Demographic studies of extrasolar planets

Uncovering the demographics of extrasolar planets is crucial to understanding the processes of their formation and evolution. In this thesis, we present four studies that contribute to this end, three of which relate to NASA's Kepler mission, which has revolutionized the field of exoplanets in the last few years.

In the pre-Kepler study, we investigate a sample of exoplanet spin-orbit measurements---measurements of the inclination of a planet's orbit relative to the spin axis of its host star---to determine whether a dominant planet migration channel can be identified, and at what confidence. Applying methods of Bayesian model comparison to distinguish between the predictions of several different migration models, we find that the data strongly favor a two-mode migration scenario combining planet-planet scattering and disk migration over a single-mode Kozai migration scenario. While we test only the predictions of particular Kozai and scattering migration models in this work, these methods may be used to test the predictions of any other spin-orbit misaligning mechanism.

We then present two studies addressing astrophysical false positives in Kepler data. The Kepler mission has identified thousands of transiting planet candidates, and only relatively few have yet been dynamically confirmed as bona fide planets, with only a handful more even conceivably amenable to future dynamical confirmation. As a result, the ability to draw detailed conclusions about the diversity of exoplanet systems from Kepler detections relies critically on understanding the probability that any individual candidate might be a false positive. We show that a typical a priori false positive probability for a well-vetted Kepler candidate is only about 5-10%, enabling confidence in demographic studies that treat candidates as true planets. We also present a detailed procedure that can be used to securely and efficiently validate any individual transit candidate using detailed information of the signal's shape as well as follow-up observations, if available.

Finally, we calculate an empirical, non-parametric estimate of the shape of the radius distribution of small planets with periods less than 90 days orbiting cool (less than 4000K) dwarf stars in the Kepler catalog. This effort reveals several notable features of the distribution, in particular a maximum in the radius function around 1-1.25 Earth radii and a steep drop-off in the distribution larger than 2 Earth radii. Even more importantly, the methods presented in this work can be applied to a broader subsample of Kepler targets to understand how the radius function of planets changes across different types of host stars.

Neural network design for switching network control

A neural network is a highly interconnected set of simple processors. The many connections allow information to travel rapidly through the network, and due to their simplicity, many processors in one network are feasible. Together these properties imply that we can build efficient massively parallel machines using neural networks. The primary problem is how do we specify the interconnections in a neural network. The various approaches developed so far such as outer product, learning algorithm, or energy function suffer from the following deficiencies: long training/ specification times; not guaranteed to work on all inputs; requires full connectivity.

Alternatively we discuss methods of using the topology and constraints of the problems themselves to design the topology and connections of the neural solution. We define several useful circuits-generalizations of the Winner-Take-All circuitthat allows us to incorporate constraints using feedback in a controlled manner. These circuits are proven to be stable, and to only converge on valid states. We use the Hopfield electronic model since this is close to an actual implementation. We also discuss methods for incorporating these circuits into larger systems, neural and nonneural. By exploiting regularities in our definition, we can construct efficient networks. To demonstrate the methods, we look to three problems from communications. We first discuss two applications to problems from circuit switching; finding routes in large multistage switches, and the call rearrangement problem. These show both, how we can use many neurons to build massively parallel machines, and how the Winner-Take-All circuits can simplify our designs.

Next we develop a solution to the contention arbitration problem of high-speed packet switches. We define a useful class of switching networks and then design a neural network to solve the contention arbitration problem for this class. Various aspects of the neural network/switch system are analyzed to measure the queueing performance of this method. Using the basic design, a feasible architecture for a large (1024-input) ATM packet switch is presented. Using the massive parallelism of neural networks, we can consider algorithms that were previously computationally unattainable. These now viable algorithms lead us to new perspectives on switch design.

