Mathematical analysis of activation thresholds in enzyme-catalyzed positive feedbacks: application to the feedbacks of blood coagulation.

A hierarchy of enzyme-catalyzed positive feedback loops is examined by mathematical and numerical analysis. Four systems are described, from the simplest, in which an enzyme catalyzes its own formation from an inactive precursor, to the most complex, in which two sequential feedback loops act in a cascade. In the latter we also examine the function of a long-range feedback, in which the final enzyme produced in the second loop activates the initial step in the first loop. When the enzymes generated are subject to inhibition or inactivation, all four systems exhibit threshold properties akin to excitable systems like neuron firing. For those that are amenable to mathematical analysis, expressions are derived that relate the excitation threshold to the kinetics of enzyme generation and inhibition and the initial conditions. For the most complex system, it was expedient to employ numerical simulation to demonstrate threshold behavior, and in this case long-range feedback was seen to have two distinct effects. At sufficiently high catalytic rates, this feedback is capable of exciting an otherwise subthreshold system. At lower catalytic rates, where the long-range feedback does not significantly affect the threshold, it nonetheless has a major effect in potentiating the response above the threshold. In particular, oscillatory behavior observed in simulations of sequential feedback loops is abolished when a long-range feedback is present.

Self-organized criticality: sandpiles, singularities, and scaling.

We present an overview of the statistical mechanics of self-organized criticality. We focus on the successes and failures of hydrodynamic description of transport, which consists of singular diffusion equations. When this description applies, it can predict the scaling features associated with these systems. We also identify a hard driving regime where singular diffusion hydrodynamics fails due to fluctuations and give an explicit criterion for when this failure occurs.

The impact of model detail on power grid resilience measures

Peer reviewed

Identification of the mRNA targets of tRNA-­specific regulation using genome-­wide simulation of translation

FUNDING Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) [BB/I020926/1 to I.S.]; BBSRC PhD studentship award [C103817D to I.S. and M.C.R.]; Scottish Universities Life Science Alliance PhD studentship award (to M.C.R. and I.S.]. Funding for open access charge: BBSRC. Conflict of interest statement. None declared.

Tilted excitation implies odd periodic resonances

This work was supported by the Brazilian agencies FAPESP and CNPq. MSB also acknowledges the Engineering and Physical Sciences Research Council grant Ref. EP/I032606/1. GID thanks Felipe A. C. Pereira for fruitful discussions.

Modelo numérico mecanobiológico para a obtenção da matriz de rigidez estrutural e da densidade mineral na remodelagem óssea

Neste trabalho é proposto um modelo mecanobiológico de remodelagem óssea para a estimativa de variações, provocadas por perturbações mecânicas ou biológicas, na matriz de rigidez estrutural da escala macroscópica e na densidade mineral em uma região do osso. Na cooperação entre as áreas da saúde e da engenharia, como nos estudos estruturais de biomecânica no sistema esquelético, as propriedades mecânicas dos materiais devem ser conhecidas, entretanto os ossos possuem uma constituição material altamente complexa, dinâmica e variante entre indivíduos. Sua dinâmica decorre dos ciclos de absorção e deposição de matriz óssea na remodelagem óssea, a qual ocorre para manter a integridade estrutural do esqueleto e adaptá-lo aos estímulos do ambiente, sejam eles biológicos, químicos ou mecânicos. Como a remodelagem óssea pode provocar alterações no material do osso, espera-se que suas propriedades mecânicas também sejam alteradas. Na literatura científica há modelos matemáticos que preveem a variação da matriz de rigidez estrutural a partir do estímulo mecânico, porém somente os modelos mais recentes incluíram explicitamente processos biológicos e químicos da remodelagem óssea. A densidade mineral óssea é um importante parâmetro utilizado no diagnóstico de doenças ósseas na área médica. Desse modo, para a obtenção da variação da rigidez estrutural e da densidade mineral óssea, propõe-se um modelo numérico mecanobiológico composto por cinco submodelos: da dinâmica da população de células ósseas, da resposta das células ao estímulo mecânico, da porosidade óssea, da densidade mineral óssea e, baseado na Lei de Voigt para materiais compósitos, da rigidez estrutural. Os valores das constantes das equações dos submodelos foram obtidos de literatura. Para a solução das equações do modelo, propõe-se uma implementação numérica e computacional escrita em linguagem C. O método de Runge-Kutta-Dorman-Prince, cuja vantagem consiste no uso de um passo de solução variável, é utilizado no modelo para controlar o erro numérico do resultado do sistema de equações diferenciais. Foi realizada uma avaliação comparativa entre os resultados obtidos com o modelo proposto e os da literatura dos modelos de remodelagem óssea recentes. Conclui-se que o modelo e a implementação propostos são capazes de obter variações da matriz de rigidez estrutural macroscópica e da densidade mineral óssea decorrentes da perturbação nos parâmetros mecânicos ou biológicos do processo de remodelagem óssea.

