Simulación hidráulica de un tramo del río Tinguiririca (Chile): aplicación al diseño de la restauración fluvial

En el marco de SERELAREFA (Semillas REd LAtina Recuperación Ecosistemas Fluviales y Acuáticos) se ha propuesto el "Corredor fluvial río Tinguiririca". Esta iniciativa persigue llegar a definir una franja de territorio donde se le permita al río expresar su dinámica natural , pero controlándola con intervenciones de ingeniería integradas en el paisaje de manera que permita un desarrollo económico más seguro en las zonas aledañas y contar con los servicios ambientales brindados por un ecosistema en buen estado. Esta comunicación presenta la problemática del río Tinguiririca y la simulación hidráulica de un tramo del mismo río en la localidad de San Fernando en el marco del diseño del Corredor Fluvial Tinguririca. Se realizó un levantamiento topográfico de detalle del tramo y se simularon caudales crecientes en 2D con Infoworks ICM.

Linking land cover changes in the subalpine and montane belts to changes in a torrential river.

Channel cbanges are the consequence of cbanges in sediment yield from the slopes and in the connectivity between slopes and channels bccause of distinct land use and climate inJpacts. In Ibis study, we investigated the characteristics and evolution of a short reach in the headwater of the !juez River, central-soutbem Pyrenees. Assessment of a series of sedimentar)' and geomorphic structures confirtned major cbanges to the valley boUom, mainly related to changes in the intensity of human activity. 'The oldest sedimentar)' structure is a terrace leve! located 3 10 4 m above the current alluvial plain. General deforestation, overgrazing and recwring tires in the montane belt ( 1100-1600 m a.sJ.) have led 10 increased soil erosioo and connectivity, and to tbe triggering of debris llows thal have been deposited on the fluvial tmace. Woody fragments from within the debris llows were dated using acceleraror mass spectrOmetry '"e radiocaroon tcchniques (AMS), yielding ages between 1 00 and 115 cal years BP, whicb coincides with tbe period of maximum deforestalion and human density in the Pyrenees. Depopulation and fannland abaodonment since tbe beginning of tbe 2001 oenrury has resulled in generalliJcod natural and artificial reforestation, a shrinkage of the eroded arcas aod a decline in connectivi¡y bdween slopes and the channel. 1be rnost impor1an1 consequence has been cbannel incision and oarrowing, and the development of a sedimed annour !ayer. Active sedimenl b8llSpOI1 is continui.Qg, although there has been a decrease in sed.iment yield from the slopes. Copyright O 2014 John Wiley & Soos, Ltd.

