Runup variability due to time dependence and stochasticity in the beach profiles: two extreme cases of the Spanish coast

Equations for extreme runup worked out from several experimental studies are compared. Infragraviatory oscillations dominate the swash in a dissipative state but not in intermediate - reflective states. Therefore two kinds of equation depending on either significant wave height, H-0, or the Iribarren number, xi(0), should be used. Through a sand bed physical model with a uniform sand bed slope, equations are proposed for both beach states, and results are compared with precedent field and physical model experiments. Once the equations are chosen, the time-longshore variability in a medium - long term time scale of the foreshore slope is evaluated in two extreme cases relating to the Spanish coast. The Salinas beach on the North coast (Bay of Biscay) displayed a permanent dissipative beach state with small variations in the beach foreshore slope both along the shore and in time, so foreshore slope deviations in a medium-long term period were irrelevant and extreme runup is predicted with the wave height worked out from the design return period. Peniscola beach on the East coast (Mediterranean sea) displayed an intermediate state. If only time variations are analysed, variations in determining extreme runup are irrelevant. In contrast, significant differences were found when the longshore variations were studied in this Mediterranean beach.

Caracterización de parámetros petrofísicos relacionados con la capacidad de almacenamiento de CO2 en el acuífero salino profundo de Hontomín (Burgos)

La conciencia de la crisis de la modernidad -que comienza ya a finales del siglo XIX- ha cobrado más experiencia debido al conocimiento de los límites del desarrollo económico, ya que como parecía razonable pensar, también los recursos naturales son finitos. En 1972, el Club de Roma analizó las distintas opciones disponibles para conseguir armonizar el desarrollo sostenible y las limitaciones medioambientales. Fue en 1987 cuando la Comisión Mundial para el Medio Ambiente y el Desarrollo de la ONU definía por primera vez el concepto de desarrollo sostenible. Definición que posteriormente fue incorporada en todos los programas de la ONU y sirvió de eje, por ejemplo, a la Cumbre de la Tierra celebrada en Río de Janeiro en 1992. Parece evidente que satisfacer la demanda energética, fundamentalmente desde la Revolución Industrial en el s XIX, trajo consigo un creciente uso de los combustibles fósiles, con la consiguiente emisión de los gases de efecto invernadero (GEI) y el aumento de la temperatura global media terrestre. Esta temperatura se incrementó en los últimos cien años en una media de 0.74ºC. La mayor parte del incremento observado desde la mitad del siglo XX en esta temperatura media se debe, con una probabilidad de al menos el 90%, al aumento observado en los GEI antropogénicos, siendo uno de ellos el CO2 que proviene de la transformación del carbono de los combustibles fósiles durante su combustión. Ante el creciente uso de los combustibles fósiles, los proyectos CAC, proyectos de captura, transporte y almacenamiento, se presentan como una contribución al desarrollo sostenible ya que se trata de una tecnología que permite mitigar el cambio climático. Para valorar si la tecnología CAC es sostenible, habrá que comprobar si existe o no capacidad para almacenar el CO2 en una cantidad mayor a la de producción y durante el tiempo necesario que impone la evolución de la concentración de CO2 en la atmósfera para mantenerla por debajo de las 450ppmv (concentración de CO2 que propone el Panel Intergubernamental para el Cambio Climático). El desarrollo de los proyectos CAC completos pasa por la necesaria selección de adecuados almacenes de CO2 que sean capaces de soportar los efectos de las presiones de inyección, así como asegurar la capacidad de dichos almacenes y la estanqueidad del CO2 en los mismos. La caracterización geológica de un acuífero susceptible de ser almacén de CO2 debe conducir a determinar las propiedades que dicho almacén posee para asegurar un volumen adecuado de almacenamiento, una inyectabilidad del CO2 en el mismo a un ritmo adecuado y la estanqueidad del CO2 en dicho acuífero a largo plazo. El presente trabajo pretende estudiar los parámetros que tienen influencia en el cálculo de la capacidad del almacén, para lo que en primer lugar se ha desarrollado la tecnología necesaria para llevar a cabo la investigación mediante ensayos de laboratorio. Así, se ha desarrollado una patente, "ATAP, equipo para ensayos petrofísicos (P201231913)", con la que se ha llevado a cabo la parte experimental de este trabajo para la caracterización de los parámetros que tienen influencia en el cálculo de la capacidad del almacén. Una vez desarrollada la tecnología, se aborda el estudio de los distintos parámetros que tienen influencia en la capacidad del almacén realizando ensayos con ATAP. Estos ensayos definen el volumen del almacenamiento, llegándose a la conclusión de que en la determinación de este volumen, juegan un papel importante el alcance de los mecanismos trampa, físicos o químicos, del CO2 en el almacén. Ensayos que definen la capacidad del almacén de "aceptar" o "rechazar" el CO2 inyectado, la inyectabilidad, y por último, ensayos encaminados a determinar posibles fugas que se pueden dar a través de los pozos de inyección, definidos estos como caminos preferenciales de fugas en un almacén subterráneo de CO2. Queda de este modo caracterizada la estanqueidad del CO2 en el acuífero a largo plazo y su influencia obvia en la determinación de la capacidad del almacén. Unido al propósito de la estimación de la capacidad del almacén, se encuentra el propósito de asegurar la estanqueidad de dichos almacenes en el tiempo, y adelantarse a la evolución de la pluma de CO2 en el interior de dichos almacenes. Para cumplir este propósito, se ha desarrollado un modelo dinámico a escala de laboratorio, mediante el programa ECLIPSE 300, con el fin de establecer una metodología para el cálculo de la capacidad estimada del almacén, así como el estudio de la evolución de la pluma de CO2 dentro del acuífero a lo largo del tiempo, partiendo de los resultados obtenidos en los ensayos realizados en ATAP y con la modelización de la probeta de roca almacén empleada en dichos ensayos. Presentamos por tanto un trabajo que establece las bases metodológicas para el estudio de la influencia de distintos parámetros petrofísicos en el cálculo de la capacidad del almacén unidos al desarrollo tecnológico de ATAP y su utilización para la determinación de dichos parámetros aplicables a cada acuífero concreto de estudio. ABSTRACT The crisis of modernity –which begins at the end of 19th Century- has been more important due to the knowledge of the limits of economic development, since it appeared to be thought reasonable, the natural resources are finite. In 1972, The Club of Rome analyzed the different options available in order to harmonize the sustainability and the environment development. It was in 1987 when The Global Commission on The Environment and the Development of UN, defined for the first time the concept of Sustainable Development. This definition that was fully incorporated in all the UN programs and it was useful as an axis, for example, in La Cumbre de la Tierra summit in Río de Janeiro in 1992. It seems obvious to satisfy energetic demand, basically after The Industrial Revolution in 19th Century, which represented an increasing use of fossil fuels, therefore greenhouse gases emission and the increasing of global average temperature. This temperature increased in the last 100 years up to 0.74ºC. The major part of the temperature increase is due to the increase observed in Greenhouse gases with human origin, at least with 90% of probability. The most important gas is the CO2 because of its quantity. In the face of the increasing use of fossil fuels, the CCS projects, Carbon Capture and Storage projects, appear as a contribution of sustainable development since it is a technology for avoiding the climate change. In order to evaluate if CCS technology is sustainable, it will be necessary to prove if the capacity for CO2 storage is available or not in a quantity greater than the production one and during the time necessary to keep the CO2 concentration in the atmosphere lower than 450ppmv (concentration imposed by IPCC). The development of full CCS projects goes through the selection of good CO2 storages that are able to support the effects of pressure injection, and assure the capacity of such storages and the watertightness of CO2. The geological characterization of the aquifer that could be potential CO2 storage should lead to determine the properties that such storage has in order to assure the adequate storage volume, the CO2 injectivity in a good rate, and the watertightness of the CO2 in the long term. The present work aims to study the parameters that have influence on the calculation of storage capacity, and for that purpose the appropriate technology has been developed for carrying out the research by mean of laboratory tests. Thus, a patent has been developed, "ATAP, equipo para ensayos petrofísicos (P201231913)", that has been used for developing the experimental part of this work. Once the technology has been developed, the study of different parameters, that have influence on the capacity of the storage, has been addressed developing different tests in ATAP. These tests define the storage volume which is related to the scope of different CO2 trap mechanisms, physical or chemical, in the storage. Tests that define the capacity of the storage to “accept” or “reject” the injected CO2, the injectivity, and tests led to determine possible leakages through injection wells. In this way we could talk about the watertightness in the aquifer in the long term and its influence on the storage capacity estimation. Together with the purpose of the storage capacity estimation, is the purpose of assuring the watertightness of such storages in the long term and anticipating the evolution of CO2 plume inside such aquifers. In order to fulfill this purpose, a dynamic model has been developed with ECLIPSE 300, for stablishing the methodology for the calculation of storage capacity estimation and the evolution of the CO2 plume, starting out with the tests carried out in ATAP. We present this work that establishes the methodology bases for the study of the influence of different petrophysics parameters in the calculation of the capacity of the storage together with the technological development of ATAP and its utilization for the determination of such parameters applicable to each aquifer.

