Operators for Similarity Search: Semantics, Techniques and Usage Scenarios

This book provides a comprehensive tutorial on similarity operators. The authors systematically survey the set of similarity operators, primarily focusing on their semantics, while also touching upon mechanisms for processing them effectively.

The book starts off by providing introductory material on similarity search systems, highlighting the central role of similarity operators in such systems. This is followed by a systematic categorized overview of the variety of similarity operators that have been proposed in literature over the last two decades, including advanced operators such as RkNN, Reverse k-Ranks, Skyline k-Groups and K-N-Match. Since indexing is a core technology in the practical implementation of similarity operators, various indexing mechanisms are summarized. Finally, current research challenges are outlined, so as to enable interested readers to identify potential directions for future investigations.

In summary, this book offers a comprehensive overview of the field of similarity search operators, allowing readers to understand the area of similarity operators as it stands today, and in addition providing them with the background needed to understand recent novel approaches.

Central corneal thickness and corneal hysteresis associated with glaucoma damage.

PURPOSE:

We sought to measure the impact of central corneal thickness (CCT), a possible risk factor for glaucoma damage, and corneal hysteresis, a proposed measure of corneal resistance to deformation, on various indicators of glaucoma damage.

DESIGN:

Observational study.

METHODS:

Adult patients of the Wilmer Glaucoma Service underwent measurement of hysteresis on the Reichert Ocular Response Analyzer and measurement of CCT by ultrasonic pachymetry. Two glaucoma specialists (H.A.Q., N.G.C.) reviewed the chart to determine highest known intraocular pressure (IOP), target IOP, diagnosis, years with glaucoma, cup-to-disk ratio (CDR), mean defect (MD), pattern standard deviation (PSD), glaucoma hemifield test (GHT), and presence or absence of visual field progression.

RESULTS:

Among 230 subjects, the mean age was 65 +/- 14 years, 127 (55%) were female, 161 (70%) were white, and 194 (85%) had a diagnosis of primary open-angle glaucoma (POAG) or suspected POAG. In multivariate generalized estimating equation models, lower corneal hysteresis value (P = .03), but not CCT, was associated with visual field progression. When axial length was included in the model, hysteresis was not a significant risk factor (P = .09). A thinner CCT (P = .02), but not hysteresis, was associated with a higher CDR at the most recent examination. Neither CCT nor hysteresis was associated with MD, PSD, or GHT "outside normal limits."

CONCLUSIONS:

Thinner CCT was associated with the state of glaucoma damage as indicated by CDR. Axial length and corneal hysteresis were associated with progressive field worsening.

Test-retest variability in structural and functional parameters of glaucoma damage in the glaucoma imaging longitudinal study.

PURPOSE:

To determine the test-retest variability in perimetric, optic disc, and macular thickness parameters in a cohort of treated patients with established glaucoma.

PATIENTS AND METHODS:

In this cohort study, the authors analyzed the imaging studies and visual field tests at the baseline and 6-month visits of 162 eyes of 162 participant in the Glaucoma Imaging Longitudinal Study (GILS). They assessed the difference, expressed as the standard error of measurement, of Humphrey field analyzer II (HFA) Swedish Interactive Threshold Algorithm fast, Heidelberg retinal tomograph (HRT) II, and retinal thickness analyzer (RTA) parameters between the two visits and assumed that this difference was due to measurement variability, not pathologic change. A statistically significant change was defined as twice the standard error of measurement.

RESULTS:

In this cohort of treated glaucoma patients, it was found that statistically significant changes were 3.2 dB for mean deviation (MD), 2.2 for pattern standard deviation (PSD), 0.12 for cup shape measure, 0.26 mm for rim area, and 32.8 microm and 31.8 microm for superior and inferior macular thickness, respectively. On the basis of these values, it was estimated that the number of potential progression events detectable in this cohort by the parameters of MD, PSD, cup shape measure, rim area, superior macular thickness, and inferior macular thickness was 7.5, 6.0, 2.3, 5.7, 3.1, and 3.4, respectively.

