Breaking the 400 ppm barrier: Physical and Social implications of the recent CO2 rise

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Crystals that count! Physical principles and experimental investigations of DNA tile self-assembly

Algorithmic DNA tiles systems are fascinating. From a theoretical perspective, they can result in simple systems that assemble themselves into beautiful, complex structures through fundamental interactions and logical rules. As an experimental technique, they provide a promising method for programmably assembling complex, precise crystals that can grow to considerable size while retaining nanoscale resolution. In the journey from theoretical abstractions to experimental demonstrations, however, lie numerous challenges and complications.

In this thesis, to examine these challenges, we consider the physical principles behind DNA tile self-assembly. We survey recent progress in experimental algorithmic self-assembly, and explain the simple physical models behind this progress. Using direct observation of individual tile attachments and detachments with an atomic force microscope, we test some of the fundamental assumptions of the widely-used kinetic Tile Assembly Model, obtaining results that fit the model to within error. We then depart from the simplest form of that model, examining the effects of DNA sticky end sequence energetics on tile system behavior. We develop theoretical models, sequence assignment algorithms, and a software package, StickyDesign, for sticky end sequence design.

As a demonstration of a specific tile system, we design a binary counting ribbon that can accurately count from a programmable starting value and stop growing after overflowing, resulting in a single system that can construct ribbons of precise and programmable length. In the process of designing the system, we explain numerous considerations that provide insight into more general tile system design, particularly with regards to tile concentrations, facet nucleation, the construction of finite assemblies, and design beyond the abstract Tile Assembly Model.

Finally, we present our crystals that count: experimental results with our binary counting system that represent a significant improvement in the accuracy of experimental algorithmic self-assembly, including crystals that count perfectly with 5 bits from 0 to 31. We show some preliminary experimental results on the construction of our capping system to stop growth after counters overflow, and offer some speculation on potential future directions of the field.

Enfrentando mudanças e valorizando a vida - uma referência para a enfermeira no cuidado à mulher submetida à cirurgia ginecológica

Diversos estudos que abordam as repercussões das cirurgias ginecológicas na vida da mulher apontam para uma relação existente com aspectos subjetivos, em virtude da construção social da identidade feminina, indicando que a perda de órgãos ginecológicos pode interferir na maneira da mulher se perceber e se relacionar com o mundo. O presente estudo tem como objeto o processo de interação da mulher no contexto das cirurgias ginecológicas. Para isso foram formulados os objetivos: Descrever os significados da cirurgia ginecológica para a mulher submetida a este procedimento e Analisar o processo de interação da mulher com ela mesma e com o seu núcleo social a partir dos significados por ela atribuídos à cirurgia ginecológica, considerando o fenômeno da mutilação. O estudo de natureza qualitativa, do tipo descritivo-exploratório, teve como referencial teórico-metodológico o Interacionismo Simbólico e a Grounded Theory, que subsidiaram uma interpretação da ação e das relações das mulheres no contexto da cirurgia ginecológica e da mutilação, baseados na definição e interpretação de significados por elas atribuídos. Dos resultados emergiram quatro categorias: Investigando a doença e decidindo aceitar a cirurgia, A passagem pela cirurgia: vivendo o processo de resolução do problema, Enfrentando as mudanças impostas pela cirurgia e Valorizando a vida. Evidenciou-se que ao receber o diagnóstico da doença, a mulher interage com dúvidas, medos, a busca por informação e pelos benefícios da cirurgia, e por fim decide aceitá-la. Ao passar pela cirurgia, vivencia incômodos, complicações, compreende que perdeu uma parte do corpo e procura conformar-se, tentando crer que foi o único caminho. As diversas mudanças que ocorrem fazem-na construir novos significados e mudar a percepção de si e do seu meio social, a partir da interação consigo mesma e com este meio, fazendo-a refletir sobre a sexualidade, seus relacionamentos, sua saúde, a diferença no corpo e em si mesma, nas funções que desempenha e sobre a mutilação provocada pela cirurgia. O desenvolvimento de mecanismos de enfrentamento, como comparar sua cirurgia e histórias com outras, identificar aprendizados com a experiência, buscar formas de superação e resignar-se resultaram na valorização da vida e na vontade de viver melhor. Percebe-se a importância da enfermeira estabelecer um cuidado multidimensional, que identifique as necessidades que vão além do corpo biológico, respeitando as particularidades e a individualidade no momento do cuidado e contribuindo para o bem-estar físico, psíquico, social e espiritual das mulheres.