Time-resolved evolution of coherent structures in turbulent channels

El objetivo de esta tesis es estudiar la dinámica de la capa logarítmica de flujos turbulentos de pared. En concreto, proponemos un nuevo modelo estructural utilizando diferentes tipos de estructuras coherentes: sweeps, eyecciones, grupos de vorticidad y streaks. La herramienta utilizada es la simulación numérica directa de canales turbulentos. Desde los primeros trabajos de Theodorsen (1952), las estructuras coherentes han jugado un papel fundamental para entender la organización y dinámica de los flujos turbulentos. A día de hoy, datos procedentes de simulaciones numéricas directas obtenidas en instantes no contiguos permiten estudiar las propiedades fundamentales de las estructuras coherentes tridimensionales desde un punto de vista estadístico. Sin embargo, la dinámica no puede ser entendida en detalle utilizando sólo instantes aislados en el tiempo, sino que es necesario seguir de forma continua las estructuras. Aunque existen algunos estudios sobre la evolución temporal de las estructuras más pequeñas a números de Reynolds moderados, por ejemplo Robinson (1991), todavía no se ha realizado un estudio completo a altos números de Reynolds y para todas las escalas presentes de la capa logarítmica. El objetivo de esta tesis es llevar a cabo dicho análisis. Los problemas más interesantes los encontramos en la región logarítmica, donde residen las cascadas de vorticidad, energía y momento. Existen varios modelos que intentan explicar la organización de los flujos turbulentos en dicha región. Uno de los más extendidos fue propuesto por Adrian et al. (2000) a través de observaciones experimentales y considerando como elemento fundamental paquetes de vórtices con forma de horquilla que actúan de forma cooperativa para generar rampas de bajo momento. Un modelo alternativo fué ideado por del Álamo & Jiménez (2006) utilizando datos numéricos. Basado también en grupos de vorticidad, planteaba un escenario mucho más desorganizado y con estructuras sin forma de horquilla. Aunque los dos modelos son cinemáticamente similares, no lo son desde el punto de vista dinámico, en concreto en lo que se refiere a la importancia que juega la pared en la creación y vida de las estructuras. Otro punto importante aún sin resolver se refiere al modelo de cascada turbulenta propuesto por Kolmogorov (1941b), y su relación con estructuras coherentes medibles en el flujo. Para dar respuesta a las preguntas anteriores, hemos desarrollado un nuevo método que permite seguir estructuras coherentes en el tiempo y lo hemos aplicado a simulaciones numéricas de canales turbulentos con números de Reynolds lo suficientemente altos como para tener un rango de escalas no trivial y con dominios computacionales lo suficientemente grandes como para representar de forma correcta la dinámica de la capa logarítmica. Nuestros esfuerzos se han desarrollado en cuatro pasos. En primer lugar, hemos realizado una campaña de simulaciones numéricas directas a diferentes números de Reynolds y tamaños de cajas para evaluar el efecto del dominio computacional en las estadísticas de primer orden y el espectro. A partir de los resultados obtenidos, hemos concluido que simulaciones con cajas de longitud 2vr y ancho vr veces la semi-altura del canal son lo suficientemente grandes para reproducir correctamente las interacciones entre estructuras coherentes de la capa logarítmica y el resto de escalas. Estas simulaciones son utilizadas como punto de partida en los siguientes análisis. En segundo lugar, las estructuras coherentes correspondientes a regiones con esfuerzos de Reynolds tangenciales intensos (Qs) en un canal turbulento han sido estudiadas extendiendo a tres dimensiones el análisis de cuadrantes, con especial énfasis en la capa logarítmica y la región exterior. Las estructuras coherentes han sido identificadas como regiones contiguas del espacio donde los esfuerzos de Reynolds tangenciales son más intensos que un cierto nivel. Los resultados muestran que los Qs separados de la pared están orientados de forma isótropa y su contribución neta al esfuerzo de Reynolds medio es nula. La mayor contribución la realiza una familia de estructuras de mayor tamaño y autosemejantes cuya parte inferior está muy cerca de la pared (ligada a la pared), con una geometría compleja y dimensión fractal « 2. Estas estructuras tienen una forma similar a una ‘esponja de placas’, en comparación con los grupos de vorticidad que tienen forma de ‘esponja de cuerdas’. Aunque el número de objetos decae al alejarnos de la pared, la fracción de esfuerzos de Reynolds que contienen es independiente de su altura, y gran parte reside en unas pocas estructuras que se extienden más allá del centro del canal, como en las grandes estructuras propuestas por otros autores. Las estructuras dominantes en la capa logarítmica son parejas de sweeps y eyecciones uno al lado del otro y con grupos de vorticidad asociados que comparten las dimensiones y esfuerzos con los remolinos ligados a la pared propuestos por Townsend. En tercer lugar, hemos estudiado la evolución temporal de Qs y grupos de vorticidad usando las simulaciones numéricas directas presentadas anteriormente hasta números de Reynolds ReT = 4200 (Reynolds de fricción). Las estructuras fueron identificadas siguiendo el proceso descrito en el párrafo anterior y después seguidas en el tiempo. A