Singularities in DROMO formulation. Analysis of deep flybys

The singularities in Dromo are characterized in this paper, both from an analytical and a numerical perspective. When the angular momentum vanishes, Dromo may encounter a singularity in the evolution equations. The cancellation of the angular momentum occurs in very speci?c situations and may be caused by the action of strong perturbations. The gravitational attraction of a perturbing planet may lead to rapid changes in the angular momentum of the particle. In practice, this situation may be encountered during deep planetocentric ?ybys. The performance of Dromo is evaluated in di?erent scenarios. First, Dromo is validated for integrating the orbit of Near Earth Asteroids. Resulting errors are of the order of the diameter of the asteroid. Second, a set of theoretical ?ybys are designed for analyzing the performance of the formulation in the vicinity of the singularity. New sets of Dromo variables are proposed in order to minimize the dependency of Dromo on the angular momentum. A slower time scale is introduced, leading to a more stable description of the ?yby phase. Improvements in the overall performance of the algorithm are observed when integrating orbits close to the singularity.

Complejidad Esencial: Un argumento por la complementariedad entre ciencia y sensibilidad = Essential Complexity: An argument for complementarity between science and sensibility

Esta investigación recoge un cúmulo de intereses en torno a un modo de generar arquitectura muy específico: La producción de objetos con una forma subyacente no apriorística. Los conocimientos expuestos se apoyan en condiciones del pensamiento reciente que impulsan la ilusión por alimentar la fuente creativa de la arquitectura con otros campos del saber. Los tiempos del conocimiento animista sensible y el conocimiento objetivo de carácter científico son correlativos en la historia pero casi nunca han sido sincrónicos. Representa asimismo un intento por aunar los dos tipos de conocimiento retomando la inercia que ya se presentía a comienzos del siglo XX. Se trata por tanto, de un ensayo sobre la posible anulación de la contraposición entre estos dos mundos para pasar a una complementariedad entre ambos en una sola visión conjunta compartida. Como meta final de esta investigación se presenta el desarrollo de un sistema crítico de análisis para los objetos arquitectónicos que permita una diferenciación entre aquellos que responden a los problemas de manera completa y sincera y aquellos otros que esconden, bajo una superficie consensuada, la falta de un método resolutivo de la complejidad en el presente creativo. La Investigación observa tres grupos de conocimiento diferenciados agrupados en sus capítulos correspondientes: El primer capítulo versa sobre el Impulso Creador. En él se define la necesidad de crear un marco para el individuo creador, aquel que independientemente de las fuerzas sociales del momento presiente que existe algo más allá que está sin resolver. Denominamos aquí “creador rebelde” a un tipo de personaje reconocible a lo largo de la Historia como aquel capaz de reconocer los cambios que ese operan en su presente y que utiliza para descubrir lo nuevo y acercarse algo al origen creativo. En el momento actual ese tipo de personaje es el que intuye o ya ha intuido hace tiempo la existencia de una complejidad creciente no obviable en el pensamiento de este tiempo. El segundo capítulo desarrolla algunas Propiedades de Sistemas de actuación creativa. En él se muestra una investigación que desarrolla un marco de conocimientos científicos muy específicos de nuestro tiempo que la arquitectura, de momento, no ha absorbido ni refleja de manera directa en su manera de crear. Son temas de presencia casi ya mundana en la sociedad pero que se resisten a ser incluidos en los procesos creativos como parte de la conciencia. La mayoría de ellos hablan de precisión, órdenes invisibles, propiedades de la materia o la energía tratados de manera objetiva y apolítica. La meta final supone el acercamiento e incorporación de estos conceptos y propiedades a nuestro mundo sensible unificándolos indisociablemente bajo un solo punto de vista. El último capítulo versa sobre la Complejidad y su capacidad de reducción a lo esencial. Aquí se muestran, a modo de conclusiones, la introducción de varios conceptos para el desarrollo de un sistema crítico hacia la arquitectura de nuestro tiempo. Entre ellos, el de Complejidad Esencial, definido como aquella de carácter inevitable a la hora de responder la arquitectura a los problemas y solicitaciones crecientes a los que se enfrenta en el presente. La Tesis mantiene la importancia de informar sobre la imposibilidad en el estado actual de las cosas de responder de manera sincera con soluciones de carácter simplista y la necesidad, por tanto, de soluciones necesarias de carácter complejo. En este sentido se define asimismo el concepto de Forma Subyacente como herramienta crítica para poder evaluar la respuesta de cada arquitectura y poder tener un sistema y visión crítica sobre lo que es un objeto consistente frente a la situación a la que se enfrenta. Dicha forma subyacente se define como aquella manera de entender conjuntamente y de manera sincrónica aquello que percibimos de manera sensible inseparable de las fuerzas ocultas, creativas, tecnológicas, materiales y energéticas que sustentan la definición y entendimiento de cualquier objeto construido. ABSTRACT This research includes a cluster of interests around a specific way to generate architecture: The production of objects without an a priori underlying form. The knowledge presented is based on current conditions of thought promoting the illusion to feed the creative source of architecture with other fields of knowledge. The sensible animist knowledge and objective scientific knowledge are correlative in history but have rarely been synchronous. This research is also an attempt to combine both types of knowledge to regain the inertia already sensed in the early twentieth century. It is therefore an essay on the annulment of the opposition between these two worlds to move towards complementarities of both in a single shared vision. The ultimate goal of this research is to present the development of a critical analysis system for architectural objects that allows differentiation between those who respond to the problems sincerely and those who hide under an agreed appearance, the lack of a method for solving the complexity of the creative present. The research observes three distinct groups of knowledge contained in their respective chapters: The first chapter deals with the Creative Impulse. In it is defined the need to create a framework for the creative individual who, regardless of the current social forces, forebodes that there is something hidden beyond which is still unresolved. We define the "rebel creator" as a kind of person existing throughout history who is able to recognize the changes operating in its present and use them to discover something new and get closer to the origin of creation. At present, this type of character is the one who intuits the existence of a non obviable increasing complexity in society and thought. The second chapter presents some systems, and their properties, for creative performance. It describes the development of a framework composed of current scientific knowledge that architecture has not yet absorbed or reflected directly in her procedures. These are issues of common presence in society but are still reluctant to be included in the creative processes even if they already belong to the collective consciousness. Most of them talk about accuracy, invisible orders, properties of matter and energy, always treated from an objective and apolitical perspective. The ultimate goal pursues the approach and incorporation of these concepts and properties to the sensible world, inextricably unifying all under a single point of view. The last chapter deals with complexity and the ability to reduce it to the essentials. Here we show, as a conclusion, the introduction of several concepts to develop a critical approach to analyzing the architecture of our time. Among them, the concept of Essential Complexity, defined as one that inevitably arises when architecture responds to the increasing stresses that faces today. The thesis maintains the importance of reporting, in the present state of things, the impossibility to respond openly with simplistic solutions and, therefore, the need for solutions to complex character. In this sense, the concept of Underlying Form is defined as a critical tool to evaluate the response of each architecture and possess a critical system to clarify what is an consistent object facing a certain situation. The underlying form is then defined as a way to synchronously understand what we perceive sensitively inseparable from the hidden forces of creative, technological, material and energetic character that support the definition and understanding of any constructed object.