Climate variability effects on field crops in Iberian Peninsula. Predictability

La presente Tesis constituye un avance en el conocimiento de los efectos de la variabilidad climática en los cultivos en la Península Ibérica (PI). Es bien conocido que la temperatura del océano, particularmente de la región tropical, es una de las variables más convenientes para ser utilizado como predictor climático. Los océanos son considerados como la principal fuente de almacenamiento de calor del planeta debido a la alta capacidad calorífica del agua. Cuando se libera esta energía, altera los regímenes globales de circulación atmosférica por mecanismos de teleconexión. Estos cambios en la circulación general de la atmósfera afectan a la temperatura, precipitación, humedad, viento, etc., a escala regional, los cuales afectan al crecimiento, desarrollo y rendimiento de los cultivos. Para el caso de Europa, esto implica que la variabilidad atmosférica en una región específica se asocia con la variabilidad de otras regiones adyacentes y/o remotas, como consecuencia Europa está siendo afectada por los patrones de circulaciones globales, que a su vez, se ven afectados por patrones oceánicos. El objetivo general de esta tesis es analizar la variabilidad del rendimiento de los cultivos y su relación con la variabilidad climática y teleconexiones, así como evaluar su predictibilidad. Además, esta Tesis tiene como objetivo establecer una metodología para estudiar la predictibilidad de las anomalías del rendimiento de los cultivos. El análisis se centra en trigo y maíz como referencia para otros cultivos de la PI, cultivos de invierno en secano y cultivos de verano en regadío respectivamente. Experimentos de simulación de cultivos utilizando una metodología en cadena de modelos (clima + cultivos) son diseñados para evaluar los impactos de los patrones de variabilidad climática en el rendimiento y su predictibilidad. La presente Tesis se estructura en dos partes: La primera se centra en el análisis de la variabilidad del clima y la segunda es una aplicación de predicción cuantitativa de cosechas. La primera parte está dividida en 3 capítulos y la segundo en un capitulo cubriendo los objetivos específicos del presente trabajo de investigación. Parte I. Análisis de variabilidad climática El primer capítulo muestra un análisis de la variabilidad del rendimiento potencial en una localidad como indicador bioclimático de las teleconexiones de El Niño con Europa, mostrando su importancia en la mejora de predictibilidad tanto en clima como en agricultura. Además, se presenta la metodología elegida para relacionar el rendimiento con las variables atmosféricas y oceánicas. El rendimiento de los cultivos es parcialmente determinado por la variabilidad climática atmosférica, que a su vez depende de los cambios en la temperatura de la superficie del mar (TSM). El Niño es el principal modo de variabilidad interanual de la TSM, y sus efectos se extienden en todo el mundo. Sin embargo, la predictibilidad de estos impactos es controversial, especialmente aquellos asociados con la variabilidad climática Europea, que se ha encontrado que es no estacionaria y no lineal. Este estudio mostró cómo el rendimiento potencial de los cultivos obtenidos a partir de datos de reanálisis y modelos de cultivos sirve como un índice alternativo y más eficaz de las teleconexiones de El Niño, ya que integra las no linealidades entre las variables climáticas en una única serie temporal. Las relaciones entre El Niño y las anomalías de rendimiento de los cultivos son más significativas que las contribuciones individuales de cada una de las variables atmosféricas utilizadas como entrada en el modelo de cultivo. Además, la no estacionariedad entre El Niño y la variabilidad climática europea se detectan con mayor claridad cuando se analiza la variabilidad de los rendimiento de los cultivos. La comprensión de esta relación permite una cierta predictibilidad hasta un año antes de la cosecha del cultivo. Esta predictibilidad no es constante, sino que depende tanto la modulación de la alta y baja frecuencia. En el segundo capítulo se identifica los patrones oceánicos y atmosféricos de variabilidad climática que afectan a los cultivos de verano en la PI. Además, se presentan hipótesis acerca del mecanismo eco-fisiológico a través del cual el cultivo responde. Este estudio se centra en el análisis de la variabilidad del rendimiento de maíz en la PI para todo el siglo veinte, usando un modelo de cultivo calibrado en 5 localidades españolas y datos climáticos de reanálisis para obtener series temporales largas de rendimiento potencial. Este estudio evalúa el uso de datos de reanálisis para obtener series de rendimiento de cultivos que dependen solo del clima, y utilizar estos rendimientos para analizar la influencia de los patrones oceánicos y atmosféricos. Los resultados muestran una gran fiabilidad de los datos de reanálisis. La distribución espacial asociada a la primera componente principal de la variabilidad del rendimiento muestra un comportamiento similar en todos los lugares estudiados de la PI. Se observa una alta correlación lineal entre el índice de El Niño y el rendimiento, pero no es estacionaria en el tiempo. Sin embargo, la relación entre la temperatura del aire y el rendimiento se mantiene constante a lo largo del tiempo, siendo los meses de mayor influencia durante el período de llenado del grano. En cuanto a los patrones atmosféricos, el patrón Escandinavia presentó una influencia significativa en el rendimiento en PI. En el tercer capítulo se identifica los patrones oceánicos y atmosféricos de variabilidad climática que afectan a los cultivos de invierno en la PI. Además, se presentan hipótesis acerca del mecanismo eco-fisiológico a través del cual el cultivo responde. Este estudio se centra en el análisis de la variabilidad del rendimiento de trigo en secano del Noreste (NE) de la PI. La variabilidad climática es el principal motor de los cambios en el crecimiento, desarrollo y rendimiento de los cultivos, especialmente en los sistemas de producción en secano. En la PI, los rendimientos de trigo son fuertemente dependientes de la cantidad de precipitación estacional y la distribución temporal de las mismas durante el periodo de crecimiento del cultivo. La principal fuente de variabilidad interanual de la precipitación en la PI es la Oscilación del Atlántico Norte (NAO), que se ha relacionado, en parte, con los cambios en la temperatura de la superficie del mar en el Pacífico Tropical (El Niño) y el Atlántico Tropical (TNA). La existencia de cierta predictibilidad nos ha animado a analizar la posible predicción de los rendimientos de trigo en la PI utilizando anomalías de TSM como predictor. Para ello, se ha utilizado un modelo de cultivo (calibrado en dos localidades del NE de la PI) y datos climáticos de reanálisis para obtener series temporales largas de rendimiento de trigo alcanzable y relacionar su variabilidad con anomalías de la TSM. Los resultados muestran que El Niño y la TNA influyen en el desarrollo y rendimiento del trigo en el NE de la PI, y estos impactos depende del estado concurrente de la NAO. Aunque la relación cultivo-TSM no es igual durante todo el periodo analizado, se puede explicar por un mecanismo eco-fisiológico estacionario. Durante la segunda mitad del siglo veinte, el calentamiento (enfriamiento) en la superficie del Atlántico tropical se asocia a una fase negativa (positiva) de la NAO, que ejerce una influencia positiva (negativa) en la temperatura mínima y precipitación durante el invierno y, por lo tanto, aumenta (disminuye) el rendimiento de trigo en la PI. En relación con El Niño, la correlación más alta se observó en el período 1981 -2001. En estas décadas, los altos (bajos) rendimientos se asocian con una transición El Niño - La Niña (La Niña - El Niño) o con eventos de El Niño (La Niña) que están finalizando. Para estos eventos, el patrón atmosférica asociada se asemeja a la NAO, que también influye directamente en la temperatura máxima y precipitación experimentadas por el cultivo durante la floración y llenado de grano. Los co- efectos de los dos patrones de teleconexión oceánicos ayudan a aumentar (disminuir) la precipitación y a disminuir (aumentar) la temperatura máxima en PI, por lo tanto el rendimiento de trigo aumenta (disminuye). Parte II. Predicción de cultivos. En el último capítulo se analiza los beneficios potenciales del uso de predicciones climáticas estacionales (por ejemplo de precipitación) en las predicciones de rendimientos de trigo y maíz, y explora métodos para aplicar dichos pronósticos climáticos en modelos de cultivo. Las predicciones climáticas estacionales tienen un gran potencial en las predicciones de cultivos, contribuyendo de esta manera a una mayor eficiencia de la gestión agrícola, seguridad alimentaria y de subsistencia. Los pronósticos climáticos se expresan en diferentes formas, sin embargo todos ellos son probabilísticos. Para ello, se evalúan y aplican dos métodos para desagregar las predicciones climáticas estacionales en datos diarios: 1) un generador climático estocástico condicionado (predictWTD) y 2) un simple re-muestreador basado en las probabilidades del pronóstico (FResampler1). Los dos métodos se evaluaron en un caso de estudio en el que se analizaron los impactos de tres escenarios de predicciones de precipitación estacional (predicción seco, medio y lluvioso) en el rendimiento de trigo en secano, sobre las necesidades de riego y rendimiento de maíz en la PI. Además, se estimó el margen bruto y los riesgos de la producción asociada con las predicciones de precipitación estacional extremas (seca y lluviosa). Los métodos predWTD y FResampler1 usados para desagregar los pronósticos de precipitación estacional en datos diarios, que serán usados como inputs en los modelos de cultivos, proporcionan una predicción comparable. Por lo tanto, ambos métodos parecen opciones factibles/viables para la vinculación de los pronósticos estacionales con modelos de simulación de cultivos para establecer predicciones de rendimiento o las necesidades de riego en el caso de maíz. El análisis del impacto en el margen bruto de los precios del grano de los dos cultivos (trigo y maíz) y el coste de riego (maíz) sugieren que la combinación de los precios de mercado previstos y la predicción climática estacional pueden ser una buena herramienta en la toma de decisiones de los agricultores, especialmente en predicciones secas y/o localidades con baja precipitación anual. Estos métodos permiten cuantificar los beneficios y riesgos de los agricultores ante una predicción climática estacional en la