través de la interseción geométrica de estructuras pertenecientes a instantes de tiempo contiguos, hemos creado gratos de conexiones temporales entre todos los objetos y, a partir de ahí, definido ramas primarias y secundarias, de tal forma que cada rama representa la evolución temporal de una estructura coherente. Una vez que las evoluciones están adecuadamente organizadas, proporcionan toda la información necesaria para caracterizar la historia de las estructuras desde su nacimiento hasta su muerte. Los resultados muestran que las estructuras nacen a todas las distancias de la pared, pero con mayor probabilidad cerca de ella, donde la cortadura es más intensa. La mayoría mantienen tamaños pequeños y no viven mucho tiempo, sin embargo, existe una familia de estructuras que crecen lo suficiente como para ligarse a la pared y extenderse a lo largo de la capa logarítmica convirtiéndose en las estructuras observas anteriormente y descritas por Townsend. Estas estructuras son geométricamente autosemejantes con tiempos de vida proporcionales a su tamaño. La mayoría alcanzan tamaños por encima de la escala de Corrsin, y por ello, su dinámica está controlada por la cortadura media. Los resultados también muestran que las eyecciones se alejan de la pared con velocidad media uT (velocidad de fricción) y su base se liga a la pared muy rápidamente al inicio de sus vidas. Por el contrario, los sweeps se mueven hacia la pared con velocidad -uT y se ligan a ella más tarde. En ambos casos, los objetos permanecen ligados a la pared durante 2/3 de sus vidas. En la dirección de la corriente, las estructuras se desplazan a velocidades cercanas a la convección media del flujo y son deformadas por la cortadura. Finalmente, hemos interpretado la cascada turbulenta, no sólo como una forma conceptual de organizar el flujo, sino como un proceso físico en el cual las estructuras coherentes se unen y se rompen. El volumen de una estructura cambia de forma suave, cuando no se une ni rompe, o lo hace de forma repentina en caso contrario. Los procesos de unión y rotura pueden entenderse como una cascada directa (roturas) o inversa (uniones), siguiendo el concepto de cascada de remolinos ideado por Richardson (1920) y Obukhov (1941). El análisis de los datos muestra que las estructuras con tamaños menores a 30η (unidades de Kolmogorov) nunca se unen ni rompen, es decir, no experimentan el proceso de cascada. Por el contrario, aquellas mayores a 100η siempre se rompen o unen al menos una vez en su vida. En estos casos, el volumen total ganado y perdido es una fracción importante del volumen medio de la estructura implicada, con una tendencia ligeramente mayor a romperse (cascada directa) que a unirse (cascade inversa). La mayor parte de interacciones entre ramas se debe a roturas o uniones de fragmentos muy pequeños en la escala de Kolmogorov con estructuras más grandes, aunque el efecto de fragmentos de mayor tamaño no es despreciable. También hemos encontrado que las roturas tienen a ocurrir al final de la vida de la estructura y las uniones al principio. Aunque los resultados para la cascada directa e inversa no son idénticos, son muy simétricos, lo que sugiere un alto grado de reversibilidad en el proceso de cascada. ABSTRACT The purpose of the present thesis is to study the dynamics of the logarithmic layer of wall-bounded turbulent flows. Specifically, to propose a new structural model based on four different coherent structures: sweeps, ejections, clusters of vortices and velocity streaks. The tool used is the direct numerical simulation of time-resolved turbulent channels. Since the first work by Theodorsen (1952), coherent structures have played an important role in the understanding of turbulence organization and its dynamics. Nowadays, data from individual snapshots of direct numerical simulations allow to study the threedimensional statistical properties of those objects, but their dynamics can only be fully understood by tracking them in time. Although the temporal evolution has already been studied for small structures at moderate Reynolds numbers, e.g., Robinson (1991), a temporal analysis of three-dimensional structures spanning from the smallest to the largest scales across the logarithmic layer has yet to be performed and is the goal of the present thesis. The most interesting problems lie in the logarithmic region, which is the seat of cascades of vorticity, energy, and momentum. Different models involving coherent structures have been proposed to represent the organization of wall-bounded turbulent flows in the logarithmic layer. One of the most extended ones was conceived by Adrian et al. (2000) and built on packets of hairpins that grow from the wall and work cooperatively to gen- ´ erate low-momentum ramps. A different view was presented by del Alamo & Jim´enez (2006), who extracted coherent vortical structures from DNSs and proposed a less organized scenario. Although the two models are kinematically fairly similar, they have important dynamical differences, mostly regarding the relevance of the wall. Another open question is whether such a model can be used to explain the cascade process proposed by Kolmogorov (1941b) in terms of coherent structures. The challenge would be to identify coherent structures undergoing a turbulent cascade that can be quantified. To gain a better insight into the previous questions, we have developed