Determinazione del gradiente gravitazionale attraverso l'utilizzo di un interferometro atomico

Il lavoro presentato in questa tesi è stato svolto nell'ambito dell'esperimento MAGIA (Misura Accurata di G mediante Interferometria Atomica) che, come suggerito dall'acronimo, si propone di realizzare una misura della Costante Gravitazionale G utilizzando un interferometro atomico come sensore di forza. L'obbiettivo di MAGIA è quello di fornire una misura di G con un'incertezza di circa 100 ppm, per raggiungere lo scopo è necessario conoscere il gradiente gravitazionale presente nel laboratorio durante la misura di G. Un errore nella valutazione del gradiente gravitazionale del 10% comporterebbe un errore nella misura di G di 26 ppm. Si è quindi modificato l'apparato per abilitarlo alla misura del gradiente. Dopo la determinazione del gradiente gravitazionale si è portando l'errore sulla misura di G causato dalla sua incertezza a circa 1 ppm. Vista l'importanza della misura del gradiente gravitazionale negli studi geologici e nella ricerca mineraria, si è studiata la possibilità dell'utilizzo dello strumento come gradiometro per misure geologiche. Inoltre si è anche caratterizzato il sistema di iniezione degli atomi e se n’è studiato un possibile miglioramento.

Studio dell'effetto dell'acidificazione del mare sulla riproduzione del corallo Astroides calycularis (Scleractinia, Dendrophylliidae) lungo un gradiente naturale di CO2

E’ previsto che l’emissione in atmosfera di anidride carbonica (CO2) da parte dell’uomo e la conseguente acidificazione delle acque dei mari provocherà effetti negativi di vasta portata sui processi biologici di diversi ecosistemi marini. L’acidificazione del mare può provocare effetti negativi su tutti gli stadi del ciclo vitale degli organismi marini, influenzandone la fisiologia, morfologia, comportamento ed alcune fasi della riproduzione e del reclutamento. Esistono poche informazioni riguardo gli effetti dell’acidificazione sulla riproduzione sessuale dei coralli. Questo studio ha lo scopo di quantificare la capacità riproduttiva di Astroides calycularis (scleractinia coloniale mediterranea azooxantellata) in colonie trapiantate lungo un gradiente naturale di pH, generato dalle emissioni di CO2 del cratere vulcanico sottomarino di Panarea (Isole Eolie). Le colonie sono state trapiantate in 4 siti, dal centro del cratere, dove si riscontra la condizione più acida (pH 7.40), alla periferia, caratterizzata da condizioni di pH normali (pH 8.07). La popolazione di A. calycularis di Panarea ha mostrato una sessualità mista a livello coloniale (polipi gonocorici in colonie ermafrodite), in contrapposizione alla condizione gonocorica riscontrata nella stessa specie studiata a Palinuro e a Punta de la Mona (Spagna). I risultati preliminari sembrerebbero mostrare un effetto negativo dell’acidificazione sullo sviluppo gonadico femminile della specie. L’ipotesi è che esso sia dovuto ad una riallocazione delle energie sui processi di calcificazione a danno dell’ovogenesi. La spermatogenesi risentirebbe meno degli effetti negativi dell’acidificazione nelle fasi di sviluppo interne all’ individuo, in quanto meno dispendiose da un punto di vista energetico rispetto alle fasi di ovogenesi. Gli spermatozoi potrebbero invece essere influenzati negativamente dall’ ambiente più acido una volta entrati in contatto con esso, con conseguenze sulla riuscita della fecondazione. Questo studio necessita di ulteriori dati e verrà completato con le analisi istologiche in corso.

Simulazione numerica di un sistema geotermico a bassa entalpia open-loop in presenza di un gradiente geotermico anomalo

Il lavoro svolto nella presente tesi di laurea magistrale consiste nella modellazione e simulazione numerica, tramite il software commericale COMSOL MULTIPHYSICS, di un reservoir geotermico a bassa entalpia sfruttato mediante un impianto di teleriscaldamento a pompa di calore accoppiato ad un sistema open-loop.