As práticas de saúde do enfermeiro e do agente comunitário de saúde na visita domiciliar da Estratégia Saúde da Família

Esta pesquisa teve como objetivo conhecer os sentidos atribuídos pelos enfermeiros e agentes comunitários de saúde da Estratégia Saúde da Família do município do Rio de Janeiro/RJ acerca das práticas de saúde desenvolvidas na visita domiciliar. É um estudo descritivo, de natureza qualitativa e teve como abordagem metodológica a hermenêutica-dialética. O cenário foi a cidade do Rio de Janeiro/RJ, em duas Unidades Básicas de Saúde da Família (UBSF) da Área Programática 3.1. Os sujeitos foram 08 enfermeiros e 07 agentes comunitários de saúde (ACSs) atuantes nas UBSF selecionadas. A coleta de dados foi realizada entre janeiro e março de 2010, por meio de entrevistas semi-estruturadas e para a avaliação dos resultados utilizou-se a técnica de análise de conteúdo proposta por Bardin. A partir dos resultados alcançados foi possível elaborar três categorias de estudo: a primeira trata das práticas de saúde do enfermeiro e do ACS na Estratégia Saúde da Família (ESF); a segunda aborda a visita domiciliar do enfermeiro e do ACS, a qual inclui subcategorias sobre o trabalho em equipe na visita domiciliar, as dificuldades na realização da visita domiciliar, o planejamento da visita domiciliar, o vínculo entre enfermeiro, ACS e família na visita domiciliar e a interação profissional do enfermeiro e do ACS na visita domiciliar; a última categoria trata dos sentidos atribuídos pelos enfermeiros e ACSs acerca das práticas de saúde desenvolvidas na visita domiciliar, as quais incluem subcategorias sobre as práticas de saúde do enfermeiro e do ACS na visita domiciliar e as opiniões sobre a visita domiciliar. Com a análise dos dados constatou-se que os enfermeiros e os ACS's desenvolvem diversas práticas de saúde na ESF, com destaque para as práticas de cuidado. As práticas de cuidado do enfermeiro na visita domiciliar estão voltadas para a investigação das necessidades de saúde e realização das atividades assistenciais. Já as do ACS estão voltadas para a identificação de demandas. A escuta ativa, a observação da estrutura física, da alimentação e das relações familiares e a educação em saúde são as principais práticas de cuidado realizadas em conjunto por estes profissionais na visita domiciliar. O percentual de visitas domiciliares semanais do enfermeiro está abaixo do esperado, sendo que a principal justificativa para este baixo índice é a sobrecarga de trabalho na UBSF. Ficou evidente que a interação profissional entre enfermeiro e ACS na visita domiciliar é pequena, pois diversas vezes, o ACS está presente na visita domiciliar do enfermeiro apenas como acompanhante. Por fim, pode-se constatar que o cuidado desenvolvido por enfermeiros e por ACSs é distinto. A prática de cuidado que o enfermeiro desenvolve na visita domiciliar é específica, destinada às famílias com prioridades de saúde e a que o ACS desenvolve é mais ampla, voltada para todas as famílias da microárea. Estas conclusões demonstram a necessidade de estimular enfermeiros e ACSs a (re)pensarem as práticas de saúde desenvolvidas na visita domiciliar, bem como a compreenderem e discutirem seus papéis e a interação nesta atividade.