a novel method to track coherent structures in time, and used it to characterize the temporal evolutions of eddies in turbulent channels with Reynolds numbers high enough to include a non-trivial range of length scales, and computational domains sufficiently long and wide to reproduce correctly the dynamics of the logarithmic layer. Our efforts have followed four steps. First, we have conducted a campaign of direct numerical simulations of turbulent channels at different Reynolds numbers and box sizes, and assessed the effect of the computational domain in the one-point statistics and spectra. From the results, we have concluded that computational domains with streamwise and spanwise sizes 2vr and vr times the half-height of the channel, respectively, are large enough to accurately capture the dynamical interactions between structures in the logarithmic layer and the rest of the scales. These simulations are used in the subsequent chapters. Second, the three-dimensional structures of intense tangential Reynolds stress in plane turbulent channels (Qs) have been studied by extending the classical quadrant analysis to three dimensions, with emphasis on the logarithmic and outer layers. The eddies are identified as connected regions of intense tangential Reynolds stress. Qs are then classified according to their streamwise and wall-normal fluctuating velocities as inward interactions, outward interactions, sweeps and ejections. It is found that wall-detached Qs are isotropically oriented background stress fluctuations, common to most turbulent flows, and do not contribute to the mean stress. Most of the stress is carried by a selfsimilar family of larger wall-attached Qs, increasingly complex away from the wall, with fractal dimensions « 2. They have shapes similar to ‘sponges of flakes’, while vortex clusters resemble ‘sponges of strings’. Although their number decays away from the wall, the fraction of the stress that they carry is independent of their heights, and a substantial part resides in a few objects extending beyond the centerline, reminiscent of the very large scale motions of several authors. The predominant logarithmic-layer structures are sideby- side pairs of sweeps and ejections, with an associated vortex cluster, and dimensions and stresses similar to Townsend’s conjectured wall-attached eddies. Third, the temporal evolution of Qs and vortex clusters are studied using time-resolved DNS data up to ReT = 4200 (friction Reynolds number). The eddies are identified following the procedure presented above, and then tracked in time. From the geometric intersection of structures in consecutive fields, we have built temporal connection graphs of all the objects, and defined main and secondary branches in a way that each branch represents the temporal evolution of one coherent structure. Once these evolutions are properly organized, they provide the necessary information to characterize eddies from birth to death. The results show that the eddies are born at all distances from the wall, although with higher probability near it, where the shear is strongest. Most of them stay small and do not last for long times. However, there is a family of eddies that become large enough to attach to the wall while they reach into the logarithmic layer, and become the wall-attached structures previously observed in instantaneous flow fields. They are geometrically self-similar, with sizes and lifetimes proportional to their distance from the wall. Most of them achieve lengths well above the Corrsin’ scale, and hence, their dynamics are controlled by the mean shear. Eddies associated with ejections move away from the wall with an average velocity uT (friction velocity), and their base attaches very fast at the beginning of their lives. Conversely, sweeps move towards the wall at -uT, and attach later. In both cases, they remain attached for 2/3 of their lives. In the streamwise direction, eddies are advected and deformed by the local mean velocity. Finally, we interpret the turbulent cascade not only as a way to conceptualize the flow, but as an actual physical process in which coherent structures merge and split. The volume of an eddy can change either smoothly, when they are not merging or splitting, or through sudden changes. The processes of merging and splitting can be thought of as a direct (when splitting) or an inverse (when merging) cascade, following the ideas envisioned by Richardson (1920) and Obukhov (1941). It is observed that there is a minimum length of 30η (Kolmogorov units) above which mergers and splits begin to be important. Moreover, all eddies above 100η split and merge at least once in their lives. In those cases, the total volume gained and lost is a substantial fraction of the average volume of the structure involved, with slightly more splits (direct cascade) than mergers. Most branch interactions are found to be the shedding or absorption of Kolmogorov-scale fragments by larger structures, but more balanced splits or mergers spanning a wide range of scales are also found to be important. The results show that splits are more probable at the end of the life of the eddy, while mergers take place at the beginning of the life. Although the results for the direct and the inverse cascades are not identical, they are found to be very symmetric, which suggests a high degree of reversibility of the cascade process.