Risposta della taxocenosi ad Arpacticoidi lungo un gradiente di acidificazione (Castello Aragonese, Ischia)

Recentemente molti studi in ambiente marino sono stati focalizzati sui possibili impatti dovuti alle variazioni del pH degli oceani, causato dall’aumento delle immissioni di CO2 nell’atmosfera. Tra i possibili effetti nocivi, l’acidificazione oceanica può indurre cambiamenti nelle abbondanze e nelle distribuzioni delle engeneer species, con conseguenti ripercussioni sulla fauna associata. Esempio tipico di engeneer species sono le macroalghe che sono capaci di creare, lungo le coste rocciose, habitat diversi a seconda della specie che riesce ad attecchire. Tra le specie animali che dominano in questi habitat troviamo i copepodi Arpacticoidi, piccoli crostacei che svolgono un ruolo chiave all’interno delle reti trofiche. Per questi motivi lo scopo di questo lavoro è valutare possibili effetti dell’acidificazione sulle taxocenosi a copepodi Arpacticoidi associate alle macroalghe. Lo studio è stato svolto ad Ischia, nella zona nei pressi del Castello Aragonese, dove vi sono dei vents di origine vulcanica che emettono CO2 e formano un gradiente naturale di acidificazione lungo un’area di circa 300m, suddivisibile in 3 stazioni a differenti valori medi di pH. L’analisi delle taxocenosi è stata svolta a livello di generi e famiglie di Arpacticoidi, in termini di abbondanze e di struttura di comunità, su differenti specie algali raccolte lungo il gradiente di acidificazione. Mentre non si notano differenze significative per le famiglie, la struttura di comunità analizzata a livello di generi di copepodi Arpacticoidi mostra una suddivisione in due comunità ben distinte, delle quali una appartenente alla stazione acidificata e un'altra alle stazioni di controllo e moderatamente acidificata. Tale suddivisione si conferma anche prendendo in considerazione la diversa complessità strutturale delle alghe. Per quanto riguarda le abbondanze, sia a livello di famiglie che di generi, queste mostrano generalmente valori più elevati nella stazione moderatamente acidificata e valori più bassi nella stazione più acidificata. C’è però da considerare che se non si tiene conto della complessità algale queste differenze sono significative per le famiglie Ectinosomatidae, Thalestridae e per il genere Dactylopusia, mentre, se si tiene conto della complessità algale, vi sono differenze significative per la famiglia Miraciidae e per i generi Amonardia e Dactylopusia. In definitiva questo studio sembrerebbe evidenziare che le taxocenosi a copepodi Arpacticoidi siano influenzate sia dalla differente complessità algale, che dall’acidificazione oceanica. Inoltre mostra che, in prospettiva di studi futuri, potrebbe essere necessario focalizzarsi su specie algali ben definite e su un'analisi tassonomica dei copepodi Arpacticoidi approfondita fino al livello di specie.

Meiofauna associata a macroalghe bentoniche lungo un gradiente di acidificazione (Castello Aragonese, Ischia)

Tra i vari impatti causati dall’aumento costante di CO2 nell’atmosfera troviamo l’acidificazione oceanica. Le conseguenze di questo processo non sono interamente conosciute. Per questo è importante conoscere la risposta all’acidificazione degli organismi marini e degli ecosistemi. Lo scopo di questo lavoro è valutare le conseguenze dell’acidificazione su comunità meiofaunali epifite. Sono stati quindi condotti campionamenti in situ, in una zona acidificata in conseguenza della presenza di vents idrotermali presenti nell’isola di Ischia (Italia). La zona di studio indagata è stata suddivisa in due siti, differenti per esposizione al moto ondoso. All’interno di ciascuna esposizione sono stati individuate tre stazioni, differenti per il grado di acidificazione. Sono stati prelevati campioni di alghe lungo il gradiente di acidificazione con associata la meiofauna e sono stati considerati come substrato secondario. Le alghe sono state analizzate attraverso descrittori della loro complessità mentre gli organismi sono stati contati e classificati a livello di grandi taxa. I descrittori sintetici di ricchezza tassonomica e di abbondanza non presentano valori di correlazione alti con i descrittori di complessità algale. Invece, i risultati ottenuti considerando l’intera comunità mostrano una relazione significativa fra la struttura delle comunità meiofaunali e l’acidificazione e anche con la diversa esposizione al moto ondoso. Infine dalle analisi condotte mediante regressione multipla fra tutti i descrittori algali e la struttura di comunità si nota come i primi non giustificano da soli le variazioni dei popolamenti meiobentonici. In definitiva questi risultati sembrerebbero dimostrare che la struttura delle comunità meiofaunali venga influenzata sia dalla acidificazione che dall’esposizione al moto ondoso oltre che dalla struttura dell’habitat. È tuttavia difficile definire se le variazioni nella struttura di comunità sono dovute ad una azione parallela e sinergica dei fattori considerati (esposizione e gradiente) o se si tratta di un effetto a cascata dove l’acidità influenza le comunità algali che a loro volta strutturano le comunità bentoniche associate. In prospettiva di studi futuri sarebbe quindi interessante condurre uno studio simile prendendo in considerazione le possibili relazioni specie-specifiche intercorrenti tra la struttura delle comunità meiofaunali e le differenti specie algali.