Binding Site Structure and Stoichiometry in Serotonin Type 3 Receptors

This dissertation primarily describes studies of serotonin type 3 (5-HT₃) receptors of the Cys-loop super-family of ligand gated ion channels. The first chapter provides a general introduction to these important proteins and the methods used to interrogate their structure and function. The second chapter details the delineation of a structural unit of the ligand binding site of homomeric 5-HT₃A receptors on which the ligands serotonin (5-HT) and m-chlorophenyl biguanide (mCPBG) are reliant for effective receptor activation. Unnatural amino acid mutagenesis results show that the details of each ligand’s interaction with this organizing feature of the binding site differ, providing insights into general principles of receptor activation.

The third chapter describes a study in which florescent protein fusions of the A and B subunits of the heteromeric 5-HT₃AB receptor are employed to determine the subunit stoichiometry and order within functional receptors. Strong evidence is found for an A₃B₂ stoichiometry with A-A-B-A-B order. The fourth chapter investigates the potential for ligand binding across heteromeric binding sites in the 5-HT₃AB receptor. Unlike serotonin, mCPBG is found to bind the receptor at heteromeric binding sites. Further mCPBG is capable of allosterically modulating the response of serotonin on the 5-HT₃AB receptor from these heteromeric sites.

Finally, the fifth chapter describes progress towards the application of unnatural amino acid mutagenesis to an important new class of proteins, transcription factors. Experiments optimizing novel methods for the detection of function are described, using RARα of the nuclear receptor family of transcription factors.

Computationally Guided Monomerization of Red Fluorescent Proteins of the Class Anthozoa

Red fluorescent proteins (RFPs) have attracted significant engineering focus because of the promise of near infrared fluorescent proteins, whose light penetrates biological tissue, and which would allow imaging inside of vertebrate animals. The RFP landscape, which numbers ~200 members, is mostly populated by engineered variants of four native RFPs, leaving the vast majority of native RFP biodiversity untouched. This is largely due to the fact that native RFPs are obligate tetramers, limiting their usefulness as fusion proteins. Monomerization has imposed critical costs on these evolved tetramers, however, as it has invariably led to loss of brightness, and often to many other adverse effects on the fluorescent properties of the derived monomeric variants. Here we have attempted to understand why monomerization has taken such a large toll on Anthozoa class RFPs, and to outline a clear strategy for their monomerization. We begin with a structural study of the far-red fluorescence of AQ143, one of the furthest red emitting RFPs. We then try to separate the problem of stable and bright fluorescence from the design of a soluble monomeric β-barrel surface by engineering a hybrid protein (DsRmCh) with an oligomeric parent that had been previously monomerized, DsRed, and a pre-stabilized monomeric core from mCherry. This allows us to use computational design to successfully design a stable, soluble, fluorescent monomer. Next we took HcRed, which is a previously unmonomerized RFP that has far-red fluorescence (λemission = 633 nm) and attempted to monomerize it making use of lessons learned from DsRmCh. We engineered two monomeric proteins by pre-stabilizing HcRed’s core, then monomerizing in stages, making use of computational design and directed evolution techniques such as error-prone mutagenesis and DNA shuffling. We call these proteins mGinger0.1 (λem = 637 nm / Φ = 0.02) and mGinger0.2 (λem = 631 nm Φ = 0.04). They are the furthest red first generation monomeric RFPs ever developed, are significantly thermostabilized, and add diversity to a small field of far-red monomeric FPs. We anticipate that the techniques we describe will be facilitate future RFP monomerization, and that further core optimization of the mGingers may allow significant improvements in brightness.