A pessoa estomizada e o processo de inclusão no trabalho: contribuição para a enfermagem

Estudo cujo objeto tratou da inclusão do cliente estomizado no mundo do trabalho. Os objetivos foram: identificar as dificuldades e facilidades dos clientes estomizados para inclusão no mundo do trabalho; analisar as possibilidades de inclusão no mundo do trabalho; discutir, a partir do ponto de vista do cliente estomizado, as orientações fornecidas pelos enfermeiros com vistas à inclusão no mundo do trabalho. O referencial teórico baseou-se no campo da Saúde do Trabalhador, enfocando a reabilitação profissional e o capítulo de bases conceituais abordou o conhecimento da estomaterapia, do mundo do trabalho, da deficiência física e aspectos legais que envolvem a reabilitação do estomizado no mundo laboral. O desenho metodológico foi de uma pesquisa descritiva, exploratória, de natureza qualitativa, realizada com 20 clientes estomizados definitivos, aos quais se aplicou uma entrevista semiestruturada. O método de análise dos dados foi a Análise Temática de Conteúdo, a qual fez emergir quatro categorias: a) Sentidos do Trabalho para o Ser Estomizado; b) O Estomizado e Sua Problemática Biopsicossocial; c) Contexto Social e Aspectos Legais Envolvendo a Inclusão do Estomizado no Mundo Laboral; d) O Enfermeiro e Sua Participação na Reabilitação do Cliente Estomizado. Os resultados revelaram que a maioria dos sujeitos trabalhava informalmente e recebia ao mesmo tempo algum auxílio governamental. Ressalta-se que eles reconheciam a ilegalidade desta situação, porém, julgavam-na necessária devido aos baixos valores dos benefícios, enfatizando-se a sensação de utilidade causada pelo fato de trabalharem. Referiram que o retorno ao trabalho era prejudicado devido a empecilhos encontrados nas dimensões psíquica, física e social, as quais estavam articuladas intimamente. Enfatizaram grande dificuldade em encontrarem empregos adequados às suas especificidades, e que não prejudicassem sua condição de saúde, pois há necessidade de banheiros adaptados, de não exposição ao calor na região do estoma e nem a esforços físicos severos, sem contar com a necessidade de um emprego que lhes permita flexibilidade para irem às consultas da equipe multiprofissional. Os maiores empecilhos sociais referiram-se ao desconhecimento e descaso social e governamental a respeito do que é ser estomizado, pois esta problemática não é divulgada, e nem conhecida pela maioria da população. Em relação aos enfermeiros, os sujeitos foram quase unânimes em referirem falta de orientação por parte desses profissionais, acerca de esclarecerem sobre sua inclusão no mundo do trabalho. Este fato caracterizou-se como preocupante, pois os enfermeiros são educadores por excelência e a orientação está intimamente ligada ao processo de reabilitação. Concluiu-se que o retorno ao trabalho foi considerado essencial, mas existem inúmeras dificuldades para que este retorno e manutenção no universo laboral. Estes empecilhos os levam a adquirirem aposentadorias precoces ou auxílios-doença. Há de se rever o processo de reabilitação da pessoa com estoma, especialmente no que se refere a sua inclusão no mundo do trabalho, no sentido de melhor prepará-la para suas potencialidades e limitações, destacando-se que ela não é incapaz e que existem atividades formais em que elas podem ser produtivas e felizes.