PI. Por lo tanto, seríamos capaces de establecer sistemas de alerta temprana y diseñar estrategias de adaptación del manejo del cultivo para aprovechar las condiciones favorables o reducir los efectos de condiciones adversas. La utilidad potencial de esta Tesis es la aplicación de las relaciones encontradas para predicción de cosechas de la próxima campaña agrícola. Una correcta predicción de los rendimientos podría ayudar a los agricultores a planear con antelación sus prácticas agronómicas y todos los demás aspectos relacionados con el manejo de los cultivos. Esta metodología se puede utilizar también para la predicción de las tendencias futuras de la variabilidad del rendimiento en la PI. Tanto los sectores públicos (mejora de la planificación agrícola) como privados (agricultores, compañías de seguros agrarios) pueden beneficiarse de esta mejora en la predicción de cosechas. ABSTRACT The present thesis constitutes a step forward in advancing of knowledge of the effects of climate variability on crops in the Iberian Peninsula (IP). It is well known that ocean temperature, particularly the tropical ocean, is one of the most convenient variables to be used as climate predictor. Oceans are considered as the principal heat storage of the planet due to the high heat capacity of water. When this energy is released, it alters the global atmospheric circulation regimes by teleconnection1 mechanisms. These changes in the general circulation of the atmosphere affect the regional temperature, precipitation, moisture, wind, etc., and those influence crop growth, development and yield. For the case of Europe, this implies that the atmospheric variability in a specific region is associated with the variability of others adjacent and/or remote regions as a consequence of Europe being affected by global circulations patterns which, in turn, are affected by oceanic patterns. The general objective of this Thesis is to analyze the variability of crop yields at climate time scales and its relation to the climate variability and teleconnections, as well as to evaluate their predictability. Moreover, this Thesis aims to establish a methodology to study the predictability of crop yield anomalies. The analysis focuses on wheat and maize as a reference crops for other field crops in the IP, for winter rainfed crops and summer irrigated crops respectively. Crop simulation experiments using a model chain methodology (climate + crop) are designed to evaluate the impacts of climate variability patterns on yield and its predictability. The present Thesis is structured in two parts. The first part is focused on the climate variability analyses, and the second part is an application of the quantitative crop forecasting for years that fulfill specific conditions identified in the first part. This Thesis is divided into 4 chapters, covering the specific objectives of the present research work. Part I. Climate variability analyses The first chapter shows an analysis of potential yield variability in one location, as a bioclimatic indicator of the El Niño teleconnections with Europe, putting forward its importance for improving predictability in both climate and agriculture. It also presents the chosen methodology to relate yield with atmospheric and oceanic variables. Crop yield is partially determined by atmospheric climate variability, which in turn depends on changes in the sea surface temperature (SST). El Niño is the leading mode of SST interannual variability, and its impacts extend worldwide. Nevertheless, the predictability of these impacts is controversial, especially those associated with European climate variability, which have been found to be non-stationary and non-linear. The study showed how potential2 crop yield obtained from reanalysis data and crop models serves as an alternative and more effective index of El Niño teleconnections because it integrates the nonlinearities between the climate variables in a unique time series. The relationships between El Niño and crop yield anomalies are more significant than the individual contributions of each of the atmospheric variables used as input in the crop model. Additionally, the non-stationarities between El Niño and European climate variability are more clearly detected when analyzing crop-yield variability. The understanding of this relationship allows for some predictability up to one year before the crop is harvested. This predictability is not constant, but depends on both high and low frequency modulation. The second chapter identifies the oceanic and atmospheric patterns of climate variability affecting summer cropping systems in the IP. Moreover, hypotheses about the eco-physiological mechanism behind crop response are presented. It is focused on an analysis of maize yield variability in IP for the whole twenty century, using a calibrated crop model at five contrasting Spanish locations and reanalyses climate datasets to obtain long time series of potential yield. The study tests the use of reanalysis data for obtaining only climate dependent time series of simulated crop yield for the whole region, and to use these yield to analyze the influences of oceanic and atmospheric patterns. The results show a good reliability of reanalysis data. The spatial distribution of the leading principal component of yield variability shows a similar behaviour over all the studied locations in the IP. The strong linear correlation between El Niño index and yield is remarkable, being this relation non-stationary on time, although the air temperature-yield relationship remains on time, being the highest influences during grain filling period. Regarding atmospheric patterns, the summer Scandinavian pattern has significant influence on yield in IP. The third chapter identifies the oceanic and atmospheric patterns of climate variability affecting winter cropping systems in the IP. Also, hypotheses about the eco-physiological mechanism behind crop response are presented. It is focused on an analysis of rainfed wheat yield variability in IP. Climate variability is the main driver of changes in crop growth, development and yield, especially for rainfed production systems. In IP, wheat yields are strongly dependent on seasonal rainfall amount and temporal distribution of rainfall during the growing season. The major source of precipitation interannual variability in IP is the North Atlantic Oscillation (NAO) which has been related in part with changes in the Tropical Pacific (El Niño) and Atlantic (TNA) sea surface temperature (SST). The existence of some predictability has encouraged us to analyze the possible predictability of the wheat yield in the IP using SSTs anomalies as predictor. For this purpose, a crop model with a site specific calibration for the Northeast of IP and reanalysis climate datasets have been used to obtain long time series of attainable wheat yield and relate their variability with SST anomalies. The results show that El Niño and TNA influence rainfed wheat development and yield in IP and these impacts depend on the concurrent state of the NAO. Although crop-SST relationships do not equally hold on during the whole analyzed period, they can be explained by an understood and stationary ecophysiological mechanism. During the second half of the twenty century, the positive (negative) TNA index is associated to a negative (positive) phase of NAO, which exerts a positive (negative) influence on minimum temperatures (Tmin) and precipitation (Prec) during winter and, thus, yield increases (decreases) in IP. In relation to El Niño, the highest correlation takes place in the period 1981-2001. For these decades, high (low) yields are associated with an El Niño to La Niña (La Niña to El Niño) transitions or to El Niño events finishing. For these events, the regional associated atmospheric pattern resembles the NAO, which also influences directly on the maximum temperatures (Tmax) and precipitation experienced by the crop during flowering and grain filling. The co-effects of the two teleconnection patterns help to increase (decrease) the rainfall and decrease (increase) Tmax in IP, thus on increase (decrease) wheat yield. Part II. Crop forecasting The last chapter analyses the potential benefits for wheat and maize yields prediction from using seasonal climate forecasts (precipitation), and explores methods to apply such a climate forecast to crop models. Seasonal climate prediction has significant potential to contribute to the efficiency of agricultural management, and to food and livelihood security. Climate forecasts come in different forms, but probabilistic. For this purpose, two methods were evaluated and applied for disaggregating seasonal climate forecast into daily weather realizations: 1) a conditioned stochastic weather generator (predictWTD) and 2) a simple forecast probability resampler (FResampler1). The two methods were evaluated in a case study where the impacts of three scenarios of seasonal rainfall forecasts on rainfed wheat yield, on irrigation requirements and yields of maize in IP were analyzed. In addition, we estimated the economic margins and production risks associated with extreme scenarios of seasonal rainfall forecasts (dry and wet). The predWTD and FResampler1 methods used for disaggregating seasonal rainfall forecast into daily data needed by the crop simulation models provided comparable predictability. Therefore both methods seem feasible options for linking seasonal forecasts with crop simulation models for establishing yield forecasts or irrigation water requirements. The analysis of the impact on gross margin of grain prices for both crops and maize irrigation costs suggests the combination of market prices expected and the seasonal climate forecast can be a good tool in farmer’s decision-making, especially on dry forecast and/or in locations with low annual precipitation. These methodologies would allow quantifying the benefits and risks of a seasonal weather forecast to farmers in IP. Therefore, we would be able to establish early warning systems and to design crop management adaptation strategies that take advantage of favorable conditions or reduce the effect of adverse conditions. The potential usefulness of this Thesis is to apply the relationships found to crop forecasting on the next cropping season, suggesting opportunity time windows for the prediction. The methodology can be used as well for the prediction of future trends of IP yield variability. Both public (improvement of agricultural planning) and private (decision support to farmers, insurance companies) sectors may benefit from such an improvement of crop forecasting.