Emotions and the Engineering of Adaptiveness in Complex Systems

A major challenge in the engineering of complex and critical systems is the management of change, both in the system and in its operational environment. Due to the growing of complexity in systems, new approaches on autonomy must be able to detect critical changes and avoid their progress towards undesirable states. We are searching for methods to build systems that can tune the adaptability protocols. New mechanisms that use system-wellness requirements to reduce the influence of the outer domain and transfer the control of uncertainly to the inner one. Under the view of cognitive systems, biological emotions suggests a strategy to configure value-based systems to use semantic self-representations of the state. A method inspired by emotion theories to causally connect to the inner domain of the system and its objectives of wellness, focusing on dynamically adapting the system to avoid the progress of critical states. This method shall endow the system with a transversal mechanism to monitor its inner processes, detecting critical states and managing its adaptivity in order to maintain the wellness goals. The paper describes the current vision produced by this work-in-progress.

Post-­‐occupancy monitoring of two flats in Madrid: development and assessment of a mixed methods methodology

Recent research has shown large differences between the expected and the actual energy consumption in buildings. The differences have been attributed partially, to the assumptions made during the design phase of buildings when simulation methods are employed. More accurate occupancy profiles on building operation could help to carry out more precise building performance calculations. This study focuses on the post-occupancy evaluation of two apartments, one renovated and one non renovated, in Madrid within the same building complex. The aim of this paper is to present an application of the mixed-methods methodology (Creswell, 2007) to assess thermal comfort and occupancy practices used in the case studies, and to discuss the shortcomings and opportunities associated with it. The mixed-methods methodology offers strategies for integrating qualitative and quantitative methods to investigate complex phenomena. This approach is expected to contribute to the growing knowledge of occupants’ behaviour and building performance by explaining the differences observed between energy consumption and thermal comfort in relation to people’s saving and comfort practices and the related experiences, preferences and values.

Parametric and structural self-adaptation of embedded systems using evolvable hardware