Controles da produção primária em um Córrego de Mata Atlântica

Esta dissertação consiste de dois capítulos, cada um correspondendo a um estudo realizado de modo independente. Em um córrego de Mata Atlântica, Rio de Janeiro, Brasil, foram estudados efeitos de herbívoros e de controles ambientais no perifíton. No primeiro trabalho foram testados os efeitos do camarão Potimirim glabra, um engenheiro do ecossistema, nos parâmetros metabólicos de comunidades perifíticas (Produção, Respiração, Metabolismo Líquido da Comunidade e razão Produção:Respiração). O tratamento de inclusão de Potimirim produziu resultados inversos aos esperados, com aumento da clorofila e massa seca das comunidades perifíticas, levantando dúvida com relação à eficácia dos tratamentos. Nenhuma das variáveis metabólicas esteve relacionada aos tratamentos. Considera-se que efeitos artefato da gaiola utilizada na inclusão dos camarões podem ter prejudicado o efeito esperado de remoção de material pelos camarões. Os resultados podem indicar, entretanto, que para o efeito de herbívoros os parâmetros clorofila e massa seca sejam mais sensíveis e variáveis que os metabólicos para as comunidades estudadas. São recomendados futuros trabalhos com metodologias que reduzam os efeitos artefato, tais como exclusão de herbívoros com cercas elétricas. No segundo trabalho, foram estudados os estoques, a distribuição e os controles da biomassa perifítica para o córrego. Entre os substratos estudados, a areia apresentou os maiores estoques, com 5 vezes mais clorofila e 20 vezes mais massa seca que os substratos pedra e folha. Diferenças entre trechos com diferentes densidades do camarão herbívoro Potimirim glabra revelaram para o substrato pedra menores valores de massa seca para os locais onde o camarão é mais numeroso. Entre as variáveis ambientais, apenas a profundidade esteve relacionada aos dados de biomassa nos substratos pedra e areia. A comparação dos dados deste estudo com trabalhos anteriores pode indicar que distúrbios provocados por enchentes podem alterar os estoques e os padrões de distribuição para este córrego.

Optomechanical Inertial Sensors and Feedback Cooling

The optomechanical interaction is an extremely powerful tool with which to measure mechanical motion. The displacement resolution of chip-scale optomechanical systems has been measured on the order of 1⁄10th of a proton radius. So strong is this optomechanical interaction that it has recently been used to remove almost all thermal noise from a mechanical resonator and observe its quantum ground-state of motion starting from cryogenic temperatures.

In this work, chapter 1 describes the basic physics of the canonical optomechanical system, optical measurement techniques, and how the optomechanical interaction affects the coupled mechanical resonator. In chapter 2, we describe our techniques for realizing this canonical optomechanical system in a chip-scale form factor.

In chapter 3, we describe an experiment where we used radiation pressure feedback to cool a mesoscopic mechanical resonator near its quantum ground-state from room-temperature. We cooled the resonator from a room temperature phonon occupation of <n> = 6.5 million to an occupation of <n> = 66, which means the resonator is in its ground state approximately 2% of the time, while being coupled to a room-temperature thermal environment. At the time of this work, this is the closest a mesoscopic mechanical resonator has been to its ground-state of motion at room temperature, and this work begins to open the door to room-temperature quantum control of mechanical objects.

Chapter 4 begins with the realization that the displacement resolutions achieved by optomechanical systems can surpass those of conventional MEMS sensors by an order of magnitude or more. This provides the motivation to develop and calibrate an optomechanical accelerometer with a resolution of approximately 10 micro-g/rt-Hz over a bandwidth of approximately 30 kHz. In chapter 5, we improve upon the performance and practicality of this sensor by greatly increasing the test mass size, investigating and reducing low-frequency noise, and incorporating more robust optical coupling techniques and capacitive wavelength tuning. Finally, in chapter 6 we present our progress towards developing another optomechanical inertial sensor - a gyroscope.

Rydberg states of diatomic and polyatomic molecules using model potentials

A simple model potential is used to calculate Rydberg series for the molecules: nitrogen, oxygen, nitric oxide, carbon monoxide, carbon dioxide, nitrogen dioxide, nitrous oxide, acetylene, formaldehyde, formic acid, diazomethane, ketene, ethylene, allene, acetaldehyde, propyne, acrolein, dimethyl ether, 1, 3-butadiene, 2-butene, and benzene. The model potential for a molecule is taken as the sum of atomic potentials, which are calibrated to atomic data and contain no further parameters. Our results agree with experimentally measured values to within 5-10% in all cases. The results of these calculations are applied to many unresolved problems connected with the above molecules. Some of the more notable of these problems are the reassignment of states in carbon monoxide, the first ionization potential of nitrogen dioxide, the interpretation of the V state in ethylene, and the mystery bands in substituted ethylenes, the identification of the R and R’ series in benzene and the determination of the orbital scheme in benzene from electron impact data.