Extracción de conocimientos de la diabetes tipo 1 utilizando la metodología de "Data Mining"

La diabetes mellitus es un trastorno en la metabolización de los carbohidratos, caracterizado por la nula o insuficiente segregación de insulina (hormona producida por el páncreas), como resultado del mal funcionamiento de la parte endocrina del páncreas, o de una creciente resistencia del organismo a esta hormona. Esto implica, que tras el proceso digestivo, los alimentos que ingerimos se transforman en otros compuestos químicos más pequeños mediante los tejidos exocrinos. La ausencia o poca efectividad de esta hormona polipéptida, no permite metabolizar los carbohidratos ingeridos provocando dos consecuencias: Aumento de la concentración de glucosa en sangre, ya que las células no pueden metabolizarla; consumo de ácidos grasos mediante el hígado, liberando cuerpos cetónicos para aportar la energía a las células. Esta situación expone al enfermo crónico, a una concentración de glucosa en sangre muy elevada, denominado hiperglucemia, la cual puede producir a medio o largo múltiples problemas médicos: oftalmológicos, renales, cardiovasculares, cerebrovasculares, neurológicos… La diabetes representa un gran problema de salud pública y es la enfermedad más común en los países desarrollados por varios factores como la obesidad, la vida sedentaria, que facilitan la aparición de esta enfermedad. Mediante el presente proyecto trabajaremos con los datos de experimentación clínica de pacientes con diabetes de tipo 1, enfermedad autoinmune en la que son destruidas las células beta del páncreas (productoras de insulina) resultando necesaria la administración de insulina exógena. Dicho esto, el paciente con diabetes tipo 1 deberá seguir un tratamiento con insulina administrada por la vía subcutánea, adaptado a sus necesidades metabólicas y a sus hábitos de vida. Para abordar esta situación de regulación del control metabólico del enfermo, mediante una terapia de insulina, no serviremos del proyecto “Páncreas Endocrino Artificial” (PEA), el cual consta de una bomba de infusión de insulina, un sensor continuo de glucosa, y un algoritmo de control en lazo cerrado. El objetivo principal del PEA es aportar al paciente precisión, eficacia y seguridad en cuanto a la normalización del control glucémico y reducción del riesgo de hipoglucemias. El PEA se instala mediante vía subcutánea, por lo que, el retardo introducido por la acción de la insulina, el retardo de la medida de glucosa, así como los errores introducidos por los sensores continuos de glucosa cuando, se descalibran dificultando el empleo de un algoritmo de control. Llegados a este punto debemos modelar la glucosa del paciente mediante sistemas predictivos. Un modelo, es todo aquel elemento que nos permita predecir el comportamiento de un sistema mediante la introducción de variables de entrada. De este modo lo que conseguimos, es una predicción de los estados futuros en los que se puede encontrar la glucosa del paciente, sirviéndonos de variables de entrada de insulina, ingesta y glucosa ya conocidas, por ser las sucedidas con anterioridad en el tiempo. Cuando empleamos el predictor de glucosa, utilizando parámetros obtenidos en tiempo real, el controlador es capaz de indicar el nivel futuro de la glucosa para la toma de decisones del controlador CL. Los predictores que se están empleando actualmente en el PEA no están funcionando correctamente por la cantidad de información y variables que debe de manejar. Data Mining, también referenciado como Descubrimiento del Conocimiento en Bases de Datos (Knowledge Discovery in Databases o KDD), ha sido definida como el proceso de extracción no trivial de información implícita, previamente desconocida y potencialmente útil. Todo ello, sirviéndonos las siguientes fases del proceso de extracción del conocimiento: selección de datos, pre-procesado, transformación, minería de datos, interpretación de los resultados, evaluación y obtención del conocimiento. Con todo este proceso buscamos generar un único modelo insulina glucosa que se ajuste de forma individual a cada paciente y sea capaz, al mismo tiempo, de predecir los estados futuros glucosa con cálculos en tiempo real, a través de unos parámetros introducidos. Este trabajo busca extraer la información contenida en una base de datos de pacientes diabéticos tipo 1 obtenidos a partir de la experimentación clínica. Para ello emplearemos técnicas de Data Mining. Para la consecución del objetivo implícito a este proyecto hemos procedido a implementar una interfaz gráfica que nos guía a través del proceso del KDD (con información gráfica y estadística) de cada punto del proceso. En lo que respecta a la parte de la minería de datos, nos hemos servido de la denominada herramienta de WEKA, en la que a través de Java controlamos todas sus funciones, para implementarlas por medio del programa creado. Otorgando finalmente, una mayor potencialidad al proyecto con la posibilidad de implementar el servicio de los dispositivos Android por la potencial capacidad de portar el código. Mediante estos dispositivos y lo expuesto en el proyecto se podrían implementar o incluso crear nuevas aplicaciones novedosas y muy útiles para este campo. Como conclusión del proyecto, y tras un exhaustivo análisis de los resultados obtenidos, podemos apreciar como logramos obtener el modelo insulina-glucosa de cada paciente. ABSTRACT. The diabetes mellitus is a metabolic disorder, characterized by the low or none insulin production (a hormone produced by the pancreas), as a result of the malfunctioning of the endocrine pancreas part or by an increasing resistance of the organism to this hormone. This implies that, after the digestive process, the food we consume is transformed into smaller chemical compounds, through the exocrine tissues. The absence or limited effectiveness of this polypeptide hormone, does not allow to metabolize the ingested carbohydrates provoking two consequences: Increase of the glucose concentration in blood, as the cells are unable to metabolize it; fatty acid intake through the liver, releasing ketone bodies to provide energy to the cells. This situation exposes the chronic patient to high blood glucose levels, named hyperglycemia, which may cause in the medium or long term multiple medical problems: ophthalmological, renal, cardiovascular, cerebrum-vascular, neurological … The diabetes represents a great public health problem and is the most common disease in the developed countries, by several factors such as the obesity or sedentary life, which facilitate the appearance of this disease. Through this project we will work with clinical experimentation data of patients with diabetes of type 1, autoimmune disease in which beta cells of the pancreas (producers of insulin) are destroyed resulting necessary the exogenous insulin administration. That said, the patient with diabetes type 1 will have to follow a treatment with insulin, administered by the subcutaneous route, adapted to his metabolic needs and to his life habits. To deal with this situation of metabolic control regulation of the patient, through an insulin therapy, we shall be using the “Endocrine Artificial Pancreas " (PEA), which consists of a bomb of insulin infusion, a constant glucose sensor, and a control algorithm in closed bow. The principal aim of the PEA is providing the patient precision, efficiency and safety regarding the normalization of the glycemic control and hypoglycemia risk reduction". The PEA establishes through subcutaneous route, consequently, the delay introduced by the insulin action, the delay of the glucose measure, as well as the mistakes introduced by the constant glucose sensors when, decalibrate, impede the employment of an algorithm of control. At this stage we must shape the patient glucose levels through predictive systems. A model is all that element or set of elements which will allow us to predict the behavior of a system by introducing input variables. Thus what we obtain, is a prediction of the future stages in which it is possible to find the patient glucose level, being served of input insulin, ingestion and glucose variables already known, for being the ones happened previously in the time. When we use the glucose predictor, using obtained real time parameters, the controller is capable of indicating the future level of the glucose for the decision capture CL controller. The predictors that are being used nowadays in the PEA are not working correctly for the amount of information and variables that it need to handle. Data Mining, also indexed as Knowledge Discovery in Databases or KDD, has been defined as the not trivial extraction process of implicit information, previously unknown and potentially useful. All this, using the following phases of the knowledge extraction process: selection of information, pre- processing, transformation, data mining, results interpretation, evaluation and knowledge acquisition. With all this process we seek to generate the unique insulin glucose model that adjusts individually and in a personalized way for each patient form and being capable, at the same time, of predicting the future conditions with real time calculations, across few input parameters. This project of end of grade seeks to extract the information contained in a database of type 1 diabetics patients, obtained from clinical experimentation. For it, we will use technologies of Data Mining. For the attainment of the aim implicit to this project we have proceeded to implement a graphical interface that will guide us across the process of the KDD (with graphical and statistical information) of every point of the process. Regarding the data mining part, we have been served by a tool called WEKA's tool called, in which across Java, we control all of its functions to implement them by means of the created program. Finally granting a higher potential to the project with the possibility of implementing the service for Android devices, porting the code. Through these devices and what has been exposed in the project they might help or even create new and very useful applications for this field. As a conclusion of the project, and after an exhaustive analysis of the obtained results, we can show how we achieve to obtain the insulin–glucose model for each patient.

Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.