CONCLUSIONS:

The variability of the measurements of MD, PSD, and rim area, relative to the range of possible values, is less than the variability of cup shape measure or macular thickness measurements. Therefore, the former measurements may be more useful global measurements for assessing progressive glaucoma damage.

Retinal pigment epithelial cell multinucleation in the aging eye - a mechanism to repair damage and maintain homoeostasis

Retinal pigment epithelial (RPE) cells are central to retinal health and homoeostasis. Dysfunction or death of RPE cells underlies many age-related retinal degenerative disorders particularly age-related macular degeneration. During aging RPE cells decline in number, suggesting an age-dependent cell loss. RPE cells are considered to be postmitotic, and how they repair damage during aging remains poorly defined. We show that RPE cells increase in size and become multinucleate during aging in C57BL/6J mice. Multinucleation appeared not to be due to cell fusion, but to incomplete cell division, that is failure of cytokinesis. Interestingly, the phagocytic activity of multinucleate RPE cells was not different from that of mononuclear RPE cells. Furthermore, exposure of RPE cells in vitro to photoreceptor outer segment (POS), particularly oxidized POS, dose-dependently promoted multinucleation and suppressed cell proliferation. Both failure of cytokinesis and suppression of proliferation required contact with POS. Exposure to POS also induced reactive oxygen species and DNA oxidation in RPE cells. We propose that RPE cells have the potential to proliferate in vivo and to repair defects in the monolayer. We further propose that the conventionally accepted 'postmitotic' status of RPE cells is due to a modified form of contact inhibition mediated by POS and that RPE cells are released from this state when contact with POS is lost. This is seen in long-standing rhegmatogenous retinal detachment as overtly proliferating RPE cells (proliferative vitreoretinopathy) and more subtly as multinucleation during normal aging. Age-related oxidative stress may promote failure of cytokinesis and multinucleation in RPE cells.

Integrated techno-economic and environmental assessments of sixty scenarios for co-firing biomass with coal and natural gas

Displacement of fossil fuel-based power through biomass co-firing could reduce the greenhouse gas (GHG) emissions from fossil fuels. In this study, data-intensive techno-economic models were developed to evaluate different co-firing technologies as well as the configurations of these technologies. The models were developed to study 60 different scenarios involving various biomass feedstocks (wood chips, wheat straw, and forest residues) co-fired either with coal in a 500 MW subcritical pulverized coal (PC) plant or with natural gas in a 500 MW natural gas combined cycle (NGCC) plant to determine their technical potential and costs, as well as to determine environmental benefits. The results obtained reveal that the fully paid-off coal-fired power plant co-fired with forest residues is the most attractive option, having levelized costs of electricity (LCOE) of $53.12–$54.50/MW h and CO2 abatement costs of $27.41–$31.15/tCO2. When whole forest chips are co-fired with coal in a fully paid-off plant, the LCOE and CO2 abatement costs range from $54.68 to $56.41/MW h and $35.60 to $41.78/tCO2, respectively. The LCOE and CO2 abatement costs for straw range from $54.62 to $57.35/MW h and $35.07 to $38.48/tCO2, respectively.

Development of a Vehicle-Bridge-Soil Dynamic Interaction Model for Scour Damage Modelling

Damage detection in bridges using vibration-based methods is an area of growing research interest. Improved assessment
methodologies combined with state-of-the-art sensor technology are rapidly making these approaches applicable for real-world
structures. Applying these techniques to the detection and monitoring of scour around bridge foundations has remained
challenging; however this area has gained attraction in recent years. Several authors have investigated a range of methods but
there is still significant work required to achieve a rounded and widely applicable methodology to detect and monitor scour.This
paper presents a novel Vehicle-Bridge-Soil Dynamic Interaction (VBSDI) model which can be used to simulate the effect of scour
on an integral bridge. The model outputs dynamic signals which can be analysed to determine modal parameters and the variation
of these parameters with respect to scour can be examined.The key novelty of this model is that it is the first numerical model for
simulating scour that combines a realistic vehicle loadingmodel with a robust foundation soil responsemodel.This paper provides a
description of the model development and explains the mathematical theory underlying themodel. Finally a case study application
of the model using typical bridge, soil, and vehicle properties is provided.