Variação temporal de uma comunidade fitoplanctônica do reservatório de APM-Manso através de modelagem ecológica tridimensional.

A ecologia de reservatórios, que são ecossistemas complexos, dinâmicos e artificiais, vem assumindo destaque no Brasil. O objetivo deste trabalho foi avaliar a viabilidade da aplicação, no reservatório de APM-Manso, de um modelo ecológico tridimensional em estudos sobre a dinâmica fitoplanctônica, simulando a variação temporal do fitoplâncton para cenários distintos de carga de nutrientes. O modelo CAEDYM foi acoplado ao ELCOM e simulação foi realizada em duas etapas: uma hidrodinâmica e outra ecológica. Escolheu-se para as simulações o período de cinco meses, a partir de 1 de setembro de 2005. Foram construídos dois cenários de simulação, o primeiro contendo os valores reais de carga de nutrientes dos principais rios contribuintes medidos em campo, e o segundo com redução na carga nutricional destes rios, simulando um possível processo de substituição de áreas florestadas por áreas de pastagem na bacia do rio Manso. A comunidade fitoplanctônica simulada apresentou rápidas respostas à disponibilidade nutricional do ambiente, e os resultados obtidos corroboraram com diversas teorias sobre as estratégias adaptativas e sobre as dinâmicas algais. Dentre as classes simuladas, Bacillariophyceae e Cryptophyceae se mostraram mais sensíveis às reduções de carga, enquanto Chrolophyceae e Cyanophyceae, apesar de terem suas biomassas reduzidas, sofreram menos com o impacto, sugerindo estarem mais adaptadas à limitação de nutrientes. Os picos chuvosos influenciaram positivamente as taxas de crescimento das Bacillariophyceae apenas no Cenário 1, uma vez que a limitação por nutrientes foi mais decisiva para esta classe no Cenário 2. Observou-se em ambas as simulações uma tendência de substituição na dominância de Cyanophyceae por Chlorophyceae.

Avaliação da defesa química e da influência dos corais invasores Tubastraea coccinea e Tubastraea tagusensis na estruturação das comunidades bentônicas da Baía da Ilha Grande RJ

A introdução de espécies invasoras marinhas tem causado danos econômicos e ecológicos consideráveis em todo o mundo. Algumas destas espécies incluindo corais escleractíneos possuem adaptações, tais como metabólitos secundários utilizados para evitar a predação e competição por espaço por outros organismos. Este arsenal químico e as interações entre espécies invasoras e nativas podem causar alterações na distribuição das espécies e na estrutura das comunidades de costões rochosos tropicais. Os objetivos deste estudo foram (1) caracterizar os metabólitos secundários produzidos pelos corais invasores Tubastraea tagusensis e T. coccinea na Baía da Ilha Grande, Brasil, (2) detectar os compostos químicos liberados pelos tecidos de Tubastraea tagusensis in situ utilizando um aparelho submersível; (3) testar no campo os extratos metanólicos produzidos por ambas as espécies de Tubastraea contra a predação por peixes generalistas e assentamento de outros organismos, (4) testar no campo se os compostos químicos produzidos por ambos os corais invasores variaram na concentração ou tipo quando os corais foram colocados próximos de competidores nativos e (5) determinar como as comunidades de costões rochosos da Baía da Ilha Grande foram afetadas pela expansão de Tubastraea coccinea e T. tagusensis em 8 locais estudados durante 2 anos. As principais classes de substâncias encontradas nos extratos metanólicos de Tubastraea foram identificados como esteróis, ácidos graxos, hidrocarbonetos, alcalóides, ésteres e alcoóis, entretanto, o aparelho submersível identificou somente hidrocarbonetos liberados por Tubastraea na água do mar. O extrato metanólico de T. tagusensis reduziu a predação por peixes generalistas e já os extratos de ambas as espécies mostraram efeitos espécie-específicos sobre organismos incrustantes no campo. No experimento de interação competitiva foi detectada a presença de necrose nos tecidos do coral endêmico Mussismilia hispida e isso provocou variação nas concentrações de esteróis, alcalóides e ácidos graxos nos tecidos de Tubastraea. Em contraste, a esponja Desmapsamma anchorata cresceu sobre os tecidos das colônias de ambos os corais invasores. A presença de Tubastraea nas comunidades bentônicas causou uma dissimilaridade média de 4,8% nas comunidades invadidas. Uma forte relação positiva foi encontrada entre a cobertura de Tubastraea e a mudança na estrutura da comunidade da Baía da Ilha Grande. Portanto, os efeitos negativos de ambos os corais invasores são suficientes para acarretar mudanças na estrutura das comunidades bentônicas tropicais.