La casa industrializada : seis propuestas para este milenio

La Casa Industrializada supone el ideal de realizar la casa unifamiliar a través de la potencia y los procedimientos de la industria. Como tal, la casa supone un producto industrial más sujeto a la lógica de la reproducción y del consumo. Como producto de consumo la casa debe establecerse como objeto de deseo, accesible al grupo de usuarios-consumidores al que va dirigido. El sueño de la Casa Industrializada se origina en la primera Revolución Industrial y se consolida en la segunda tras la producción del Ford T y la adhesión de los padres del movimiento moderno. A lo largo de su historia se han sucedido casos de éxito y fracaso, los primeros con la realización de un producto de imagen convencional y los segundos la mayor parte de las veces dirigidos por arquitectos. El sueño de la Casa Industrializada de la mano de arquitectos está comenzando a ser una realidad en Japón, Suecia y Estados Unidos a través de marcas como MUJI, Arkitekthus y Living Homes, pero aún dista de ser un hecho extendido en nuestra sociedad. Para que este ideal se cumpla deberá ofrecer valores que permita a la sociedad hacerlo suyo. La Tesis busca analizar la historia y la metodología de la Casa Industrializada, desde el diseño a la comercialización con el fin de ofrecer esos valores en forma de propuestas para la Casa Industrializada en este milenio. La casa como producto industrial-producto de consumo supera las lógicas tradicionales de la arquitectura para operar dentro del contexto de la producción industrial y la reproducción de los objetos. En este sentido es necesario establecer no solo la forma y construcción de la casa sino los mecanismos de reproducción con sus pertinentes eficiencias. La Casa industrializada no se construye, se monta, y para ello utiliza las estrategias de la construcción en seco, la prefabricación, el uso de componentes y los materiales ligeros. Desde la lógica del consumo, la casa debe dirigirse a un determinado público, no es más la casa para todos, característica de las situaciones de crisis y de emergencia. La casa se enfrenta a un mercado segmentado, tanto en cultura, como en deseos y poderes adquisitivos. En la cuestión del diseño debe plantearse más como diseño de producto que como diseño arquitectónico. La Casa Industrializada no es el fruto de un encargo y de una acción singular, debe ofrecerse lista para adquirir y para ser reproducida. Esta reproducción se puede dar tanto en la forma de modelos cerrados o sistemas abiertos que permitan la personalización por parte de los usuarios. Desde el ámbito cultural es necesario entender que la casa es más que una máquina de habitar, es un receptor de emociones, forma parte de nuestra memoria y nuestra cultura. La casa como producto social es una imagen de nosotros mismos, define la manera en la que nos situamos en el mundo y por tanto supone una definición de estatus. En esto, la Tesis se apoya en los textos de Baudrillard y su análisis de la sociedad de consumo y el papel de los objetos y su valor como signo. La Tesis realiza un repaso de los procedimientos industriales con especial énfasis en la producción automovilística y sitúa la evolución de la Casa Industrializada en relación a la evolución de los avances en los sistemas de producción industrial y las transferencias desde las industrias del automóvil y aeronáutica. La tesis se completa con una serie de casos de estudio que parten de las primeras casas de venta por correo de principios del siglo XX, pasando por las propuestas de Gropius, Fuller, el Case Study House Program, Prouvé, Sota y acaban con la situación actual. La Casa Industrializada ha mantenido una serie de valores a lo largo de su historia, como ideal, forma un cuerpo estable de propuestas que no se ha modificado a lo largo del tiempo. Con respecto a este nuevo milenio este ideal no debe ser cambiado sino simplemente actualizado y adaptado a los métodos de producción y las necesidades, sueños y exigencias de la sociedad de hoy. ABSTRACT The industrialized House provides an ideal to manufacture the house through the power and strategies of the industry. As such, the house becomes an industrial product that respond to the logic of reproduction and consumption. As a comodity, the house must become a desirable object, accessible to the group of the consumers to which is targeted The dream of the Industrialized home is originated in the First Industrial Revolution and it is consolidated in the second one after Ford´s production of Model T and the incorporation of the principal figures of the modern movement to the ideal of making houses at the factories. Throughout history there have been cases of success and failure, the first with the completion of a product of conventional image and the second most often led by architects. Industrialized dream house made by architects is starting to become a reality in Japan, Sweden and the United States through brands such as MUJI, Arkitekthus and Living Homes, but still far from beeing a widespread fact in our society. To fulfill this ideal, it should provide values that society could accept as of their own. The Thesis seeks to analyze the history and methodology of industrialized house, from design to marketing in order to offer these values in the form of proposals for industrialized house in this millennium. The house as an industrial-product-comodity extend beyond the traditional architectural logic to operate within the context of industrial production and the reproduction of objects. In this sense it is necessary to establish not only the shape and construction of the house but the mechanisms of reproduction with its relevant efficiencies. Industrialized house is not built it is assembled, and it uses the strategies of dry construction, prefabrication, using lightweight materials and components. From the logic of consumption, the house must go to a certain audience, it is no longer the home for all that is characteristic of crisis respond and emergency. The house faces a segmented market, both in culture and desires and purchasing power. On the question of design it must be considered more like product design than architectural design. Industrialized House is not the result of a commission and a singular action, it should be offered pret-a-porter and able to be reproduced. This reproduction can be given in form of closed or open systems models that allow its customization by users. From the cultural sphere is necessary to understand that the house is more than a machine for living, is a recipient of emotions, is part of our memory and our culture. The home as a social product is an image of ourselves, defines the way in which we place ourselves in the world and therefore represents a definition of status. In this aspect, the thesis is based on the texts of Baudrillard and his analysis of consumption society and the role of objects and its value as a sign in it. The thesis makes a review of the industrial processes with emphasis on automotive production and places the evolution of industrialized House in relation to the evolution of developments in industrial production systems and transfers from the automotive and aeronautics industries. The thesis is completed with a series of case studies that starts from the first mail order houses from the early twentieth century, going through the proposal of Gropius, Fuller, the Case Study House Program, Prouvé, Sota and end up with the current situation. Industrialized House has held a series of values throughout its history, as an ideal, forms a stable corps of proposals that has not changed over time. Regarding this new millennium this ideal should not be changed but simply be updated and adapted to production methods and needs, dreams and demands of today's society.

La silla de la discordia : la pequeña escala como campo de experimentación en la modernidad : Breuer, Mies y Stam