Aplicación informática para la selección de técnicas de bioingeniería en actuaciones de restauración fluvial

Este proyecto tiene como objetivo confeccionar una herramienta informática que permita determinar, conocidos un conjunto de parámetros hidráulicos y geométricos, cuál es la técnica de bioingeniería más eficaz para la estabilización de taludes en el ámbito de la restauración de ríos. Con dicha herramienta se pretende recopilar, en una base de datos y a través de un estudio bibliográfico, las limitaciones que presentan cada técnica de bioingeniería en cuanto a velocidades del flujo, cortantes del flujo y pendientes de taludes además de otros factores como el campo de aplicación, la época de implantación o las especies vegetales recomendadas.

Metodología para la caracterización de formaciones de vegetación de ribera y su morfología fluvial asociada utilizando datos LiDAR e imágenes digitales de alta resolución

En el presente documento se presenta una nueva metodología para la caracterización de formaciones de vegetación de ribera y su morfología fluvial asociada. La metodología está basada en la utilización de sensores aerotransportados LiDAR y Cámara Digital multiespectral de gran formato junto a perfiles batimétricos tomados en campo. Este trabajo pone de manifiesto la utilidad de los datos captados por sensores LiDAR y cámaras digitales aerotransportadas en aplicaciones medioambientales.

Aplicaciones de la teledetección láser (LiDAR) en la caracterización y gestión del medio fluvial

Las últimas técnicas de teledetección existentes en el mercado han abierto la posibilidad de introducir mejoras en los trabajos de caracterización y gestión del medio fluvial. Es el caso de los sensores láser transportados desde plataformas aéreas, cuyas innovaciones tecnológicas suponen un gran incremento de la resolución horizontal, y sobre todo vertical, de las imágenes y datos resultantes. Estas técnicas, conocidas con el nombre genérico de LiDAR (Light Detection and Ranging) están ya siendo empleadas en la actualidad en multitud de aplicaciones relacionadas con la ingeniería civil, la creación de cartografía especializada, o la gestión del medio natural. Sin embargo, hasta la fecha, existen escasas referencias sobre la utilización de esta herramienta en la caracterización y gestión del medio fluvial. Este artículo repasa las principales características técnicas de la teledetección láser, la evolución sufrida por esta herramienta en los últimos años, y muy especialmente las aplicaciones que ofrece para el manejo de los sistemas fluviales. Se exponen, además, ejemplos prácticos de utilización de los datos LiDAR en el medio ribereño, en diferentes tramos y cauces, algunos de ellos pertenecientes a la cuenca del Ebro.

Aplicaciones del lidar en la restauración fluvial: Simulación hidráulica y empleo de ric-dar en el estudio geomorfológico y de vegetación de ribera.

Hoy en día los nuevos desarrollos en teledetección permiten la mejora de la caracterización y gestión del entorno fluvial. Especial relevancia muestra el escaneo laser aerotransportado. Este sistema es conocido como LiDAR (Light Detection and Ranging) y desde sus orígenes ha mejorado de manera excepcional sus resultados tanto en la precisión espacial de los puntos obtenidos, su post-procesado como su clasificación. Todo ello con una reducción de los costes, ahora asumible para ser incorporado en los proyectos de restauración fluvial. Sin embargo, no ha sido hasta fechas recientes cuando han comenzado a aparecer referencias en este sentido. Dando continuidad a esta línea de investigación, en este trabajo se presenta el resumen de los avances en relación al papel que puede presentar la tecnología LiDAR en un proyecto de restauración fluvial.