Numerical considerations for the implementation of a comprehensive composite damage model

A comprehensive continuum damage mechanics model [1] had been developed to capture the detailed
behaviour of a composite structure under a crushing load. This paper explores some of the difficulties
encountered in the implementation of this model and their mitigation. The use of reduced integration
element and a strain softening model both negatively affect the accuracy and stability of the
simulation. Damage localisation effects demanded an accurate measure of characteristic length. A
robust algorithm for determining the characteristic length was implemented. Testing showed that this
algorithm produced marked improvements over the use of the default characteristic length provided
by Abaqus. Zero-energy or hourglass modes, in reduced integration elements, led to reduced
resistance to bending. This was compounded by the strain softening model, which led to the formation
of elements with little resistance to deformation that could invert if left unchecked. It was shown,
through benchmark testing, that by deleting elements with excess distortions and controlling the mesh
using inbuilt distortion/hourglass controls, these issues can be alleviated. These techniques
contributed significantly to the viability and usability of the damage model.

Validation of a 3D damage model for predicting the response of composite structures under crushing loads

A 3D intralaminar continuum damage mechanics based material model, combining damage mode interaction and material nonlinearity, was developed to predict the damage response of composite structures undergoing crush loading. This model captures the structural response without the need for calibration of experimentally determined material parameters. When used in the design of energy absorbing composite structures, it can reduce the dependence on physical testing. This paper validates this model against experimental data obtained from the literature and in-house testing. Results show that the model can predict the force response of the crushed composite structures with good accuracy. The simulated energy absorption in each test case was within 12% of the experimental value. Post-crush deformation and the damage morphologies, such as ply splitting, splaying and breakage, were also accurately reproduced. This study establishes the capability of this damage model for predicting the responses of composite structures under crushing loads.

Predicting impact damage, residual strength and crashworthiness of composite structures

The development of the latest generation of wide-body carbon-fibre composite passenger aircraft has heralded a new era in the utilisation of these materials. The premise of superior specific strength and stiffness, corrosion and fatigue resistance, is tempered by high development costs, slow production rates and lengthy and expensive certification programmes. Substantial effort is currently being directed towards the development of new modelling and simulation tools, at all levels of the development cycle, to mitigate these shortcomings. One of the primary challenges is to reduce the extent of physical testing, in the certification process, by adopting a ‘certification by simulation’ approach. In essence, this aspirational objective requires the ability to reliably predict the evolution and progression of damage in composites. The aerospace industry has been at the forefront of developing advanced composites modelling tools. As the automotive industry transitions towards the increased use of composites in mass-produced vehicles, similar challenges in the modelling of composites will need to be addressed, particularly in the reliable prediction of crashworthiness. While thermoset composites have dominated the aerospace industry, thermoplastics composites are likely to emerge as the preferred solution for meeting the high-volume production demands of passenger road vehicles. This keynote presentation will outline recent progress and current challenges in the development of finite-element-based predictive modelling tools for capturing impact damage, residual strength and energy absorption capacity of thermoset and thermoplastic composites for crashworthiness assessments.