Los sistemas empotrados han sido concebidos tradicionalmente como sistemas de procesamiento específicos que realizan una tarea fija durante toda su vida útil. Para cumplir con requisitos estrictos de coste, tamaño y peso, el equipo de diseño debe optimizar su funcionamiento para condiciones muy específicas. Sin embargo, la demanda de mayor versatilidad, un funcionamiento más inteligente y, en definitiva, una mayor capacidad de procesamiento comenzaron a chocar con estas limitaciones, agravado por la incertidumbre asociada a entornos de operación cada vez más dinámicos donde comenzaban a ser desplegados progresivamente. Esto trajo como resultado una necesidad creciente de que los sistemas pudieran responder por si solos a eventos inesperados en tiempo diseño tales como: cambios en las características de los datos de entrada y el entorno del sistema en general; cambios en la propia plataforma de cómputo, por ejemplo debido a fallos o defectos de fabricación; y cambios en las propias especificaciones funcionales causados por unos objetivos del sistema dinámicos y cambiantes. Como consecuencia, la complejidad del sistema aumenta, pero a cambio se habilita progresivamente una capacidad de adaptación autónoma sin intervención humana a lo largo de la vida útil, permitiendo que tomen sus propias decisiones en tiempo de ejecución. Éstos sistemas se conocen, en general, como sistemas auto-adaptativos y tienen, entre otras características, las de auto-configuración, auto-optimización y auto-reparación. Típicamente, la parte soft de un sistema es mayoritariamente la única utilizada para proporcionar algunas capacidades de adaptación a un sistema. Sin embargo, la proporción rendimiento/potencia en dispositivos software como microprocesadores en muchas ocasiones no es adecuada para sistemas empotrados. En este escenario, el aumento resultante en la complejidad de las aplicaciones está siendo abordado parcialmente mediante un aumento en la complejidad de los dispositivos en forma de multi/many-cores; pero desafortunadamente, esto hace que el consumo de potencia también aumente. Además, la mejora en metodologías de diseño no ha sido acorde como para poder utilizar toda la capacidad de cómputo disponible proporcionada por los núcleos. Por todo ello, no se están satisfaciendo adecuadamente las demandas de cómputo que imponen las nuevas aplicaciones. La solución tradicional para mejorar la proporción rendimiento/potencia ha sido el cambio a unas especificaciones hardware, principalmente usando ASICs. Sin embargo, los costes de un ASIC son altamente prohibitivos excepto en algunos casos de producción en masa y además la naturaleza estática de su estructura complica la solución a las necesidades de adaptación. Los avances en tecnologías de fabricación han hecho que la FPGA, una vez lenta y pequeña, usada como glue logic en sistemas mayores, haya crecido hasta convertirse en un dispositivo de cómputo reconfigurable de gran potencia, con una cantidad enorme de recursos lógicos computacionales y cores hardware empotrados de procesamiento de señal y de propósito general. Sus capacidades de reconfiguración han permitido combinar la flexibilidad propia del software con el rendimiento del procesamiento en hardware, lo que tiene la potencialidad de provocar un cambio de paradigma en arquitectura de computadores, pues el hardware no puede ya ser considerado más como estático. El motivo es que como en el caso de las FPGAs basadas en tecnología SRAM, la reconfiguración parcial dinámica (DPR, Dynamic Partial Reconfiguration) es posible. Esto significa que se puede modificar (reconfigurar) un subconjunto de los recursos computacionales en tiempo de ejecución mientras el resto permanecen activos. Además, este proceso de reconfiguración puede ser ejecutado internamente por el propio dispositivo. El avance tecnológico en dispositivos hardware reconfigurables se encuentra recogido bajo el campo conocido como Computación Reconfigurable (RC, Reconfigurable Computing). Uno de los campos de aplicación más exóticos y menos convencionales que ha posibilitado la computación reconfigurable es el conocido como Hardware Evolutivo (EHW, Evolvable Hardware), en el cual se encuentra enmarcada esta tesis. La idea principal del concepto consiste en convertir hardware que es adaptable a través de reconfiguración en una entidad evolutiva sujeta a las fuerzas de un proceso evolutivo inspirado en el de las especies biológicas naturales, que guía la dirección del cambio. Es una aplicación más del campo de la Computación Evolutiva (EC, Evolutionary Computation), que comprende una serie de algoritmos de optimización global conocidos como Algoritmos Evolutivos (EA, Evolutionary Algorithms), y que son considerados como algoritmos universales de resolución de problemas. En analogía al proceso biológico de la evolución, en el hardware evolutivo el sujeto de la evolución es una población de circuitos que intenta adaptarse a su entorno mediante una adecuación progresiva generación tras generación. Los individuos pasan a ser configuraciones de circuitos en forma de bitstreams caracterizados por descripciones de circuitos reconfigurables. Seleccionando aquellos que se comportan mejor, es decir, que tienen una mejor adecuación (o fitness) después de ser evaluados, y usándolos como padres de la siguiente generación, el algoritmo evolutivo crea una nueva población hija usando operadores genéticos como la mutación y la recombinación. Según se van sucediendo generaciones, se espera que la población en conjunto se aproxime a la solución óptima al problema de encontrar una configuración del circuito adecuada que satisfaga las especificaciones. El estado de la tecnología de reconfiguración después de que la familia de FPGAs XC6200 de Xilinx fuera retirada y reemplazada por las familias Virtex a finales de los 90, supuso un gran obstáculo para el avance en hardware evolutivo; formatos de bitstream cerrados (no conocidos públicamente); dependencia de herramientas del fabricante con soporte limitado de DPR; una velocidad de reconfiguración lenta; y el hecho de que modificaciones aleatorias del bitstream pudieran resultar peligrosas para la integridad del dispositivo, son algunas de estas razones. Sin embargo, una propuesta a principios de los años 2000 permitió mantener la investigación en el campo mientras la tecnología de DPR continuaba madurando, el Circuito Virtual Reconfigurable (VRC, Virtual Reconfigurable Circuit). En esencia, un VRC en una FPGA es una capa virtual que actúa como un circuito reconfigurable de aplicación específica sobre la estructura nativa de la FPGA que reduce la complejidad del proceso reconfiguración y aumenta su velocidad (comparada con la reconfiguración nativa). Es un array de nodos computacionales especificados usando descripciones HDL estándar que define recursos reconfigurables ad-hoc: multiplexores de rutado y un conjunto de elementos de procesamiento configurables, cada uno de los cuales tiene implementadas todas las funciones requeridas, que pueden seleccionarse a través de multiplexores tal y como ocurre en una ALU de un microprocesador. Un registro grande actúa como memoria de configuración, por lo que la reconfiguración del VRC es muy rápida ya que tan sólo implica la escritura de este registro, el cual controla las señales de selección del conjunto de multiplexores. Sin embargo, esta capa virtual provoca: un incremento de área debido a la implementación simultánea de cada función en cada nodo del array más los multiplexores y un aumento del retardo debido a los multiplexores, reduciendo la frecuencia de funcionamiento máxima. La naturaleza del hardware evolutivo, capaz de optimizar su propio comportamiento computacional, le convierten en un buen candidato para avanzar en la investigación sobre sistemas auto-adaptativos. Combinar un sustrato de cómputo auto-reconfigurable capaz de ser modificado dinámicamente en tiempo de ejecución con un algoritmo empotrado que proporcione una dirección de cambio, puede ayudar a satisfacer los requisitos de adaptación autónoma de sistemas empotrados basados en FPGA. La propuesta principal de esta tesis está por tanto dirigida a contribuir a la auto-adaptación del hardware de procesamiento de sistemas empotrados basados en FPGA mediante hardware evolutivo. Esto se ha abordado considerando que el comportamiento computacional de un sistema puede ser modificado cambiando cualquiera de sus dos partes constitutivas: una estructura hard subyacente y un conjunto de parámetros soft. De esta distinción, se derivan dos lineas de trabajo. Por un lado, auto-adaptación paramétrica, y por otro auto-adaptación estructural. El objetivo perseguido en el caso de la auto-adaptación paramétrica es la implementación de técnicas de optimización evolutiva complejas en sistemas empotrados con recursos limitados para la adaptación paramétrica online de circuitos de procesamiento de señal. La aplicación seleccionada como prueba de concepto es la optimización para tipos muy específicos de imágenes de los coeficientes de los filtros de transformadas wavelet discretas (DWT, DiscreteWavelet Transform), orientada a la compresión de imágenes. Por tanto, el objetivo requerido de la evolución es una compresión adaptativa y más eficiente comparada con los procedimientos estándar. El principal reto radica en reducir la necesidad de recursos de supercomputación para el proceso de optimización propuesto en trabajos previos, de modo que se adecúe para la ejecución en sistemas empotrados. En cuanto a la auto-adaptación estructural, el objetivo de la tesis es la implementación de circuitos auto-adaptativos en sistemas evolutivos basados en FPGA mediante un uso eficiente de sus capacidades de reconfiguración nativas. En este caso, la prueba de concepto es la evolución de tareas de procesamiento de imagen tales como el filtrado de tipos desconocidos y cambiantes de ruido y la detección de bordes en la imagen. En general, el objetivo es la evolución en tiempo de ejecución de tareas de procesamiento de imagen desconocidas en tiempo de diseño (dentro de un cierto grado de complejidad). En este caso, el objetivo de la propuesta es la incorporación de DPR en EHW para evolucionar la arquitectura de un array sistólico adaptable mediante