On the well-posedness of a mathematical model for lithium-ion batteries.

We discuss the well-posedness of a mathematical model that is used in the literature for the simulation of lithium-ion batteries. First, a mathematical model based on a macrohomogeneous approach is presented, following previous work. Then it is shown, from a physical and a mathematical point of view, that a boundary condition widely used in the literature is not correct. Although the errors could be just sign typos (which can be explained as carelessness in the use of d/dx versus d/dn, with n the outward unit vector) and authors using this model probably use the correct boundary condition when they solve it in order to do simulations, readers should be aware of the right choice. Therefore, the deduction of the correct boundary condition is done here, and a mathematical study of the well-posedness of the corresponding problem is presented.

Equações de quarta ordem na modelagem de oscilações de pontes

Equações diferenciais de quarta ordem aparecem naturalmente na modelagem de oscilações de estruturas elásticas, como aquelas observadas em pontes pênseis. São considerados dois modelos que descrevem as oscilações no tabuleiro de uma ponte. No modelo unidimensional estudamos blow up em espaço finito de soluções de uma classe de equações diferenciais de quarta ordem. Os resultados apresentados solucionam uma conjectura apresentada em [F. Gazzola and R. Pavani. Wide oscillation finite time blow up for solutions to nonlinear fourth order differential equations. Arch. Ration. Mech. Anal., 207(2):717752, 2013] e implicam a não existência de ondas viajantes com baixa velocidade de propagação em uma viga. No modelo bidimensional analisamos uma equação não local para uma placa longa e fina, suportada nas extremidades menores, livre nas demais e sujeita a protensão. Provamos existência e unicidade de solução fraca e estudamos o seu comportamento assintótico sob amortecimento viscoso. Estudamos ainda a estabilidade de modos simples de oscilação, os quais são classificados como longitudinais ou torcionais.

Application of Mathieu functions for the study of non-slanted reflection gratings

In this work we prensent an analysis of non-slanted reflection gratings by using exact solution of the second order differential equation derived from Maxwell equations, in terms of Mathieu functions. The results obtained by using this method will be compared to those obtained by using the well known Kogelnik's Coupled Wave Theory which predicts with great accuracy the response of the efficieny of the zero and first order for volume phase gratings, for both reflection and transmission gratings.

Syntactic and Semantic Relationships in Models of Complex Systems: An Ecological Case

In this paper, the authors extend and generalize the methodology based on the dynamics of systems with the use of differential equations as equations of state, allowing that first order transformed functions not only apply to the primitive or original variables, but also doing so to more complex expressions derived from them, and extending the rules that determine the generation of transformed superior to zero order (variable or primitive). Also, it is demonstrated that for all models of complex reality, there exists a complex model from the syntactic and semantic point of view. The theory is exemplified with a concrete model: MARIOLA model.

An automatic integrator for ordinary differential equations for ILLIAC IV /

"June 1, 1969."

High order stiffly stable methods for ordinary differential equations

Supported in part by contract U.S. AEC AT(11-1) 1469 and in part by National Science Foundation grant NSF-GJ-217.

Automatic detection and treatment of oscillatory and/or stiff ordinary differential equations /

"Presented at the Differential Equation Workshop, Center for Interdisciplinary Research (Zif), University of Bielefeld, West Germany, April 21, 1980."

Stability of variable-step methods for ordinary differential equations /

Bibliography: leaf 11.

Die partiellen Differential-Gleichungen der mathematischen Physid nach Riemann's Vorlesungen

Mode of access: Internet.