Exploring the links between urban stucture and air quality

A poluição atmosférica constitui actualmente um grave problema ambiental cujos efeitos se fazem sentir a diversas escalas, desde os efeitos imediatos e de longo termo na saúde humana e nos materiais, até fenómenos regionais, como a acificação, e fenómenos globais que durante este século poderão alterar as condições de vida no globo. Apesar da redução das emissões de poluentes atmosféricos, conseguida através do uso de combustíveis mais limpos e tecnologias mais eficientes, as áreas urbanas continuam a evidenciar sinais de degradação ambiental. Para ser bem sucedida a cidade deve enfrentar as três dimensões da sustentabilidade: social, económica e ambiental. O modo de utilização do solo numa zona urbana é uma característica fundamental da cidade, com influência directa no seu desempenho ambiental e na qualidade de vida que proporciona à população. O presente trabalho explora a ligação entre a estrutura urbana e a qualidade do ar, um dos muitos aspectos do desenvolvimento urbano sustentável. A perspectiva histórica sobre o desenvolvimento urbano, a poluição atmosférica e a sua interligação é abordada, bem como o trabalho de investigação que tem vindo a ser conduzido na área. A aplicação de um sistema de modelação atmosférico a um caso de estudo idealizado demonstra a importância da estrutura espacial da cidade na sustentabilidade urbana, mostrando que cidades compactas com usos do solo misturados promovem uma melhor qualidade do ar quando comparadas com cidades dispersas, com baixa densidade populacional. De modo a explorar a relação entre a estrutura urbana e a qualidade do ar numa zona urbana real, a região urbana do Porto é identificada como um caso de estudo adequado, e o processo de crescimento urbano nas últimas décadas é analisado, assim como os níveis de qualidade do ar da região. De modo a definir a configuração do sistema de modelação mais adequada para a região de estudo, são efectuados diversos testes de sensibilidade com o modelo meteorológico. Relativamente ao modelo de qualidade do ar, é descrito e implementado um conjunto de acções de modo a melhorar o desempenho do modelo para a simulação das concentrações de poluentes na atmosfera urbana, no contexto de alterações do uso do solo. Finalmente, são desenvolvidos e testados, através da aplicação do sistema de modelação, dois cenários alternativos de desenvolvimento urbano para a área de estudo. Estes cenários alternativos implicam diferentes emissões de poluentes e diferentes distribuições espaciais dessas emissões, e como consequência, diferentes níveis de qualidade do ar. O estudo permite concluir que alterações nos padrões de uso do solo em áreas urbanas conduzem a alterações na meteorologia, emissões e qualidade do ar. As áreas urbanas dispersas, quando comparadas com estruturas urbanas compactas são responsáveis por temperaturas mais elevadas, emissões de poluentes para a atmosfera mais elevadas e maiores concentrações de poluentes.