El siglo XIX fue un siglo dedicado a los grandes edificios públicos. Los teatros, las academias, los museos. Sin embargo la arquitectura durante el siglo XX se dedicará al estudio de la casa. Todos los usos y tipologías se verán fuertemente revisados pero el núcleo de todos los esfuerzos y verdadero inicio de la arquitectura moderna será la vivienda. A partir de ella todos los preceptos modernos se irán aplicando a los distintos programas. Nikolaus Pevsner señala a William Morris como el primer arquitecto moderno porque precisamente entendió que un arte verdaderamente social, en consonancia con su tiempo y la sociedad a la que sirve, ha de ocuparse de aquello que preocupe a la gente. Con la nueva situación de la vivienda en el centro de las motivaciones disciplinares el mueble adopta un nuevo protagonismo. En un momento avanzado de su carrera Marcel Breuer observa entre curioso e irónico cómo el mueble moderno había sido promocionado paradójicamente no por los diseñadores de muebles sino por los arquitectos1. La respuesta la da Le Corbusier en una de sus conferencias de 1931 recogida en Precisiones 2 cuando señala la reformulación del mobiliario como el "nudo gordiano" de cuya resolución pendía la renovación de la planta moderna. El Movimiento Moderno se había visto obligado a atacar este tema para poder avanzar en sus propuestas domésticas. El Movimiento Moderno se propuso solucionar los problemas de la vivienda y de una Europa en reconstrucción pero se exigía además ser capaz de aportar una visión propositiva de la vida moderna. No se trataba únicamente de resolver los problemas ya existentes sino que además había la necesidad autoimpuesta de anticipar la domesticidad del futuro. Para ello sus viviendas al completo, mueble e inmueble, debían de presentarse bajo esa nueva imagen. El manifiesto fundacional de la Deustcher Werkbund extendía el radio de acción del nuevo arquitecto desde la construcción de las ciudades a los cojines del sofá. Este mobiliario tenía la compleja misión de condensar sintéticamente todos esos ideales que la modernidad había traído consigo: abstracción, higiene, fascinación maquínica, confianza positivista en la ciencia o la expresión material optimizada. Objetos de la vida moderna, en palabras de Le Corbusier, susceptibles de suscitar un estado de vida moderno. Pocas sillas en la historia del diseño habrán acarreado tanta polémica y tanta disputa por su autoría como la sillas voladas de tubo de acero en sus diferentes versiones. Para entenderlo situémonos en el año 1927 a las puertas de la exposición "Die Wohnung" ("La vivienda") organizada por los maestros de la Bauhaus y dirigida por Mies van der Rohe en la ladera Weissenhof de Stuttgart. Muchos nombres célebres de la arquitectura mostraron en esa ocasión su personal propuesta para la vivienda moderna y los objetos que la habitan. Entre ellos los muebles con tubo de acero fueron una presencia constante en la exposición pero hubo una pieza que destacó sobre todas las demás por su novedad y audacia. La pieza en cuestión era el modelo de silla volada, esto es, sin apoyos posteriores y cuya rigidez estaba conferida al esfuerzo solidario de la estructura continua de tubo de acero y que terminaría por convertirse en el cruce de caminos de tres figuras de la disciplina arquitectónica: Marcel Breuer, Mies van der Rohe y Mart Stam. Cada uno de ellos desarrolló su propio modelo de silla volada en sus versiones MR por parte de Mies, L&C Arnold de Stam y el posterior modelo BR 33 de Marcel Breuer. Los tres, en algún momento de su vida reclamaron de uno u otro modo su autoría como objetos que les pertenecían intelectualmente. Estas sillas se convirtieron en la expresión máxima de uno de los ansiados anhelos de la modernidad, la propia materialidad del acero, en su versión optimizada, era la que había derivado en una forma completamente nueva de un objeto cotidiano y cuyo tipo estaba ya totalmente asumido. Los nuevos materiales y las nuevas formas de hacer habían irrumpido hasta en los utensilios domésticos, y habían sido capaces de reformularlos. El punto de partida para esta investigación es precisamente esa coincidencia de tres figuras de la arquitectura moderna, los tres de formación artesanal, en un mismo modelo de silla y en una misma fecha. Tres arquitectos que se habían encargado de asegurar que el movimiento moderno no reconocía problemas formales sino solamente de construcción, iban a coincidir en el mismo tiempo y lugar, precisamente en una misma forma, como si tal coincidencia hubiera sido producto de una voluntad de época. Sin embargo el interés de este estudio no radica en una indagación sobre la autoría sino sobre cómo un mismo objeto resulta ser propositivo e interesante en campos muy diversos y la forma en que cada uno lo hace suyo incorporándolo a su propia investigación proyectual. La silla, más allá de ser un objeto de diseño exclusivamente, trasciende su propia escala para situarse inmersa en un proceso de búsqueda y exploración a nivel conceptual, formal, constructivo y estructural en la arquitectura cada uno de ellos. En un momento en que el oficio del arquitecto está siendo intensamente redefinido considero especialmente pertinente esta investigación, que en definitiva versa sobre la forma distintiva en que el pensamiento arquitectónico es capaz de proyectarse sobre cualquier disciplina para reformularla. ABSTRACT The nineteenth century was a century dedicated to the great public buildings; theaters, schools or museums. However the architecture in the twentieth century was devoted to the study of housing. All uses and typologies were heavily revised but the focus of all efforts and true beginning of modern architecture was housing. From these beginnings all modern precepts were applied to the various programs. Nikolaus Pevsner points to William Morris as the first modern architect precisely because he understood that a truly social art in line with its time and the society it serves must deal with social concerns at that time. With the new housing situation at the center of disciplinary concerns furniture took on a new prominence. At an advanced stage of his career Marcel Breuer observed partly with curiosity, partly with irony how modern furniture had been promoted not by furniture designers but by architects. The answer is given by Le Corbusier in one of his lectures of 1931 collected in Precisions when he pointed the reformulation of furniture as the "Gordian knot" for the renewal of modern plan resolution. Modernism had been forced to confront this issue in order to advance their domestic approaches. Modernism not only put forward a solution to the