Análise da composição da dieta de seis espécies de peixes coexistentes em um reservatório tropical (Reservatório de Ribeirão das Lajes, Piraí-RJ)

O presente estudo analisou o conteúdo digestório de 221 indivíduos de seis espécies de peixes, do reservatório de Ribeirão das Lajes (Piraí-RJ), sendo 44 exemplares da espécie Loricariichthys castaneus, 56 de Parauchenipterus striatulus, 46 de Metynnis maculatus, 40 de Astyanax bimaculatus, 31 de Astyanax parahybae e 4 de Rhamdia quelen. O intuito foi o de estabelecer suas dietas, através do emprego do índice de importância alimentar (IAi), verificar a existência de diferenças na alimentação entre épocas seca e chuvosa e ainda as suas relações tróficas no ambiente aquático em questão. Não foram observadas grandes alterações da dieta das espécies estudadas entre épocas do ano. Foi evidenciada uma utilização de recursos alimentares semelhantes entre as espécies, que puderam ser divididas em dois grupos: um composto por espécies de hábitos onívoros com tendência a insetivoria e que empregaram recursos alóctones em suas dietas, formado por A. bimaculatus, A. parahybae e P. striatulus e outro contendo L. castaneus, R. quelen e M. maculatus que apresentaram uma maior amplitude de itens ingeridos, sendo muitos itens associados ao substrato e alguns a coluna dágua. Existiu uma sobreposição alimentar entre as espécies onívoras, todavia a ampla disponibilidade de recursos alimentares passíveis de serem explorados pelos peixes no reservatório faz com que esta sobreposição não se converta em possível competição por alimentos. Além disso, as espécies exploraram secundariamente itens alimentares diferenciados em suas dietas.

Modelagem de bioinvasão do coral-sol (Tubastraea coccinea e T. tagusensis):mecanismos da ocupação e dispersão e identificação de sua potencial distribuição geográfica