reconfiguración cuya capacidad de evolución no había sido estudiada previamente. Para conseguir los dos objetivos mencionados, esta tesis propone originalmente una plataforma evolutiva que integra un motor de adaptación (AE, Adaptation Engine), un motor de reconfiguración (RE, Reconfiguration Engine) y un motor computacional (CE, Computing Engine) adaptable. El el caso de adaptación paramétrica, la plataforma propuesta está caracterizada por: • un CE caracterizado por un núcleo de procesamiento hardware de DWT adaptable mediante registros reconfigurables que contienen los coeficientes de los filtros wavelet • un algoritmo evolutivo como AE que busca filtros wavelet candidatos a través de un proceso de optimización paramétrica desarrollado específicamente para sistemas caracterizados por recursos de procesamiento limitados • un nuevo operador de mutación simplificado para el algoritmo evolutivo utilizado, que junto con un mecanismo de evaluación rápida de filtros wavelet candidatos derivado de la literatura actual, asegura la viabilidad de la búsqueda evolutiva asociada a la adaptación de wavelets. En el caso de adaptación estructural, la plataforma propuesta toma la forma de: • un CE basado en una plantilla de array sistólico reconfigurable de 2 dimensiones compuesto de nodos de procesamiento reconfigurables • un algoritmo evolutivo como AE que busca configuraciones candidatas del array usando un conjunto de funcionalidades de procesamiento para los nodos disponible en una biblioteca accesible en tiempo de ejecución • un RE hardware que explota la capacidad de reconfiguración nativa de las FPGAs haciendo un uso eficiente de los recursos reconfigurables del dispositivo para cambiar el comportamiento del CE en tiempo de ejecución • una biblioteca de elementos de procesamiento reconfigurables caracterizada por bitstreams parciales independientes de la posición, usados como el conjunto de configuraciones disponibles para los nodos de procesamiento del array Las contribuciones principales de esta tesis se pueden resumir en la siguiente lista: • Una plataforma evolutiva basada en FPGA para la auto-adaptación paramétrica y estructural de sistemas empotrados compuesta por un motor computacional (CE), un motor de adaptación (AE) evolutivo y un motor de reconfiguración (RE). Esta plataforma se ha desarrollado y particularizado para los casos de auto-adaptación paramétrica y estructural. • En cuanto a la auto-adaptación paramétrica, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante registros que permite la adaptación paramétrica de los coeficientes de una implementación hardware adaptativa de un núcleo de DWT. – Un motor de adaptación basado en un algoritmo evolutivo desarrollado específicamente para optimización numérica, aplicada a los coeficientes de filtros wavelet en sistemas empotrados con recursos limitados. – Un núcleo IP de DWT auto-adaptativo en tiempo de ejecución para sistemas empotrados que permite la optimización online del rendimiento de la transformada para compresión de imágenes en entornos específicos de despliegue, caracterizados por tipos diferentes de señal de entrada. – Un modelo software y una implementación hardware de una herramienta para la construcción evolutiva automática de transformadas wavelet específicas. • Por último, en cuanto a la auto-adaptación estructural, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante reconfiguración nativa de FPGAs caracterizado por una plantilla de array sistólico en dos dimensiones de nodos de procesamiento reconfigurables. Es posible mapear diferentes tareas de cómputo en el array usando una biblioteca de elementos sencillos de procesamiento reconfigurables. – Definición de una biblioteca de elementos de procesamiento apropiada para la síntesis autónoma en tiempo de ejecución de diferentes tareas de procesamiento de imagen. – Incorporación eficiente de la reconfiguración parcial dinámica (DPR) en sistemas de hardware evolutivo, superando los principales inconvenientes de propuestas previas como los circuitos reconfigurables virtuales (VRCs). En este trabajo también se comparan originalmente los detalles de implementación de ambas propuestas. – Una plataforma tolerante a fallos, auto-curativa, que permite la recuperación funcional online en entornos peligrosos. La plataforma ha sido caracterizada desde una perspectiva de tolerancia a fallos: se proponen modelos de fallo a nivel de CLB y de elemento de procesamiento, y usando el motor de reconfiguración, se hace un análisis sistemático de fallos para un fallo en cada elemento de procesamiento y para dos fallos acumulados. – Una plataforma con calidad de filtrado dinámica que permite la adaptación online a tipos de ruido diferentes y diferentes comportamientos computacionales teniendo en cuenta los recursos de procesamiento disponibles. Por un lado, se evolucionan filtros con comportamientos no destructivos, que permiten esquemas de filtrado en cascada escalables; y por otro, también se evolucionan filtros escalables teniendo en cuenta requisitos computacionales de filtrado cambiantes dinámicamente. Este documento está organizado en cuatro partes y nueve capítulos. La primera parte contiene el capítulo 1, una introducción y motivación sobre este trabajo de tesis. A continuación, el marco de referencia en el que se enmarca esta tesis se analiza en la segunda parte: el capítulo 2 contiene una introducción a los conceptos de auto-adaptación y computación autonómica (autonomic computing) como un campo de investigación más general que el muy específico de este trabajo; el capítulo 3 introduce la computación evolutiva como la técnica para dirigir la adaptación; el capítulo 4 analiza las plataformas de computación reconfigurables como la tecnología para albergar hardware auto-adaptativo; y finalmente, el capítulo 5 define, clasifica y hace un sondeo del campo del hardware evolutivo. Seguidamente, la tercera parte de este trabajo contiene la propuesta, desarrollo y resultados obtenidos: mientras que el capítulo 6 contiene una declaración de los objetivos de la tesis y la descripción de la propuesta en su conjunto, los capítulos 7 y 8 abordan la auto-adaptación paramétrica y estructural, respectivamente. Finalmente, el capítulo 9 de la parte 4 concluye el trabajo y describe caminos de investigación futuros. ABSTRACT Embedded systems have traditionally been conceived to be specific-purpose computers with one, fixed computational task for their whole lifetime. Stringent requirements in terms of cost, size and weight forced designers to highly optimise their operation for very specific conditions. However, demands for versatility, more intelligent behaviour and, in summary, an increased computing capability began to clash with these limitations, intensified by the uncertainty associated to the more dynamic operating environments where they were progressively being deployed. This brought as a result an increasing need for systems to respond by themselves to unexpected events at design time, such as: changes in input data characteristics and system environment in general; changes in the computing platform itself, e.g., due to faults and fabrication defects; and changes in functional specifications caused by dynamically changing system objectives. As a consequence, systems complexity is increasing, but in turn, autonomous lifetime adaptation without human intervention is being progressively enabled, allowing them to take their own decisions at run-time. This type of systems is known, in general, as selfadaptive, and are able, among others, of self-configuration, self-optimisation and self-repair. Traditionally, the soft part of a system has mostly been so far the only place to provide systems with some degree of adaptation capabilities. However, the performance to power ratios of software driven devices like microprocessors are not adequate for embedded systems in many situations. In this scenario, the resulting rise in applications complexity is being partly addressed by rising devices complexity in the form of multi and many core devices; but sadly, this keeps on increasing power consumption. Besides, design methodologies have not been improved accordingly to completely leverage the available computational power from all these cores. Altogether, these factors make that the computing demands new applications pose are not being wholly satisfied. The traditional solution to improve performance to power ratios has been the switch to hardware driven specifications, mainly using ASICs. However, their costs are highly prohibitive except for some mass production cases and besidesthe static nature of its structure complicates the solution to the adaptation needs. The advancements in fabrication technologies have made that the once slow, small FPGA used as glue logic in bigger systems, had grown to be a very powerful, reconfigurable computing device with a vast amount of computational logic resources and embedded, hardened signal and general purpose processing cores. Its reconfiguration capabilities have enabled software-like flexibility to be combined with hardware-like computing performance, which has the potential to cause a paradigm shift in computer architecture since hardware cannot be considered as static anymore. This is so, since, as is the case with SRAMbased FPGAs, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) is possible. This means that subsets of the FPGA computational resources can now be changed (reconfigured) at run-time while the rest remains active. Besides, this reconfiguration process can be triggered internally by the device itself. This technological boost in reconfigurable hardware devices is actually covered under the field known as Reconfigurable Computing. One of the most exotic fields of application that Reconfigurable Computing has enabled is the known as Evolvable Hardware (EHW), in which this dissertation is framed. The main idea behind the concept is turning hardware that is adaptable through reconfiguration into an evolvable entity subject to the forces of an evolutionary process, inspired by that of natural, biological species, that guides the direction of change. It is yet another application of the field of Evolutionary Computation (EC), which