Methodologies for a sustainable development of estuarine ecosystems

As zonas costeiras, estuarinas e lagunares são consideradas áreas muito produtivas e dotadas de grande biodiversidade sendo, por isso, consideradas de elevado valor ecológico e económico. No entanto, nas últimas décadas tem vindo a verificar-se um aumento da contaminação destes ecossistemas como resultado de diversas actividades antrópicas. As abordagens actualmente disponíveis para avaliação do impacto da poluição em ecossistemas estuarinos e lagunares apresentam diversos tipos de lacunas, pelo que é importante desenvolver metodologias mais eficazes com organismos autóctones. Neste contexto, o objectivo central desta dissertação consistiu em desenvolver e validar métodos ecologicamente relevantes para avaliação da contaminação estuarina e dos seus efeitos, utilizando o góbio-comum (Pomatoschistus microps), quer como organismo-teste quer como espécie sentinela, devido à importante função que desempenha nas cadeias tróficas de diversos estuários da costa Portuguesa. A Ria de Aveiro foi seleccionada como área de estudo principalmente pelo facto de possuir zonas com diferentes tipos de contaminação predominante e de haver conhecimento científico de base abundante e de elevada qualidade sobre este ecosistema. Na primeira fase do estudo, foram investigados os efeitos agudos de dois hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAPs) (benzo[a]pireno e antraceno), de um fuel-óleo e de dois metais (cobre e mercúrio) em P. microps, utilizando ensaios laboratoriais baseados em biomarcadores e em parâmetros comportamentais, os quais foram avaliados utilizando um dispositivo expressamente desenvolvido para o efeito, designado por speed performance device (SPEDE). Como biomarcadores foram utilizados parâmetros envolvidos em funções fisiológicas determinantes para a sobrevivência e desempenho dos animais (neurotransmissão, obtenção de energia, destoxificação e defesas anti-oxidantes), nomeadamente a actividade das enzimas acetilcolinesterase, lactato desidrogenase, CYP1A1, glutationa S-transferases, glutationa reductase, glutationa peroxidase, superóxido dismutase, catalase, tendo ainda sido determinados os níveis de peroxidação lipídica como indicador de danos oxidativos. De forma global, os resultados indicaram que os agentes e a mistura testados têm a capacidade de interferir com a função neurológica, de alterar as vias utilizadas para obtenção de energia celular, induzir as defesas antioxidantes e, no caso do cobre e do mercúrio, de causarem peroxidação lipídica. Foram ainda obtidas relações concentração-resposta a nível dos parâmetros comportamentais testados, nomeadamente a capacidade de nadar contra a corrente e a distância percorrida a nadar contra o fluxo de água, sugerindo que os agentes testados podem, por exemplo, diminuir a capacidade de fuga aos predadores, as probabilidades de captura de presas e o sucesso reprodutivo. Na segunda fase, tendo sido já adaptadas técnicas para determinação de vários biomarcadores em P. microps e estudada a sua resposta a dois grupos de poluentes particularmente relevantes em ecossistemas estuarinos e lagunares (metais e HAPs), foi efectuado um estudo de monitorização utilizando P. microps como bioindicador e que incluiu diversos parâmetros ecológicos e ecotoxicológicos, nomedamente: 20 parâmetros indicativos da qualidade da água e do sedimento, concentração de 9 metais em sedimentos e no corpo de P. microps, 8 biomarcadores e 2 índices de condição na espécie seleccionada. A amostragem foi efectuada em quatro locais da Ria de Aveiro, um considerado como referência (Barra) e três com diferentes tipos predominantes de contaminação (Vagueira, Porto de Aveiro e Cais do Bico), sazonalmente, durante um ano. Os resultados obtidos permitiram uma caracterização ecotoxicológica dos locais, incluindo informação sobre a qualidade da água, concentrações de contaminantes ambientais prioritários nos sedimentos e nos tecidos de P. microps, capacidade desta espécie para bioacumular metais, efeitos exercidos pelas complexas misturas de poluentes presentes em cada uma das zonas de amostragem nesta espécie e possíveis consequências para a população. A análise multivariada permitiu analisar de forma integrada todos os resultados, proporcionando informação que não poderia ser obtida analisando os dados de forma compartimentalizada. Em conclusão, os resultados obtidos no âmbito desta dissertação indicam que P. microps possui características adequadas para ser utilizado como organismoteste em ensaios laboratoriais (e.g. abundância, fácil manutenção, permite a determinação de diferentes tipos de critérios de efeito utilizando um número relativamente reduzido de animais, entre outras) e como organismo sentinela em estudos de monitorização da poluição e da qualidade ambiental, estando portanto de acordo com estudos de menor dimensão previamente efectuados. O trabalho desenvolvido permitiu ainda adaptar a P. microps diversas técnicas bioquímicas vulgarmente utilizadas como biomarcadores em Ecotoxicologia e validá-las quer no laboratório quer em cenários reais; desenvolver um novo bioensaio, utilizando um dispositivo de teste especialmente concebido para peixes epibentónicos baseado na performance natatória de uma espécie autóctone e em biomarcadores; relacionar os efeitos a nível bioquímico com parâmetros comportamentais que ao serem afectados podem reduzir de forma drástica e diversificada (e.g. aumento da mortalidade, diminuição do sucesso reprodutivo, redução do crescimento) a contribuição individual para a população. Finalmente, foi validada uma abordagem multidisciplinar, combinando metodologias ecológicas, ecotoxicológicas e químicas que, quando considerada de forma integrada utilizando análises de estatística multivariada, fornece informação científica da maior relevância susceptível de ser utilizada como suporte a medidas de conservação e gestão em estuários e sistemas lagunares.