Os fatores que explicam a distribuição observada em plantas e animais é uma pergunta que intriga naturalistas, biogeógrafos e ecólogos há mais de um século. Ainda nos primórdios da disciplina de ecologia, as tolerâncias ambientais já haviam sido apontadas como as grandes responsáveis pelo padrão observado da distribuição dos seres vivos, o que mais tarde levou à concepção de nicho ecológico das espécies. Nos últimos anos, o estudo das distribuições dos organismos ganhou grande impulso e destaque na literatura. O motivo foi a maior disponibilidade de catálogos de presença de espécies, o desenvolvimento de bancos de variáveis ambientais de todo o planeta e de ferramentas computacionais capazes de projetar mapas de distribuição potencial de um dado organismo. Estes instrumentos, coletivamente chamados de Modelos de Distribuição de Espécies (MDEs) têm sido desde então amplamente utilizados em estudos de diferentes escopos. Um deles é a avaliação de potenciais áreas suscetíveis à invasão de organismos exóticos. Este estudo tem, portanto, o objetivo de compreender, através de MDEs, os fatores subjacentes à distribuição de duas espécies de corais escleractíneos invasores nativos do Oceano Pacífico e ambas invasoras bem sucedidas de diversas partes do Oceano Atlântico, destacadamente o litoral fluminense. Os resultados mostraram que os modelos preditivos da espécie Tubastraea coccinea (LESSON, 1829), cosmopolita amplamente difundida na sua região nativa pelo Indo- Pacífico demonstraram de maneira satisfatória suas áreas de distribuição nas áreas invadidas do Atlântico. Sua distribuição está basicamente associada a regiões com alta disponibilidade de calcita e baixa produtividade fitoplanctônica. Por outro lado, a aplicação de MDEs foi incapaz de predizer a distribuição de T. tagusensis (WELLS,1982) no Atlântico. Essta espécie, ao contrário de sua congênere, tem distribuição bastante restrita em sua região nativa, o arquipélago de Galápagos. Através de análises posteriores foi possível constatar a mudança no nicho observado durante o processo de invasão. Finalmente, o sucesso preditivo para T. coccinea e o fracasso dos modelos para T. tagusensis levantam importantes questões sobre quais os aspectos ecológicos das espécies são mais favoráveis à aplicação de MDEs. Adicionalmente, lança importantes ressalvas na utilização recentemente tão difundida destas ferramentas como forma de previsão de invasões biológicas e em estudos de efeitos de alterações climáticas sobre a distribuição das espécies.

Predação, eutrofização e respostas metabólicas em comunidades incrustantes de substratos artificiais na Baía da Ilha Grande, RJ

As comunidades marinhas são afetadas por diversos fatores, que dentro do contexto de estrutura trófica, podem ser divididos em forças bottom-up (forças ascendentes), como por exemplo, a disponibilidade de nutrientes, e forças top-down (forças descendentes), como por exemplo, a predação. Além de modificações na estrutura das comunidades e populações de organismos, essas forças podem influenciar a produção de metabólitos secundários pelos organismos. O presente trabalho teve como objetivo avaliar o efeito das perturbações ambientais geradas pelas manipulações separadas e interativas de exclusão de macropredadores e enriquecimento com nutrientes sobre a estrutura e sobre as respostas metabólicas de comunidades marinhas incrustantes de substratos artificiais no costão rochoso de Biscaia, Baía da Ilha Grande, RJ. O desenho experimental utilizou blocos de concreto como substrato artificial, os quais foram espalhados aleatoriamente na região de infralitoral do costão rochoso. O experimento compreendeu o uso de blocos Controle (ausência de manipulação) e quatro tratamentos, todos com cinco réplicas cada. Os tratamentos foram: tratamento Exclusão de predação (gaiola contra a ação de macropredadores), tratamento Nutriente (sacos de fertilizante de liberação lenta), tratamento Nutriente + exclusão de predação (gaiola contra ação de macropredadores e sacos de fertilizante de liberação lenta) e o tratamento Controle de artefatos (gaiola semifechada para avaliar geração de artefatos). Uma área de 15 x 15 cm do bloco foi monitorada a cada 20 dias, totalizando dez medições. Foram utilizados métodos de monitoramento visual e digital de porcentagem de cobertura por espécie. O enriquecimento com nutrientes foi avaliado através de medições da concentração dos nutrientes Ortofosfato, Nitrato, Nitrito e Amônio na água do entorno do bloco. Para analisar os possíveis artefatos foi realizado experimento de fluxo de água (método Clod card) e a luminosidade dentro das gaiolas foi medida. Os dados demonstraram modificações na estrutura das comunidades bentônicas incrustantes dos substratos artificiais devido às manipulações realizadas, ou seja, pelo enriquecimento com nutrientes, pela exclusão de predação e pela interação entre os dois fatores (Nutriente + exclusão de predação). Além disso, diferenças metabólicas foram detectadas nas substâncias extraídas dos organismos dos diferentes tratamentos do experimento. Esses resultados indicam a existência de controle top-down e bottom-up sobre a comunidade bentônica do local.