problems of housing and a Europe under reconstruction but is also needed to be able to contribute to an exciting vision of modern life. Not only did solve existing problems but also it had the self-imposed necessity of anticipating future domesticity and to do their houses full, movable and immovable, they should be submitted under this new image. The founding manifesto of the Deutsche Werkbund extended the scope of the new architect from building cities to the couch cushions. This furniture had the complex mission of synthetically condensing all the ideals of modernity had brought with it: abstraction, hygiene, mechanization, positivist confidence in science or material expression. Objects of modern life, in words of Le Corbusier, were likely to give rise a state of modern life. Few chairs in design history have resulted in so much controversy and so much dispute over their invention as the various versions of cantilevered tubular steel chairs. To understand this let us place ourselves in 1927 at the gates of the exhibition "Die Wohnung" ("Housing") organized by the teachers of the Bauhaus and directed by Mies van der Rohe in Stuttgart Weissenhoflung. Many famous names in architecture at that time showed their personal proposals for modern housing and the objects that inhabit them. Amongst these objects, the steel tube furniture was a constant presence at the exhibition but there was a piece so audacious that it stood out from all the others. This piece in question was the cantilever model chair, that is, which had no further rear support and whose rigidity was attributed to the solidity of its continues structure of steel tube. This piece would eventually become the crossroads of three very different personalities: Mart Stam, Marcel Breuer and Mies van der Rohe. Each of them developed their own model of cantilevered chair in different versions; The MR model developed by Mies van der Rohe, the L&C by Arnold Stam and a later model BR 33 by Marcel Breuer, and the three, at some point in their lives demanded the authorship of its invention as objects that belonged to them intellectually. These chairs epitomized one of the coveted objects of modernity, steel material in its optimized version, was what had led to a completely new form of an everyday object whose this type was fully adopted on board in design. New materials and production methods had burst into world of household objects, and had been able to reformulate their design. The bold design then became a dark object of controversy. The starting point for this doctoral thesis is the concurrent invention of the same model of chair by three different figures of modern architecture. These three architects, who were responsible for ensuring that the modern movement considered construction rather than form as the main design consideration, were working in the same place and at the same point in time. It was almost as if these three architects were shaped by the culture of the time (Zeitgeist). However the focus of this study lies not in an investigation of responsibility of ownership but in the investigation fo how the same object can turn out to be purposeful and interesting in many different fields and the way in which each researcher makes it his own by developing his own project research. 1927, the year of their meeting, was a initiatory year in the career of our players. The chair, beyond being only a design object transcended its own scale and became immersed in a process of research and development on a conceptual, formal, structural and constructive level in the architectural approach of each of the architects. At a time when the role of the architect is being redefined intensely I consider this research, which ultimately concerns the distinctive way the architectural thought can be projected onto and reformulate any discipline, to be particularly relevant.

The photoisomerization of retinal in bacteriorhodopsin: Experimental evidence for a three-state model

The primary events in the all-trans to 13-cis photoisomerization of retinal in bacteriorhodopsin have been investigated with femtosecond time-resolved absorbance spectroscopy. Spectra measured over a broad range extending from 7000 to 22,400 cm−1 reveal features whose dynamics are inconsistent with a model proposed earlier to account for the highly efficient photoisomerization process. Emerging from this work is a new three-state model. Photoexcitation of retinal with visible light accesses a shallow well on the excited state potential energy surface. This well is bounded by a small barrier, arising from an avoided crossing that separates the Franck–Condon region from the nearby reactive region of the photoisomerization coordinate. At ambient temperatures, the reactive region is accessed with a time constant of ≈500 fs, whereupon the retinal rapidly twists and encounters a second avoided crossing region. The protein mediates the passage into the second avoided crossing region and thereby exerts control over the quantum yield for forming 13-cis retinal. The driving force for photoisomerization resides in the retinal, not in the surrounding protein. This view contrasts with an earlier model where photoexcitation was thought to access directly a reactive region of the excited-state potential and thereby drive the retinal to a twisted conformation within 100–200 fs.

Innate and acquired humoral immunities to influenza virus are mediated by distinct arms of the immune system

“Natural” Igs, mainly IgM, comprise part of the innate immune system present in healthy individuals, including antigen-free mice. These Igs are thought to delay pathogenicity of infecting agents until antigen-induced high affinity Igs of all isotypes are produced. Previous studies suggested that the acquired humoral response arises directly from the innate response, i.e., that B cells expressing natural IgM, upon antigen encounter, differentiate to give rise both to cells that secrete high amounts of IgM and to cells that undergo affinity maturation and isotype switching. However, by using a murine model of influenza virus infection, we demonstrate here that the B cells that produce natural antiviral IgM neither increase their IgM production nor undergo isotype switching to IgG2a in response to the infection. These cells are distinct from the B cells that produce the antiviral response after encounter with the pathogen. Our data therefore demonstrate that the innate and the acquired humoral immunities to influenza virus are separate effector arms of the immune system and that antigen exposure per se is not sufficient to increase natural antibody production.