Fibromialgia e dor: um estudo de caso sobre mal-estar no trabalho e adoecimento

A fibromialgia é uma síndrome reumática que atinge cerca de 2% da população brasileira, sendo 90% dos pacientes do gênero feminino. Os principais sintomas são dor crônica generalizada, depressão, desânimo e fadiga acentuada, provocando dificuldades sociais e afetivas cotidianas. Objetivo: O objetivo principal deste estudo foi apreender e interpretar sentidos e significados que mulheres com fibromialgia atribuem às práticas terapêuticas corporais realizadas no Projeto de Extensão: Tratamento Multidisciplinar para Pacientes Portadores de Fibromialgia realizado na Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ). Todas as mulheres foram diagnosticadas em ambulatórios públicos e privados e depois se inscreveram voluntariamente no tratamento gratuito disponibilizado. Nossa principal hipótese de estudo procura relacionar o adoecimento dessas mulheres com o regime social de trabalho, que aumenta o sofrimento e, por conseguinte, provoca somatização do mal-estar gerado. Métodos: Trata-se de um estudo socioantropológico com campo etnográfico, no qual foram observadas as práticas corporais semanais nos anos 2009-2010. Também foram realizadas fotografias e entrevistas em profundidade com todas as mulheres que participavam regularmente das práticas corporais. De igual modo, realizamos entrevistas por computador e por telefone com mulheres diagnosticadas por fibromialgia em diversas cidades brasileiras. Resultados: Foi possível compreender que estar em um local onde podem se relacionar com outras pessoas com os mesmos sinais e sintomas e que compartilhar situações de sofrimento semelhantes contribui para construção de uma identidade de grupo baseada no cuidado e no acolhimento. Assim, elas constroem coletivamente valores de cuidado com o corpo e com a saúde. Conclusões: A participação assídua no tratamento oferecido aumenta a qualidade de vida e a vitalidade de mulheres com fibromialgia, contribuindo para a promoção da saúde não apenas na sua dimensão físico-orgânica, mas em sua totalidade sócio-afetiva.

Physical, Metabolic, and Energetic Investigations of Methane-Metabolizing Microbial Communities

Understanding the roles of microorganisms in environmental settings by linking phylogenetic identity to metabolic function is a key challenge in delineating their broad-scale impact and functional diversity throughout the biosphere. This work addresses and extends such questions in the context of marine methane seeps, which represent globally relevant conduits for an important greenhouse gas. Through the application and development of a range of culture-independent tools, novel habitats for methanotrophic microbial communities were identified, established settings were characterized in new ways, and potential past conditions amenable to methane-based metabolism were proposed. Biomass abundance and metabolic activity measures – both catabolic and anabolic – demonstrated that authigenic carbonates associated with seep environments retain methanotrophic activity, not only within high-flow seep settings but also in adjacent locations exhibiting no visual evidence of chemosynthetic communities. Across this newly extended habitat, microbial diversity surveys revealed archaeal assemblages that were shaped primarily by seepage activity level and bacterial assemblages influenced more substantially by physical substrate type. In order to reliably measure methane consumption rates in these and other methanotrophic settings, a novel method was developed that traces deuterium atoms from the methane substrate into aqueous medium and uses empirically established scaling factors linked to radiotracer rate techniques to arrive at absolute methane consumption values. Stable isotope probing metaproteomic investigations exposed an array of functional diversity both within and beyond methane oxidation- and sulfate reduction-linked metabolisms, identifying components of each proposed enzyme in both pathways. A core set of commonly occurring unannotated protein products was identified as promising targets for future biochemical investigation. Physicochemical and energetic principles governing anaerobic methane oxidation were incorporated into a reaction transport model that was applied to putative settings on ancient Mars. Many conditions enabled exergonic model reactions, marking the metabolism and its attendant biomarkers as potentially promising targets for future astrobiological investigations. This set of inter-related investigations targeting methane metabolism extends the known and potential habitat of methanotrophic microbial communities and provides a more detailed understanding of their activity and functional diversity.

Aspects of the washout of salmonid eggs. 1. Observations on the physical characteristics of real and artificial eggs, their rate of fall in a water column and their pattern of settlement in an experimental channel

When salmonid redds are disrupted by spates, the displaced eggs will drift downstream. The mean distance of travel, the types of locations in which the eggs resettle and the depth of reburial of displaced eggs are not known. Investigation of these topics under field conditions presents considerable practical problems, though the use of artificial eggs might help to overcome some of them. Attempts to assess the similarities and/or differences in performance between real and artificial eggs are essential before artificial eggs can validly be used to simulate real eggs. The present report first compares the two types of egg in terms of their measurable physical characteristics (e.g. dimensions and density). The rate at which eggs fall in still water will relate to the rate at which they are likely to resettle in flowing water in the field. As the rate of fall will be influenced by a number of additional factors (e.g. shape and surface texture) which are not easily measured directly, the rates of fall of the two types of egg have been compared directly under controlled conditions. Finally, comparisons of the pattern of settlement of the two types of egg in flowing water in an experimental channel have been made. Although the work was primarily aimed at testing the value of artificial eggs as a simulation of real eggs, several side issues more directly concerned with the properties of real eggs and the likely distance of drift in natural streams have also been explored. This is the first of three reports made on this topic by the author in 1984.