comprises a set of global optimisation algorithms known as Evolutionary Algorithms (EAs), considered as universal problem solvers. In analogy to the biological process of evolution, in EHW the subject of evolution is a population of circuits that tries to get adapted to its surrounding environment by progressively getting better fitted to it generation after generation. Individuals become circuit configurations representing bitstreams that feature reconfigurable circuit descriptions. By selecting those that behave better, i.e., with a higher fitness value after being evaluated, and using them as parents of the following generation, the EA creates a new offspring population by using so called genetic operators like mutation and recombination. As generations succeed one another, the whole population is expected to approach to the optimum solution to the problem of finding an adequate circuit configuration that fulfils system objectives. The state of reconfiguration technology after Xilinx XC6200 FPGA family was discontinued and replaced by Virtex families in the late 90s, was a major obstacle for advancements in EHW; closed (non publicly known) bitstream formats; dependence on manufacturer tools with highly limiting support of DPR; slow speed of reconfiguration; and random bitstream modifications being potentially hazardous for device integrity, are some of these reasons. However, a proposal in the first 2000s allowed to keep investigating in this field while DPR technology kept maturing, the Virtual Reconfigurable Circuit (VRC). In essence, a VRC in an FPGA is a virtual layer acting as an application specific reconfigurable circuit on top of an FPGA fabric that reduces the complexity of the reconfiguration process and increases its speed (compared to native reconfiguration). It is an array of computational nodes specified using standard HDL descriptions that define ad-hoc reconfigurable resources; routing multiplexers and a set of configurable processing elements, each one containing all the required functions, which are selectable through functionality multiplexers as in microprocessor ALUs. A large register acts as configuration memory, so VRC reconfiguration is very fast given it only involves writing this register, which drives the selection signals of the set of multiplexers. However, large overheads are introduced by this virtual layer; an area overhead due to the simultaneous implementation of every function in every node of the array plus the multiplexers, and a delay overhead due to the multiplexers, which also reduces maximum frequency of operation. The very nature of Evolvable Hardware, able to optimise its own computational behaviour, makes it a good candidate to advance research in self-adaptive systems. Combining a selfreconfigurable computing substrate able to be dynamically changed at run-time with an embedded algorithm that provides a direction for change, can help fulfilling requirements for autonomous lifetime adaptation of FPGA-based embedded systems. The main proposal of this thesis is hence directed to contribute to autonomous self-adaptation of the underlying computational hardware of FPGA-based embedded systems by means of Evolvable Hardware. This is tackled by considering that the computational behaviour of a system can be modified by changing any of its two constituent parts: an underlying hard structure and a set of soft parameters. Two main lines of work derive from this distinction. On one side, parametric self-adaptation and, on the other side, structural self-adaptation. The goal pursued in the case of parametric self-adaptation is the implementation of complex evolutionary optimisation techniques in resource constrained embedded systems for online parameter adaptation of signal processing circuits. The application selected as proof of concept is the optimisation of Discrete Wavelet Transforms (DWT) filters coefficients for very specific types of images, oriented to image compression. Hence, adaptive and improved compression efficiency, as compared to standard techniques, is the required goal of evolution. The main quest lies in reducing the supercomputing resources reported in previous works for the optimisation process in order to make it suitable for embedded systems. Regarding structural self-adaptation, the thesis goal is the implementation of self-adaptive circuits in FPGA-based evolvable systems through an efficient use of native reconfiguration capabilities. In this case, evolution of image processing tasks such as filtering of unknown and changing types of noise and edge detection are the selected proofs of concept. In general, evolving unknown image processing behaviours (within a certain complexity range) at design time is the required goal. In this case, the mission of the proposal is the incorporation of DPR in EHW to evolve a systolic array architecture adaptable through reconfiguration whose evolvability had not been previously checked. In order to achieve the two stated goals, this thesis originally proposes an evolvable platform that integrates an Adaptation Engine (AE), a Reconfiguration Engine (RE) and an adaptable Computing Engine (CE). In the case of parametric adaptation, the proposed platform is characterised by: • a CE featuring a DWT hardware processing core adaptable through reconfigurable registers that holds wavelet filters coefficients • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate wavelet filters through a parametric optimisation process specifically developed for systems featured by scarce computing resources • a new, simplified mutation operator for the selected EA, that together with a fast evaluation mechanism of candidate wavelet filters derived from existing literature, assures the feasibility of the evolutionary search involved in wavelets adaptation In the case of structural adaptation, the platform proposal takes the form of: • a CE based on a reconfigurable 2D systolic array template composed of reconfigurable processing nodes • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate configurations of the array using a set of computational functionalities for the nodes available in a run time accessible library • a hardware RE that exploits native DPR capabilities of FPGAs and makes an efficient use of the available reconfigurable resources of the device to change the behaviour of the CE at run time • a library of reconfigurable processing elements featured by position-independent partial bitstreams used as the set of available configurations for the processing nodes of the array Main contributions of this thesis can be summarised in the following list. • An FPGA-based evolvable platform for parametric and structural self-adaptation of embedded systems composed of a Computing Engine, an evolutionary Adaptation Engine and a Reconfiguration Engine. This platform is further developed and tailored for both parametric and structural self-adaptation. • Regarding parametric self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through reconfigurable registers that enables parametric adaptation of the coefficients of an adaptive hardware implementation of a DWT core. – An AE based on an Evolutionary Algorithm specifically developed for numerical optimisation applied to wavelet filter coefficients in resource constrained embedded systems. – A run-time self-adaptive DWT IP core for embedded systems that allows for online optimisation of transform performance for image compression for specific deployment environments characterised by different types of input signals. – A software model and hardware implementation of a tool for the automatic, evolutionary construction of custom wavelet transforms. • Lastly, regarding structural self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through native FPGA fabric reconfiguration featured by a two dimensional systolic array template of reconfigurable processing nodes. Different processing behaviours can be automatically mapped in the array by using a library of simple reconfigurable processing elements. – Definition of a library of such processing elements suited for autonomous runtime synthesis of different image processing tasks. – Efficient incorporation of DPR in EHW systems, overcoming main drawbacks from the previous approach of virtual reconfigurable circuits. Implementation details for both approaches are also originally compared in this work. – A fault tolerant, self-healing platform that enables online functional recovery in hazardous environments. The platform has been characterised from a fault tolerance perspective: fault models at FPGA CLB level and processing elements level are proposed, and using the RE, a systematic fault analysis for one fault in every processing element and for two accumulated faults is done. – A dynamic filtering quality platform that permits on-line adaptation to different types of noise and different computing behaviours considering the available computing resources. On one side, non-destructive filters are evolved, enabling scalable cascaded filtering schemes; and on the other, size-scalable filters are also evolved considering dynamically changing computational filtering requirements. This dissertation is organized in four parts and nine chapters. First part contains chapter 1, the introduction to and motivation of this PhD work. Following, the reference framework in which this dissertation is framed is analysed in the second part: chapter 2 features an introduction to the notions of self-adaptation and autonomic computing as a more general research field to the very specific one of this work; chapter 3 introduces evolutionary computation as the technique to drive adaptation; chapter 4 analyses platforms for reconfigurable computing as the technology to hold self-adaptive hardware; and finally chapter 5 defines, classifies and surveys the field of Evolvable Hardware. Third part of the work follows, which contains the proposal, development and results obtained: while chapter 6 contains an statement of the thesis goals and the description of the proposal as a whole, chapters 7 and 8 address parametric and structural self-adaptation, respectively. Finally, chapter 9 in part 4 concludes the work and describes future research paths.