An approach to probe some neural systems interaction by functional MRI at neural time scale down to milliseconds

In this paper, we demonstrate an approach by which some evoked neuronal events can be probed by functional MRI (fMRI) signal with temporal resolution at the time scale of tens of milliseconds. The approach is based on the close relationship between neuronal electrical events and fMRI signal that is experimentally demonstrated in concurrent fMRI and electroencephalographic (EEG) studies conducted in a rat model with forepaw electrical stimulation. We observed a refractory period of neuronal origin in a two-stimuli paradigm: the first stimulation pulse suppressed the evoked activity in both EEG and fMRI signal responding to the subsequent stimulus for a period of several hundred milliseconds. When there was an apparent site–site interaction detected in the evoked EEG signal induced by two stimuli that were primarily targeted to activate two different sites in the brain, fMRI also displayed signal amplitude modulation because of the interactive event. With visual stimulation using two short pulses in the human brain, a similar refractory phenomenon was observed in activated fMRI signals in the primary visual cortex. In addition, for interstimulus intervals shorter than the known latency time of the evoked potential induced by the first stimulus (≈100 ms) in the primary visual cortex of the human brain, the suppression was not present. Thus, by controlling the temporal relation of input tasks, it is possible to study temporal evolution of certain neural events at the time scale of their evoked electrical activity by noninvasive fMRI methodology.

Interleukin 1 beta suppresses transforming growth factor-induced inorganic pyrophosphate (PPi) production and expression of the PPi-generating enzyme PC-1 in human chondrocytes.

Articular cartilage chondrocytes have the unique ability to elaborate large amounts of extracellular pyrophosphate (PPi), and transforming growth factor beta (TGF beta) appears singular among cartilage regulatory factors in stimulating PPi production. TGF beta caused a time and dose-dependent increase in intracellular and extracellular PPi in human articular chondrocyte cultures. TGF beta and interleukin 1 beta (IL-1 beta) antagonistically regulate certain chondrocyte functions. IL-1 beta profoundly inhibited basal and TGF beta-induced PPi elaboration. To address mechanisms involved with the regulation of PPi synthesis by IL-1 beta and TGF beta, we analyzed the activity of the PPi-generating enzyme NTP pyrophosphohydrolase (NTPPPH) and the PPi-hydrolyzing enzyme alkaline phosphatase. Human chondrocyte NTPPPH activity was largely attributable to plasma cell membrane glycoprotein 1, PC-1. Furthermore, TGF beta induced comparable increases in the activity of extracellular PPi, intracellular PPi, and cellular NTPPPH and in the levels of PC-1 protein and mRNA in chondrocytes as well as a decrease in alkaline phosphatase. All of these TGF beta-induced responses were completely blocked by IL-1 beta. Thus, IL-1 beta may be an important regulator of mineralization in chondrocytes by inhibiting TGF beta-induced PPi production and PC-1 expression.

Emergent spindle oscillations and intermittent burst firing in a thalamic model: specific neuronal mechanisms.

The rhythmogenesis of 10-Hz sleep spindles is studied in a large-scale thalamic network model with two cell populations: the excitatory thalamocortical (TC) relay neurons and the inhibitory nucleus reticularis thalami (RE) neurons. Spindle-like bursting oscillations emerge naturally from reciprocal interactions between TC and RE neurons. We find that the network oscillations can be synchronized coherently, even though the RE-TC connections are random and sparse, and even though individual neurons fire rebound bursts intermittently in time. When the fast gamma-aminobutyrate type A synaptic inhibition is blocked, synchronous slow oscillations resembling absence seizures are observed. Near-maximal network synchrony is established with even modest convergence in the RE-to-TC projection (as few as 5-10 RE inputs per TC cell suffice). The hyperpolarization-activated cation current (Ih) is found to provide a cellular basis for the intermittency of rebound bursting that is commonly observed in TC neurons during spindles. Such synchronous oscillations with intermittency can be maintained only with a significant degree of convergence for the TC-to-RE projection.

Adaptive mutations in Escherichia coli as a model for the multiple mutational origins of tumors.

The cells in most tumors are found to carry multiple mutations; however, based upon mutation rates determined by fluctuation tests, the frequency of such multiple mutations should be so low that tumors are never detected within human populations. Fluctuation tests, which determine the cell-division-dependent mutation rate per cell generation in growing cells, may not be appropriate for estimating mutation rates in nondividing or very slowly dividing cells. Recent studies of time-dependent, "adaptive" mutations in nondividing populations of microorganisms suggest that similar measurements may be more appropriate to understanding the mutation origins of tumors. Here I use the ebgR and ebgA genes of Escherichia coli to measure adaptive mutation rates where multiple mutations are required for rapid growth. Mutations in either ebgA or ebgR allow very slow growth on lactulose (4-O-beta-D-galactosyl-D-fructose), with doubling times of 3.2 and 17.3 days, respectively. However, when both mutations are present, cells can grow rapidly with doubling times of 2.7 hr. I show that during prolonged (28-day) selection for growth on lactulose, the number of lactulose-utilizing mutants that accumulate is 40,000 times greater than can be accounted for on the basis of mutation rates measured by fluctuation tests, but is entirely consistent with the time-dependent adaptive mutation rates measured under the same conditions of prolonged selection.

Finite temperature dynamics of vortices in the two dimensional anisotropic Heisenberg model

We study the effects of finite temperature on the dynamics of non-planar vortices in the classical, two-dimensional anisotropic Heisenberg model with XY- or easy-plane symmetry. To this end, we analyze a generalized Landau-Lifshitz equation including additive white noise and Gilbert damping. Using a collective variable theory with no adjustable parameters we derive an equation of motion for the vortices with stochastic forces which are shown to represent white noise with an effective diffusion constant linearly dependent on temperature. We solve these stochastic equations of motion by means of a Green's function formalism and obtain the mean vortex trajectory and its variance. We find a non-standard time dependence for the variance of the components perpendicular to the driving force. We compare the analytical results with Langevin dynamics simulations and find a good agreement up to temperatures of the order of 25% of the Kosterlitz-Thouless transition temperature. Finally, we discuss the reasons why our approach is not appropriate for higher temperatures as well as the discreteness effects observed in the numerical simulations.

A new algorithm to accelerate harmonic analysis of time series

The Lomb periodogram has been traditionally a tool that allows us to elucidate if a frequency turns out to be important for explaining the behaviour of a given time series. Many linear and nonlinear reiterative harmonic processes that are used for studying the spectral content of a time series take into account this periodogram in order to avoid including spurious frequencies in their models due to the leakage problem of energy from one frequency to others. However, the estimation of the periodogram requires long computation time that makes the harmonic analysis slower when we deal with certain time series. Here we propose an algorithm that accelerates the extraction of the most remarkable frequencies from the periodogram, avoiding its whole estimation of the harmonic process at each iteration. This algorithm allows the user to perform a specific analysis of a given scalar time series. As a result, we obtain a functional model made of (1) a trend component, (2) a linear combination of Fourier terms, and (3) the so-called mixed secular terms by reducing the computation time of the estimation of the periodogram.