Macroinvertebrate traits as biomonitoring tools in agricultural scenarios

Os ecossistemas de água doce – responsáveis por funções ambientais importantes e pelo fornecimento de bens e serviços insubstituíveis – têm vindo a ser severamente afectados por perturbações antropogénicas. A conversão de floresta em terreno agrícola afecta os sistemas aquáticos através de uma série de mecanismos: sedimentação; excesso de nutrientes; contaminação; alterações hidrológicas; e remoção de vegetação ripícola. As comunidades de macroinvertebrados de água doce – devido à sua diversidade, ubiquidade e sensibilidade às perturbações ambientais – revelam-se como particularmente adequadas para estudos de avaliação da integridade ecológica destes sistemas expostos simultaneamente a múltiplos factores de impacto. O uso sistemático de respostas biológicas para avaliação de mudanças ambientais – ou biomonitorização – pode ser levado a cabo através de diversas metodologias, que, de uma forma geral, não consideram aspectos funcionais das comunidades biológicas e têm aplicabilidade geograficamente restrita. A biomonitorização através de atributos biológicos (características que reflectem a adaptação das espécies ao seu meio ambiente) revela-se como uma ferramenta promissora na resolução dos problemas referidos, apresentando vantagens adicionais: relações causa-efeito directas; melhoria na diferenciação de impactos; e integração da variabilidade natural. O presente estudo apresenta uma revisão critica do estado-da-arte actual na área do uso de atributos biológicos em biomonitorização. Até à data de publicação, não estava disponível nenhum outro trabalho com a base conceptual do uso de atributos de macroinvertebrados enquanto descritores de comunidades e para efeitos de biomonitorização e gestão de sistemas de água doce. Descrevem-se as teorias ecológicas de suporte destas metodologias (conceitos de habitat-molde e de filtros paisagísticos) e os estudos que aplicaram estas teorias em cenários reais, tendo-se chamado a atenção para questões técnicas e possíveis soluções. As necessidades futuras nesta área englobam: o desenvolvimento de uma só ferramenta de biomonitorização de aplicação alargada; uma maior compreensão da variabilidade natural nas comunidades biológicas; diminuição dos efeitos de soluções de compromisso biológico e sindromas; realização de estudos autoecológicos adicionais; e detecção de impactos específicos em cenários de impacto complexos. Um dos objectivos deste estudo foi contribuir para a melhoria das técnicas de biomonitorização através de atributos, focalizando em comunidades de macroinvertebrados ribeirinhas em diferentes regiões biogeográficas (as bacias hidrográficas dos rios: Little e Salmon em New Brunswick, Canadá; Anllóns na Galiza, Espanha; Reventazón em Cartago, Costa Rica). Em cada região, foram estudados gradientes de uso agrícola de solo, incluindo desde bacias hidrográficas quase exclusivamente cobertas por floresta até bacias sob a influência maioritária de actividades agrícolas intensivas. Em cada gradiente de uso de solo, a caracterização da comunidade biológica (por amostragem de macroinvertebrados em troços de rápidos) foi acompanhada pela caracterização do habitat circundante (incluindo propriedades da bacia hidrográfica, análise química das águas e outras propriedades à escala local). A comunidade de macroinvertebrados foi caracterizada através de informação taxonómica, métricas estruturais, índices de diversidade, métricas de tolerância, índices bióticos e através da compilação de atributos biológicos e fisiológicos gerais, de história de vida e de resistência a perturbações. Análises estatísticas univariadas e multivariadas foram usadas para evidenciar os gradientes biológicos e físico-químicos, confirmar a sua co-variação, testar a significância da discriminação de níveis de impacto e estabelecer comparações inter-regionais. A estrutura de comunidades revelou os complexos gradientes de impacto, que por sua vez co-variaram significativamente com os gradientes de uso de solo. Os gradientes de impacto relacionaram-se sobretudo com entrada de nutrientes e sedimentação. Os gradientes biológicos definidos pelas medidas estruturais seleccionadas co-variaram com os gradientes de impacto estudados, muito embora apenas algumas variáveis estruturais tenham individualmente discriminado as categorias de uso de solo definidas a priori. Não foi detectada consistência nas respostas das medidas estruturais entre regiões biogeográficas, tendo-se confirmadado que as interpretações puramente taxonómicas de impactos são difíceis de extrapolar entre regiões. Os gradientes biológicos definidos através dos atributos seleccionados também co-variaram com os gradientes de perturbação, tendo sido possível obter uma melhor discriminação de categorias de uso de solo. Nas diferentes regiões, a discriminação de locais mais impactados foi feita com base num conjunto similar de atributos, que inclui tamanho, voltinismo, técnicas reproductivas, microhabitat, preferências de corrente e substrato, hábitos alimentares e formas de resistência. Este conjunto poderá vir a ser usado para avaliar de forma predictiva os efeitos das modificações severas de uso de solo impostas pela actividade agrícola. Quando analisadas simultaneamente através dos atributos, as comunidades das três regiões permitiram uma moderada mas significativa discriminação de níveis de impacto. Estas análises corroboram as evidências de que as mudanças nas comunidades de macroinvertebrados aquáticos em locais sob a influência de agricultura intensiva podem seguir uma trajectória convergente no espaço multidimensional, independentemente de factores geográficos. Foram fornecidas pistas para a identificação de parâmetros específicos que deverão ser tidos em conta no planeamento de novos programas de biomonitorização com comunidades de macroinvertebrados bentónicos, para aplicação numa gestão fluvial verdadeiramente ecológica, nestas e noutras regiões. Foram ainda sugeridas possíveis linhas futuras de investigação.