A Personal Agent Architecture for Task Automation in the Web of Data. Bringing intelligence to everyday tasks

Internet está evolucionando hacia la conocida como Live Web. En esta nueva etapa en la evolución de Internet, se pone al servicio de los usuarios multitud de streams de datos sociales. Gracias a estas fuentes de datos, los usuarios han pasado de navegar por páginas web estáticas a interacturar con aplicaciones que ofrecen contenido personalizado, basada en sus preferencias. Cada usuario interactúa a diario con multiples aplicaciones que ofrecen notificaciones y alertas, en este sentido cada usuario es una fuente de eventos, y a menudo los usuarios se sienten desbordados y no son capaces de procesar toda esa información a la carta. Para lidiar con esta sobresaturación, han aparecido múltiples herramientas que automatizan las tareas más habituales, desde gestores de bandeja de entrada, gestores de alertas en redes sociales, a complejos CRMs o smart-home hubs. La contrapartida es que aunque ofrecen una solución a problemas comunes, no pueden adaptarse a las necesidades de cada usuario ofreciendo una solucion personalizada. Los Servicios de Automatización de Tareas (TAS de sus siglas en inglés) entraron en escena a partir de 2012 para dar solución a esta liminación. Dada su semejanza, estos servicios también son considerados como un nuevo enfoque en la tecnología de mash-ups pero centra en el usuarios. Los usuarios de estas plataformas tienen la capacidad de interconectar servicios, sensores y otros aparatos con connexión a internet diseñando las automatizaciones que se ajustan a sus necesidades. La propuesta ha sido ámpliamante aceptada por los usuarios. Este hecho ha propiciado multitud de plataformas que ofrecen servicios TAS entren en escena. Al ser un nuevo campo de investigación, esta tesis presenta las principales características de los TAS, describe sus componentes, e identifica las dimensiones fundamentales que los defines y permiten su clasificación. En este trabajo se acuña el termino Servicio de Automatización de Tareas (TAS) dando una descripción formal para estos servicios y sus componentes (llamados canales), y proporciona una arquitectura de referencia. De igual forma, existe una falta de herramientas para describir servicios de automatización, y las reglas de automatización. A este respecto, esta tesis propone un modelo común que se concreta en la ontología EWE (Evented WEb Ontology). Este modelo permite com parar y equiparar canales y automatizaciones de distintos TASs, constituyendo un aporte considerable paraa la portabilidad de automatizaciones de usuarios entre plataformas. De igual manera, dado el carácter semántico del modelo, permite incluir en las automatizaciones elementos de fuentes externas sobre los que razonar, como es el caso de Linked Open Data. Utilizando este modelo, se ha generado un dataset de canales y automatizaciones, con los datos obtenidos de algunos de los TAS existentes en el mercado. Como último paso hacia el lograr un modelo común para describir TAS, se ha desarrollado un algoritmo para aprender ontologías de forma automática a partir de los datos del dataset. De esta forma, se favorece el descubrimiento de nuevos canales, y se reduce el coste de mantenimiento del modelo, el cual se actualiza de forma semi-automática. En conclusión, las principales contribuciones de esta tesis son: i) describir el estado del arte en automatización de tareas y acuñar el término Servicio de Automatización de Tareas, ii) desarrollar una ontología para el modelado de los componentes de TASs y automatizaciones, iii) poblar un dataset de datos de canales y automatizaciones, usado para desarrollar un algoritmo de aprendizaje automatico de ontologías, y iv) diseñar una arquitectura de agentes para la asistencia a usuarios en la creación de automatizaciones. ABSTRACT The new stage in the evolution of the Web (the Live Web or Evented Web) puts lots of social data-streams at the service of users, who no longer browse static web pages but interact with applications that present them contextual and relevant experiences. Given that each user is a potential source of events, a typical user often gets overwhelmed. To deal with that huge amount of data, multiple automation tools have emerged, covering from simple social media managers or notification aggregators to complex CRMs or smart-home Hub/Apps. As a downside, they cannot tailor to the needs of every single user. As a natural response to this downside, Task Automation Services broke in the Internet. They may be seen as a new model of mash-up technology for combining social streams, services and connected devices from an end-user perspective: end-users are empowered to connect those stream however they want, designing the automations they need. The numbers of those platforms that appeared early on shot up, and as a consequence the amount of platforms following this approach is growing fast. Being a novel field, this thesis aims to shed light on it, presenting and exemplifying the main characteristics of Task Automation Services, describing their components, and identifying several dimensions to classify them. This thesis coins the term Task Automation Services (TAS) by providing a formal definition of them, their components (called channels), as well a TAS reference architecture. There is also a lack of tools for describing automation services and automations rules. In this regard, this thesis proposes a theoretical common model of TAS and formalizes it as the EWE ontology This model enables to compare channels and automations from different TASs, which has a high impact in interoperability; and enhances automations providing a mechanism to reason over external sources such as Linked Open Data. Based on this model, a dataset of components of TAS was built, harvesting data from the web sites of actual TASs. Going a step further towards this common model, an algorithm for categorizing them was designed, enabling their discovery across different TAS. Thus, the main contributions of the thesis are: i) surveying the state of the art on task automation and coining the term Task Automation Service; ii) providing a semantic common model for describing TAS components and automations; iii) populating a categorized dataset of TAS components, used to learn ontologies of particular domains from the TAS perspective; and iv) designing an agent architecture for assisting users in setting up automations, that is aware of their context and acts in consequence.