Deep near-infrared spectroscopy of high-redshift galaxies: the physical growth of passive systems

The assembly history of massive galaxies is one of the most important aspects of galaxy formation and evolution. Although we have a broad idea of what physical processes govern the early phases of galaxy evolution, there are still many open questions. In this thesis I demonstrate the crucial role that spectroscopy can play in a physical understanding of galaxy evolution. I present deep near-infrared spectroscopy for a sample of high-redshift galaxies, from which I derive important physical properties and their evolution with cosmic time. I take advantage of the recent arrival of efficient near-infrared detectors to target the rest-frame optical spectra of z > 1 galaxies, from which many physical quantities can be derived. After illustrating the applications of near-infrared deep spectroscopy with a study of star-forming galaxies, I focus on the evolution of massive quiescent systems.

Most of this thesis is based on two samples collected at the W. M. Keck Observatory that represent a significant step forward in the spectroscopic study of z > 1 quiescent galaxies. All previous spectroscopic samples at this redshift were either limited to a few objects, or much shallower in terms of depth. Our first sample is composed of 56 quiescent galaxies at 1 < z < 1.6 collected using the upgraded red arm of the Low Resolution Imaging Spectrometer (LRIS). The second consists of 24 deep spectra of 1.5 < z < 2.5 quiescent objects observed with the Multi-Object Spectrometer For Infra-Red Exploration (MOSFIRE). Together, these spectra span the critical epoch 1 < z < 2.5, where most of the red sequence is formed, and where the sizes of quiescent systems are observed to increase significantly.

We measure stellar velocity dispersions and dynamical masses for the largest number of z > 1 quiescent galaxies to date. By assuming that the velocity dispersion of a massive galaxy does not change throughout its lifetime, as suggested by theoretical studies, we match galaxies in the local universe with their high-redshift progenitors. This allows us to derive the physical growth in mass and size experienced by individual systems, which represents a substantial advance over photometric inferences based on the overall galaxy population. We find a significant physical growth among quiescent galaxies over 0 < z < 2.5 and, by comparing the slope of growth in the mass-size plane dlogR_e/dlogM_∗ with the results of numerical simulations, we can constrain the physical process responsible for the evolution. Our results show that the slope of growth becomes steeper at higher redshifts, yet is broadly consistent with minor mergers being the main process by which individual objects evolve in mass and size.

By fitting stellar population models to the observed spectroscopy and photometry we derive reliable ages and other stellar population properties. We show that the addition of the spectroscopic data helps break the degeneracy between age and dust extinction, and yields significantly more robust results compared to fitting models to the photometry alone. We detect a clear relation between size and age, where larger galaxies are younger. Therefore, over time the average size of the quiescent population will increase because of the contribution of large galaxies recently arrived to the red sequence. This effect, called progenitor bias, is different from the physical size growth discussed above, but represents another contribution to the observed difference between the typical sizes of low- and high-redshift quiescent galaxies. By reconstructing the evolution of the red sequence starting at z ∼ 1.25 and using our stellar population histories to infer the past behavior to z ∼ 2, we demonstrate that progenitor bias accounts for only half of the observed growth of the population. The remaining size evolution must be due to physical growth of individual systems, in agreement with our dynamical study.

Finally, we use the stellar population properties to explore the earliest periods which led to the formation of massive quiescent galaxies. We find tentative evidence for two channels of star formation quenching, which suggests the existence of two independent physical mechanisms. We also detect a mass downsizing, where more massive galaxies form at higher redshift, and then evolve passively. By analyzing in depth the star formation history of the brightest object at z > 2 in our sample, we are able to put constraints on the quenching timescale and on the properties of its progenitor.