Incisión fluvial a partir del conjunto multinivel de cuevas de La Galiana (Parque natural del río Lobos, Soria)

El conjunto endokárstico de La Galiana (Cañón del río Lobos, Cordillera Ibérica, provincia de Soria) está formado por tres niveles de galerías horizontales (La Galiana Alta, La Galiana Baja y Cueva del Lago) localizadas a 1099, 966 y 953 m s.n.m. respectivamente. Representan niveles de estabilización de la superficie freática y su nivel de base fluvial. El contexto geomorfológico y los datos paleomagnéticos indican que coladas estalagmítica de La Galiana Alta son anteriores a los 3,596 Ma. Por otro lado, la edad U/Th más antigua obtenida en espeleotemas de La Galiana Baja es de 224 ka. Las diferencias altimétricas entre galerías (133 y 13 m) y edades obtenida permiten calcular tasas máximas de encajamiento fluvial entre 39 y 58 mm/ka.

Estimation of Symmetric Channels for Discrete Cosine Transform Type-I Multicarrier Systems: A Compressed Sensing Approach

The problem of channel estimation for multicarrier communications is addressed. We focus on systems employing the Discrete Cosine Transform Type-I (DCT1) even at both the transmitter and the receiver, presenting an algorithm which achieves an accurate estimation of symmetric channel filters using only a small number of training symbols. The solution is obtained by using either matrix inversion or compressed sensing algorithms. We provide the theoretical results which guarantee the validity of the proposed technique for the DCT1. Numerical simulations illustrate the good behaviour of the proposed algorithm.

Outward Rectification of Voltage-Gated K+ Channels Evolved at Least Twice in Life History

Voltage-gated potassium (K+) channels are present in all living systems. Despite high structural similarities in the transmembrane domains (TMD), this K+ channel type segregates into at least two main functional categories—hyperpolarization-activated, inward-rectifying (Kin) and depolarization-activated, outward-rectifying (Kout) channels. Voltage-gated K+ channels sense the membrane voltage via a voltage-sensing domain that is connected to the conduction pathway of the channel. It has been shown that the voltage-sensing mechanism is the same in Kin and Kout channels, but its performance results in opposite pore conformations. It is not known how the different coupling of voltage-sensor and pore is implemented. Here, we studied sequence and structural data of voltage-gated K+ channels from animals and plants with emphasis on the property of opposite rectification. We identified structural hotspots that alone allow already the distinction between Kin and Kout channels. Among them is a loop between TMD S5 and the pore that is very short in animal Kout, longer in plant and animal Kin and the longest in plant Kout channels. In combination with further structural and phylogenetic analyses this finding suggests that outward-rectification evolved twice and independently in the animal and plant kingdom.

Segmentación automática de la red fluvial con base geomorfológica: una herramienta útil en la restauración de ríos (río Porma, León)

La segmentación automática del sistema fluvial con base geomorfológica puede ser una herramienta útil en la restauración de ríos. Tradicionalmente el criterio experto permitía identificar tramos fluviales homogéneos; sin embargo, existen métodos automáticos más objetivos y fiables favorecidos por avances en las técnicas de computación, en las tecnologías de sistemas de información geográfica y en la calidad de la información espacial. Se han aplicado métodos de segmentación automática a respuestas univariantes y multivariantes, basados en técnicas permutacionales y de randomnización multi-respuesta sobre variables geomorfológicas sistemáticamente extraídas con la ayuda de sistemas de información geográfica. Se muestra la utilidad de esta herramienta en distintas fases de un proyecto de restauración, como son: la caracterización del contexto geomorfológico, la diagnosis del efecto de presiones sobre el sistema y la identificación de tramos preferentes para su conservación. Las técnicas descritas se han aplicado al río Porma (Cuenca del Duero, León) regulado desde 1968.

