xavier Machado e Cerveira (1756-1828) e outros organeiros menos prolíficos. O estudo desses órgãos, muitos dos quais (restaurados ou não) se encontram próximos das condições originais, permite a identificação de um tipo de instrumento com uma morfologia específica, claramente emancipada do chamado «órgão ibérico». No entanto, até muito recentemente, não era conhecida música que se adaptasse às idiossincrasisas daqueles instrumentos. O recente estudo das obras para órgão de José Marques e Silva (1782-1837) permitiu clarificar esta situação. Bem conhecido durante a sua vida como organista e compositor, José Marques e Silva foi um dos ultimos mestres do Seminário Patriarcal. A importância da sua produção musical reside não só num substancial número de obras com autoria firmemente estabelecida – escritas, na maior parte, para coro misto com acompanhamento de órgão obbligato – mas também na íntima relação entre a sua escrita e a morfologia dos órgãos construídos em Portugal durante a sua vida. Este artigo enfatiza a importância de José Marques e Silva (indubitavelmente, o mais significativo compositor português para órgão do seu tempo) sublinhando a relevância das suas obras para órgão solo, cujo uso extensivo de escrita idiomática e indicações de registação fazem delas um dos mais importantes documentos só início do século XIX sobre a prática organística em Portugal.