Current Trends in LSP Research: Aims and Methods

Languages for Specific Languages (LSP) represent a dynamic approach both in research and practice and, as such, it is in constant evolution. It was earlier related to the use of English as an international language of communication in business and technology and thus designated as ESP (English for Specific Purposes). In Genre Analysis, Swales (1990) brought in new horizons with the notions of genre and discourse community. Thereafter, research on LSP learning and discourse have thrived over a large range of thematic contents and methods. Current Trends in LSP Research: Aims and Methods can be inserted in this latest streak

En el principio era Távora - : itinerario para la transmisión de una síntesis arquitectónica

La tesis afronta el análisis del itinerario vital de Fernando Távora, una vida entregada apasionadamente a una causa de refundación estética y conceptual de una arquitectura portuguesa condenada a la mediocridad y al ostracismo en el momento en que empieza a ejercer la profesión. La investigación se adentra en todos los aspectos que convergen en su dedicación al logro de aquella misión, pues la que él mismo probablemente llamaría orteguianamente su circunstancia, resulta inseparable de su pensamiento y de su obra. Se pretende establecer la riqueza y complejidad de la figura de Fernando Távora y su importancia como punto de inflexión en la evolución de la arquitectura portuguesa, que ha llegado a alcanzar el reconocimiento internacional en las últimas décadas, fundamentalmente a partir de la consagración de Álvaro Siza Vieira y la denominada Escuela de Oporto. Desde una posición de absoluta autonomía respecto de lo que acontece dentro y fuera de las fronteras portuguesas, su labor se distinguirá por su singularidad teórica y arquitectónica, no dejando por ello de influir decisivamente en su entorno cercano. Dos manifiestos escritos, el juvenil O problema da Casa Portuguesa y el posterior Da Organização do Espaço son elementos estructurantes de un pensamiento teórico que germina en una obra construida inseparable de aquel, de cuya coherencia dan testimonio los aquí considerados verdaderos manifiestos proyectuales del arquitecto. Efectivamente, se analizarán detalladamente como tales la Casa sobre o Mar –manifiesto inicial-, el Pabellón de Tenis –manifiesto de confirmación- y la Casa dos 24 -manifiesto final-, proyectos que vieron la luz en diferentes etapas de su trayectoria y constituyen la aplicación práctica de sus teorías en una sintaxis magistral. En estos tres proyectos es donde verdaderamente la tesis cobra cuerpo, pues suponen el reflejo de la verdadera aportación del arquitecto al pensamiento arquitectónico europeo, la foto fija de la proclamación de resultados de un proyecto arquitectónico integral en momentos muy significativos de su itinerario vital, cuya complejidad se entiende a través de las fases más descriptivas de este documento. Se mostrará cómo para acometer su proyecto integral de arquitectura, una causa de regeneración de la arquitectura portuguesa a partir de la síntesis entre modernidad y tradición, entre universalidad y localidad, tomaría de sus dos personajes más admirados, Le Corbusier y Pessoa, la fuerza moral y la energía que le permitieron acometer apasionadamente tamaña misión. En una infatigable búsqueda en lo global y lo local, Távora conseguirá prestar gran atención al contexto del lugar de intervención sin renunciar a sus convicciones modernas, introduciendo la historia y el dibujo como herramientas de conocimiento del mismo y posteriormente del proceso creativo. El método proyectivo resultante de este modelo, que transmitirá a través de su ejercicio docente a sucesivas generaciones de arquitectos, se convertirá en elemento estructurante de una tendencia surgida de las aulas portuenses, que la crítica internacional acabará denominando Escuela de Oporto en un sentido más amplio. Por su importancia dentro del itinerario profesional del[os] arquitecto[s] portuense[s], las fases más destacadas de su evolución a partir de los años 50 se analizarán en paralelo a una serie de obras representativas de diferentes momentos de la trayectoria de Fernando Távora. En este itinerario vital, a pesar de la originalidad de su pensamiento y su obra, se atisban ciertos paralelismos con grandes arquitectos del siglo XX, que esta tesis afronta. Se puede distinguir entre influencias pasajeras de algunos maestros modernos en los que Távora buscaba la confirmación a sus propias teorías, similitudes con arquitectos coetáneos cuya obra conoció y a los que se encontró cercano por la convergencia de algunos de sus criterios e incluso sorprendentes coincidencias con arquitectos desconocidos para él, entre las que cabe destacar la de los maestros de la Escuela de Madrid Alejandro de la Sota y Javier Sáenz de Oiza. Por último, en una alegoría con los heterónimos de Fernando Pessoa, se analiza desde una perspectiva personal fruto de la investigación y de las entrevistas mantenidas con todos ellos, la importante labor de Álvaro Siza Vieira, Alexandre Alves Costa y su hijo José Bernardo Távora como agentes coadyuvantes en la consecución del proyecto integral de arquitectura [y vida] de Fernando Távora. Sin lugar a dudas, Álvaro Siza constituye el personaje fundamental e imprescindible para que la arquitectura portuguesa alcanzase la privilegiada consideración que en la actualidad ostenta en la escena internacional. Un arquitecto consagrado que ocupa ya, y ocupará siempre, un lugar privilegiado en la breve lista de maestros míticos e irrepetibles de la arquitectura contemporánea. Con todo, cabe afirmar con la paráfrasis bíblica que da título a la tesis que ‘En el principio era Távora...’ ABSTRACT This thesis addresses the analysis of Fernando Távora’s life journey, a life that was passionately devoted to the cause of aesthetically and conceptually overhauling Portuguese architecture, which was doomed to mediocrity and ostracism at the time when he started practicing professionally. This research delves into all aspects converging in his dedication to achieving that mission, since what he himself would probably call his circumstance – in the manner of José Ortega y Gasset – is inseparable from his thinking and his work. This thesis seeks also to establish the richness and complexity of Fernando Távora’s figure and his importance as a turning point in the evolution of Portuguese architecture, which has gone on to achieve international recognition in recent decades, especially after the consecration of Álvaro Siza Vieira and the so-called School of Oporto. From an absolutely autonomous position with regard to what is happening within and outside Portuguese borders, his work will stand out due to its theoretical and architectural uniqueness – this not being a reason to prevent its decisive influence on his close surroundings. Two written manifestos, his early O problema da Casa Portuguesa and his subsequent Da Organização do Espaço, become structural elements of the theoretical thinking that develops into works which are built in parallel with the former. The coherence of this thinking is reflected on the hereby considered the architect’s true project manifestos. Indeed, we will analyse as such the Casa sobre o Mar (initial manifesto), the Tennis Pavilion (confirmation manifesto) and Casa dos 24 (final manifesto), projects which saw the light at different stages of his career and constitute the practical application of his theories in a masterful syntax. These are the three projects where the thesis takes shape, as they become the reflection of the architect’s true contribution to the European architectural school of thought; the still picture of the results proclamation of a whole architectural project at highly significant moments in his life journey, whose complexity can be understood through this document’s most descriptive phases. This study will show how, in order to carry out his architectural project – regenerate Portuguese architecture by synthesizing modernity and tradition, universality and locality –, Távora would take the moral strength and energy from his two most admired figures, Le Corbusier and Pessoa, allowing him to passionately undertake such a colossal mission. In a tireless search within the global and the local, Távora will manage to pay more attention to the context of the intervention place without compromising his modern convictions, by introducing history and drawing as knowledge tools of the place and eventually of the creative process. The resulting projective method of this model, which he will transmit to successive generations of architects through his teaching, will become a structural element of a trend emerged from the Oporto classrooms which international critique will end up denominating School of Porto in a broader sense. Due to its importance within Porto architect[s]’ professional career, the most prominent phases of its evolution as of the 50s will be analysed in parallel to a series of representative works from different moments in Fernando Távora’s career. Despite the originality of his thinking and his work, certain parallelisms with great architects from the 20th century can be found in Távora’s life journey, which this thesis will address. Amongst temporary influences of some modern masters in whom Távora sought confirmation of his own theories, similarities can be spotted with contemporary architects whose work he knew and to whom he felt close because of the convergence of some of his views. It is also possible to see surprising coincidences with architects he did not know, such as Alejandro de la Sota and Javier Sáenz de Oiza, masters from the School of Madrid. Finally, in an allegory with Fernando Pessoa’s heteronyms, this thesis studies – from a personal perspective based on research and the interviews held with all of them – the important work of Álvaro Siza Vieira, Alexandre Alves Costa and his son Jose Bernardo Távora as auxiliaries in the achievement of Fernando Távora’s complete architectural [and life] project. Without the slightest doubt, Álvaro Siza constitutes the essential figure thanks to whom Portuguese architecture would reach the advantaged position it holds nowadays in the international arena. An acclaimed architect, Siza already holds a privileged spot in the brief list of legendary and unrepeatable masters of contemporary architecture. Nevertheless, with the biblical paraphrase that entitles this thesis it can be claimed that ‘In the beginning was Távora…’

Sex-specific quantitative trait loci affecting longevity in Drosophila melanogaster

Senescence, the decline in survivorship and fertility with increasing age, is a near-universal property of organisms. Senescence and limited lifespan are thought to arise because weak natural selection late in life allows the accumulation of mutations with deleterious late-age effects that are either neutral (the mutation accumulation hypothesis) or beneficial (the antagonistic pleiotropy hypothesis) early in life. Analyses of Drosophila spontaneous mutations, patterns of segregating variation and covariation, and lines selected for late-age fertility have implicated both classes of mutation in the evolution of aging, but neither their relative contributions nor the properties of individual loci that cause aging in nature are known. To begin to dissect the multiple genetic causes of quantitative variation in lifespan, we have conducted a genome-wide screen for quantitative trait loci (QTLs) affecting lifespan that segregate among a panel of recombinant inbred lines using a dense molecular marker map. Five autosomal QTLs were mapped by composite interval mapping and by sequential multiple marker analysis. The QTLs had large sex-specific effects on lifespan and age-specific effects on survivorship and mortality and mapped to the same regions as candidate genes with fertility, cellular aging, stress resistance and male-specific effects. Late age-of-onset QTL effects are consistent with the mutation accumulation hypothesis for the evolution of senescence, and sex-specific QTL effects suggest a novel mechanism for maintaining genetic variation for lifespan.