Molecular basis of fast inactivation in voltage and Ca2+-activated K+ channels: A transmembrane β-subunit homolog

Voltage-dependent and calcium-sensitive K+ (MaxiK) channels are key regulators of neuronal excitability, secretion, and vascular tone because of their ability to sense transmembrane voltage and intracellular Ca2+. In most tissues, their stimulation results in a noninactivating hyperpolarizing K+ current that reduces excitability. In addition to noninactivating MaxiK currents, an inactivating MaxiK channel phenotype is found in cells like chromaffin cells and hippocampal neurons. The molecular determinants underlying inactivating MaxiK channels remain unknown. Herein, we report a transmembrane β subunit (β2) that yields inactivating MaxiK currents on coexpression with the pore-forming α subunit of MaxiK channels. Intracellular application of trypsin as well as deletion of 19 N-terminal amino acids of the β2 subunit abolished inactivation of the α subunit. Conversely, fusion of these N-terminal amino acids to the noninactivating smooth muscle β1 subunit leads to an inactivating phenotype of MaxiK channels. Furthermore, addition of a synthetic N-terminal peptide of the β2 subunit causes inactivation of the MaxiK channel α subunit by occluding its K+-conducting pore resembling the inactivation caused by the “ball” peptide in voltage-dependent K+ channels. Thus, the inactivating phenotype of MaxiK channels in native tissues can result from the association with different β subunits.

Calcium block of Na+ channels and its effect on closing rate

Calcium ion transiently blocks Na+ channels, and it shortens the time course for closing of their activation gates. We examined the relation between block and closing kinetics by using the Na+ channels natively expressed in GH3 cells, a clonal line of rat pituitary cells. To simplify analysis, inactivation of the Na+ channels was destroyed by including papain in the internal medium. All divalent cations tested, and trivalent La3+, blocked a progressively larger fraction of the channels as their concentration increased, and they accelerated the closing of the Na+ channel activation gate. For calcium, the most extensively studied cation, there is an approximately linear relation between the fraction of the channels that are calcium-blocked and the closing rate. Extrapolation of the data to very low calcium suggests that closing rate is near zero when there is no block. Analysis shows that, almost with certainty, the channels can close when occupied by calcium. The analysis further suggests that the channels close preferentially or exclusively from the calcium-blocked state.

Distinguishing surface effects of calcium ion from pore-occupancy effects in Na+ channels

The effects of calcium ion on the Na+ activation gate were studied in squid giant axons. Saxitoxin (STX) was used to block ion entry into Na+ channels without hindering access to the membrane surface, making it possible to distinguish surface effects of calcium from pore-occupancy effects. In the presence of STX, gating kinetics were measured from gating current (Ig). The kinetic effects of external calcium concentration changes were small when STX was present. In the absence of STX, lowering the calcium concentration (from 100 to 10 mM) slowed the closing of Na+ channels (measured from INa tails) by more than a factor of 2. Surprisingly, the voltage sensitivity of closing kinetics changed with calcium concentration, and it was modified by STX. Voltage sensitivity apparently depends in part on the ability of calcium to enter and block the channels as voltage is driven negative. In external medium with no added calcium, INa tail current initially increases in amplitude severalfold with the relief of calcium block, then progressively slows and gets smaller, as calcium diffuses out of the layers investing the axon. INa tails seen just before the current disappears suggest that closing in the absence of channel block is very slow or does not occur. INa amplitude and kinetics are completely restored when calcium is returned. The results strongly suggest that calcium occupancy is a requirement for channel closing and that nonoccupied channels fold reversibly into a nonfunctional conformation.

Factors controlling the competition among rotational and vibrational energy transfer channels in glyoxal

The state-to-state transfer of rotational and vibrational energy has been studied for S1 glyoxal (CHOCHO) in collisions with D2, N2, CO and C2H4 using crossed molecular beams. A laser is used to pump glyoxal seeded in He to its S1 zero point level with zero angular momentum about its top axis (K′ = 0). The inelastic scattering to each of at least 26 S1 glyoxal rotational and rovibrational levels is monitored by dispersed S1–S0 fluorescence. Various collision partners are chosen to investigate the relative influences of reduced mass and the collision pair interaction potential on the competition among the energy transfer channels. When the data are combined with that obtained previously from other collision partners whose masses range from 2 to 84 amu, it is seen that the channel competition is controlled primarily by the kinematics of the collisional interaction. Variations in the intermolecular potential play strictly a secondary role.