A consistent picture emerges from our analyses: massive galaxies form at very early epochs, are quenched on short timescales, and then evolve passively. The evolution is passive in the sense that no new stars are formed, but significant mass and size growth is achieved by accreting smaller, gas-poor systems. At the same time the population of quiescent galaxies grows in number due to the quenching of larger star-forming galaxies. This picture is in agreement with other observational studies, such as measurements of the merger rate and analyses of galaxy evolution at fixed number density.

Changes in physical and chemical variables

An article reviewing the work undertaken looking at the seasonal variation of chemical conditions in water at various depths in lakes. The laboratory tests undertaken for the research is outlined, as well as details of the sampling locations and the staff involved with the work. One figure shows the seasonal variation in the amounts of dissolved substances in the surface water of Windermere during 1936. Another figure shows seasonal varation inthe dry weight of phyto- and zooplankton in Windermere. Seasonal changes are discussed further and a table is included showing chemical conditions in winter and summer for Windermere.

Invisível, sutil e palpável: Shén神 nas dimensões diagnose e terapêutica da Racionalidade Médica Chinesa

Shén神 é uma categoria chinesa de sentidos múltiplos e abrangentes, presente na filosofia e na medicina. Direcionaria o processo de surgimento de todas as coisas no universo, como uma força configuradora. Na pessoa, atuaria sobre todos os estágios de desenvolvimento corporal e pessoal, do nascimento até a morte, caracterizando-a como pessoa única no universo. Teve seus sentidos reduzidos pela Medicina Chinesa Contemporânea, hegemônica na China e instituída após a Revolução comunista. Costuma ser traduzida como Espírito ou Mente no ocidente e é indissociável do corpo físico. Está presente em todas as dimensões da Racionalidade Médica Chinesa, observando-se na literatura convencional, grande abrangência de sentidos quando tratada pela dimensão cosmológica, porém costuma ser reduzida aos sentidos de mente, segundo definições ocidentais, quando tratada pelas dimensões de ordem prática: diagnose e terapêutica. O desafio desta tese foi elaborar uma síntese entre os sentidos cosmológicos e as dimensões práticas. Para isso, procedeu a uma pesquisa teórico conceitual, a partir de leituras e interpretações ocidentais de textos clássicos chineses, elaboradas por autores com critério filológico apurado. Observou-se que os sentidos de Shén神 se fazem presentes em ressonância recíproca com diversas outras categorias da Doutrina Médica Chinesa, como Qì氣, Xuè血, Jīng精, Qìng情, Emoções, Zàng-Fǔ贓腑, Órgãos e Vísceras, entre outras. Cada uma delas com atribuições específicas, que, porém, se reorganizariam em ressonância com as outras. Assim, ao proceder a diagnose e instituir uma terapêutica direcionada a cada uma dessas categorias, o terapeuta estaria interferindo diretamente sobre Shén神 e vice versa. Shén神 poderia assumir sentidos diversos, numa visão de totalidade. A partir daí, percebeu-se a necessidade de estudar essas categorias em ressonância com Shén神, além da própria diagnose e da terapêutica, à luz das premissas do Pensamento Chinês. Categorias como processo, totalidade, potencial ou eficácia ajudaram a apreender, não só os amplos sentidos de Shén神, e suas ressonâncias, mas também as peculiaridades do ato de diagnosticar e tratar na Racionalidade Médica Chinesa. Foi, então, elaborada uma visão da Diagnose e da Terapêutica capaz de contemplar Shén神 e suas ressonâncias, que se espera poder utilizar nos serviços de saúde, contribuindo para estratégias de promoção da saúde, estreitamento de vínculos terapeuta-paciente e maior eficácia terapêutica na prática da Racionalidade Médica Chinesa.