Environmental factors, clipping and fire: effects on cerrado (Brazilian savanna) native and invasive grasses

The Brazilian Cerrado houses a hugely diverse biota and is considered a conservation hotspot. One of the greatest threats to the integrity of this ecosystem is introduced African grasses, which can competitively exclude native grasses and cause changes in the microclimate and other disturbances. The Cerrado is a mosaic vegetation that provides different combinations, both spatially and temporally, of conditions that can become natural stressors to the herbaceous vegetation (water, nutrient and light availability). These mosaics are reflected in differences in relationships among native and invasive species, affecting competition and creating situations (place/season) that are more, or less, susceptible to invasion. The present study aimed to identify the different biological responses of native (Aristida recurvata, Aristida setifolia, Axonopus barbigerus, Echinolaena inflexa, Gymnopogon spicatus, Paspalum gardnerianum, Paspalum stellatum, Schizachyrium microstachyum, Schizachyrium sanguineum) and invasive (Melinis minutiflora and Andropogon gayanus) grasses to variations in natural stressors and to disturbance (fire and clipping), in order to understand changes in ecosystem functioning and competition processes between the grasses, and to understand invasion dynamics in this ecosystem. The presence of invasive species proved to affect the ecosystem functioning by increasing soil feeding activity. These differences were no longer observed in the dry season or when fires were frequent, showing that water availability and fire are more detrimental to soil feeding activity than is the vegetation. Laboratory experiments showed that both drought and flood simulated scenarios damaged both species, although the invasive species performed better under all watering conditions and responded better to fertilization. Underlying mechanisms such as the efficiency of photosynthesis and antioxidant mechanisms helped to explain this behavior. The invasive species grew faster and showed less cellular damage and a healthier photosystem, reflected in higher assimilation rates under stress. These differences between the native and invasive species were reduced with clipping, especially in dry soil with no fertilization, where the native species recovered better in relation to the pre-clipping levels. Flooding was as stressful as drought, but the invasive species can bypass this issue by growing an extensive root system, especially in the better-drained soils. Fire is more detrimental than clipping, with a slower recovery, while post-fire temperatures affect the germination of both invasive and native seeds and may be an important factor influencing the persistence of a diverse biota. This approach will finally contribute to the choice of the appropriate management techniques to preserve the Cerrado’s biodiversity.