An Ecological and Evolutionary Framework for Commensalism in Anthropogenic Environments

Acknowledgements We would like to thank Jean-Denis Vigne, members of the Searle lab, and SNEEB at Cornell University for a stimulating environment and many early discussions and comments. We would also like to thank Maeve McMahon for comments on the manuscript.

Directed evolution of a thermostable esterase

We have used in vitro evolution to probe the relationship between stability and activity in a mesophilic esterase. Previous studies of these properties in homologous enzymes evolved for function at different temperatures have suggested that stability at high temperatures is incompatible with high catalytic activity at low temperatures through mutually exclusive demands on enzyme flexibility. Six generations of random mutagenesis, recombination, and screening stabilized Bacillus subtilis p-nitrobenzyl esterase significantly (>14°C increase in Tm) without compromising its catalytic activity at lower temperatures. Furthermore, analysis of the stabilities and activities of large numbers of random mutants indicates that these properties are not inversely correlated. Although enhanced thermostability does not necessarily come at the cost of activity, the process by which the molecule adapts is important. Mutations that increase thermostability while maintaining low-temperature activity are very rare. Unless both properties are constrained (by natural selection or screening) the evolution of one by the accumulation of single amino acid substitutions typically comes at the cost of the other, regardless of whether the two properties are inversely correlated or not correlated at all.

Expression of the Hox gene complex in the indirect development of a sea urchin

Hox complex genes control spatial patterning mechanisms in the development of arthropod and vertebrate body plans. Hox genes are all expressed during embryogenesis in these groups, which are all directly developing organisms in that embryogenesis leads at once to formation of major elements of the respective adult body plans. In the maximally indirect development of a large variety of invertebrates, the process of embryogenesis leads only to a free-living, bilaterally organized feeding larva. Maximal indirect development is exemplified in sea urchins. The 5-fold radially symmetric adult body plan of the sea urchin is generated long after embryogenesis is complete, by a separate process occurring within imaginal tissues set aside in the larva. The single Hox gene complex of Strongylocentrotus purpuratus contains 10 genes, and expression of eight of these genes was measured by quantitative methods during both embryonic and larval developmental stages and also in adult tissues. Only two of these genes are used significantly during the entire process of embryogenesis per se, although all are copiously expressed during the stages when the adult body plan is forming in the imaginal rudiment. They are also all expressed in various combinations in adult tissues. Thus, development of a microscopic, free-living organism of bilaterian grade, the larva, does not appear to require expression of the Hox gene cluster as such, whereas development of the adult body plan does. These observations reflect on mechanisms by which bilaterian metazoans might have arisen in Precambrian evolution.

Horizontal gene transfer and mutation: Ngrol genes in the genome of Nicotiana glauca

Ngrol genes (NgrolB, NgrolC, NgORF13, and NgORF14) that are similar in sequence to genes in the left transferred DNA (TL-DNA) of Agrobacterium rhizogenes have been found in the genome of untransformed plants of Nicotiana glauca. It has been suggested that a bacterial infection resulted in transformation of Ngrol genes early in the evolution of the genus Nicotiana. Although the corresponding four rol genes in TL-DNA provoked hairy-root syndrome in plants, present-day N. glauca and plants transformed with Ngrol genes did not exhibit this phenotype. Sequenced complementation analysis revealed that the NgrolB gene did not induce adventitious roots because it contained two point mutations. Single-base site-directed mutagenesis at these two positions restored the capacity for root induction to the NgrolB gene. When the NgrolB, with these two base substitutions, was positioned under the control of the cauliflower mosaic virus 35S promoter (P35S), transgenic tobacco plants exhibited morphological abnormalities that were not observed in P35s-RirolB plants. In contrast, the activity of the NgrolC gene may have been conserved after an ancient infection by bacteria. Discussed is the effect of the horizontal gene transfer of the Ngrol genes and mutations in the NgrolB gene on the phenotype of ancient plants during the evolution of N. glauca.

Domain–domain communication in a miniature archaebacterial tRNA synthetase

The three-dimensional structure of tRNA is organized into two domains—the acceptor-TΨC minihelix with the amino acid attachment site and a second, anticodon-containing, stem–loop domain. Aminoacyl-tRNA synthetases have a structural organization that roughly recapitulates the two-domain organization of tRNAs—an older primary domain that contains the catalytic center and interacts with the minihelix and a secondary, more recent, domain that makes contacts with the anticodon-containing arm. The latter contacts typically are essential for enhancement of the catalytic constant kcat through domain–domain communication. Methanococcus jannaschii tyrosyl-tRNA synthetase is a miniature synthetase with a tiny secondary domain suggestive of an early synthetase evolving from a one-domain to a two-domain structure. Here we demonstrate functional interactions with the anticodon-containing arm of tRNA that involve the miniaturized secondary domain. These interactions appear not to include direct contacts with the anticodon triplet but nonetheless lead to domain–domain communication. Thus, interdomain communication may have been established early in the evolution from one-domain to two-domain structures.

Duplicated genes evolve independently after polyploid formation in cotton

Of the many processes that generate gene duplications, polyploidy is unique in that entire genomes are duplicated. This process has been important in the evolution of many eukaryotic groups, and it occurs with high frequency in plants. Recent evidence suggests that polyploidization may be accompanied by rapid genomic changes, but the evolutionary fate of discrete loci recently doubled by polyploidy (homoeologues) has not been studied. Here we use locus-specific isolation techniques with comparative mapping to characterize the evolution of homoeologous loci in allopolyploid cotton (Gossypium hirsutum) and in species representing its diploid progenitors. We isolated and sequenced 16 loci from both genomes of the allopolyploid, from both progenitor diploid genomes and appropriate outgroups. Phylogenetic analysis of the resulting 73.5 kb of sequence data demonstrated that for all 16 loci (14.7 kb/genome), the topology expected from organismal history was recovered. In contrast to observations involving repetitive DNAs in cotton, there was no evidence of interaction among duplicated genes in the allopolyploid. Polyploidy was not accompanied by an obvious increase in mutations indicative of pseudogene formation. Additionally, differences in rates of divergence among homoeologues in polyploids and orthologues in diploids were indistinguishable across loci, with significant rate deviation restricted to two putative pseudogenes. Our results indicate that most duplicated genes in allopolyploid cotton evolve independently of each other and at the same rate as those of their diploid progenitors. These indications of genic stasis accompanying polyploidization provide a sharp contrast to recent examples of rapid genomic evolution in allopolyploids.