Distributed Optimal Control of Cyber-Physical Systems: Controller Synthesis, Architecture Design and System Identification

The centralized paradigm of a single controller and a single plant upon which modern control theory is built is no longer applicable to modern cyber-physical systems of interest, such as the power-grid, software defined networks or automated highways systems, as these are all large-scale and spatially distributed. Both the scale and the distributed nature of these systems has motivated the decentralization of control schemes into local sub-controllers that measure, exchange and act on locally available subsets of the globally available system information. This decentralization of control logic leads to different decision makers acting on asymmetric information sets, introduces the need for coordination between them, and perhaps not surprisingly makes the resulting optimal control problem much harder to solve. In fact, shortly after such questions were posed, it was realized that seemingly simple decentralized optimal control problems are computationally intractable to solve, with the Wistenhausen counterexample being a famous instance of this phenomenon. Spurred on by this perhaps discouraging result, a concerted 40 year effort to identify tractable classes of distributed optimal control problems culminated in the notion of quadratic invariance, which loosely states that if sub-controllers can exchange information with each other at least as quickly as the effect of their control actions propagates through the plant, then the resulting distributed optimal control problem admits a convex formulation.

The identification of quadratic invariance as an appropriate means of "convexifying" distributed optimal control problems led to a renewed enthusiasm in the controller synthesis community, resulting in a rich set of results over the past decade. The contributions of this thesis can be seen as being a part of this broader family of results, with a particular focus on closing the gap between theory and practice by relaxing or removing assumptions made in the traditional distributed optimal control framework. Our contributions are to the foundational theory of distributed optimal control, and fall under three broad categories, namely controller synthesis, architecture design and system identification.

We begin by providing two novel controller synthesis algorithms. The first is a solution to the distributed H-infinity optimal control problem subject to delay constraints, and provides the only known exact characterization of delay-constrained distributed controllers satisfying an H-infinity norm bound. The second is an explicit dynamic programming solution to a two player LQR state-feedback problem with varying delays. Accommodating varying delays represents an important first step in combining distributed optimal control theory with the area of Networked Control Systems that considers lossy channels in the feedback loop. Our next set of results are concerned with controller architecture design. When designing controllers for large-scale systems, the architectural aspects of the controller such as the placement of actuators, sensors, and the communication links between them can no longer be taken as given -- indeed the task of designing this architecture is now as important as the design of the control laws themselves. To address this task, we formulate the Regularization for Design (RFD) framework, which is a unifying computationally tractable approach, based on the model matching framework and atomic norm regularization, for the simultaneous co-design of a structured optimal controller and the architecture needed to implement it. Our final result is a contribution to distributed system identification. Traditional system identification techniques such as subspace identification are not computationally scalable, and destroy rather than leverage any a priori information about the system's interconnection structure. We argue that in the context of system identification, an essential building block of any scalable algorithm is the ability to estimate local dynamics within a large interconnected system. To that end we propose a promising heuristic for identifying the dynamics of a subsystem that is still connected to a large system. We exploit the fact that the transfer function of the local dynamics is low-order, but full-rank, while the transfer function of the global dynamics is high-order, but low-rank, to formulate this separation task as a nuclear norm minimization problem. Finally, we conclude with a brief discussion of future research directions, with a particular emphasis on how to incorporate the results of this thesis, and those of optimal control theory in general, into a broader theory of dynamics, control and optimization in layered architectures.

The impact of physical processes on algal growth

Mixing and transport processes in surface waters strongly influence the structure of aquatic ecosystems. The impact of mixing on algal growth is species-dependent, affecting the competition among species and acting as a selective factor for the composition of the biocoenose. Were it not for the ever-changing ”aquatic weather”, the composition of pelagic ecosystems would be relatively simple. Probably just a few optimally adapted algal species would survive in a given water-body. In contrast to terrestrial ecosystems, in which the spatial heterogeneity is primarily responsible for the abundance of niches, in aquatic systems (especially in the pelagic zone) the niches are provided by the temporal structure of physical processes. The latter are discussed in terms of the relative sizes of physical versus biological time-scales. The relevant time-scales of mixing and transport cover the range between seconds and years. Correspondingly, their influence on growth of algae is based on different mechanisms: rapid changes are relevant for the fast biological processes such as nutrient uptake and photosynthesis, and the slower changes are relevant for the less dynamic processes such as growth, respiration, mineralization, and settling of algal cells. Mixing time-scales are combined with a dynamic model of photosynthesis to demonstrate their influence on algal growth.