Evidence of neutral and adaptive genetic divergence between European trout populations sampled along altitudinal gradients

Species with a wide geographical distribution are often composed of distinct subgroups which may be adapted to their local environment. European trout (Salmo trutta species complex) provide an example of such a complex consisting of several genetically and ecologically distinct forms. However, trout populations are strongly influenced by human activities, and it is unclear to what extent neutral and adaptive genetic differences have persisted. We sampled 30 Swiss trout populations from heterogeneous environments along replicated altitudinal gradients in three major European drainages. More than 850 individuals were genotyped at 18 microsatellite loci which included loci diagnostic for evolutionary lineages and candidate markers associated with temperature tolerance, reproductive timing and immune defence. We find that the phylogeographic structure of Swiss trout populations has not been completely erased by stocking. Distinct genetic clusters corresponding to the different drainages could be identified, although nonindigenous alleles were clearly present, especially in the two Mediterranean drainages. We also still detected neutral genetic differentiation within rivers which was often associated with the geographical distance between populations. Five loci showed evidence of divergent selection between populations with several drainage-specific patterns. Lineage-diagnostic markers, a marker linked to a quantitative trait locus for upper temperature tolerance in other salmonids and a marker linked to the major histocompatibility class I gene were implicated in local adaptation and some patterns were associated with altitude. In contrast, tentative evidence suggests a signal of balancing selection at a second immune relevant gene (TAP2). Our results confirm the persistence of both neutral and potentially adaptive genetic differences between trout populations in the face of massive human-mediated dispersal.

Parallel divergent adaptation along replicated altitudinal gradients in Alpine trout

Background The European trout (Salmo trutta species complex) occurs across a very wide altitudinal range from lowland rivers to alpine streams. Historically, the major European river systems contained different, evolutionarily distinct trout lineages, and some of this genetic diversity has persisted in spite of extensive human-mediated translocations. We used AFLP-based genome scans to investigate the extent of potentially adaptive divergence among major drainages and along altitudinal gradients replicated in several rivers. Results The proportion of loci showing evidence of divergent selection was larger between drainages than along altitudinal transects within drainages. This suggests divergent selection is stronger between drainages, or adaptive divergence is constrained by gene flow among populations within drainages, although the latter could not be confirmed at a more local scale. Still, altitudinal divergence occurred and, at approximately 2% of the markers, parallel changes of the AFLP band frequencies with altitude were observed suggesting that altitude may well be an important source of divergent selection within rivers. Conclusions Our results indicate that adaptive genetic divergence is common both between major European river systems and along altitudinal gradients within drainages. Alpine trout appear to be a promising model system to investigate the relative roles of divergent selection and gene flow in promoting or preventing adaptation to climate gradients.

Widespread phenotypic and genetic divergence along altitudinal gradients in animals

Altitudinal gradients offer valuable study systems to investigate how adap- tive genetic diversity is distributed within and between natural populations and which factors promote or prevent adaptive differentiation. The environ- mental clines along altitudinal gradients tend to be steep relative to the dispersal distance of many organisms, providing an opportunity to study the joint effects of divergent natural selection and gene flow. Temperature is one variable showing consistent altitudinal changes, and altitudinal gradi- ents can therefore provide spatial surrogates for some of the changes antici- pated under climate change. Here, we investigate the extent and patterns of adaptive divergence in animal populations along altitudinal gradients by sur- veying the literature for (i) studies on phenotypic variation assessed under common garden or reciprocal transplant designs and (ii) studies looking for signatures of divergent selection at the molecular level. Phenotypic data show that significant between-population differences are common and taxo- nomically widespread, involving traits such as mass, wing size, tolerance to thermal extremes and melanization. Several lines of evidence suggest that some of the observed differences are adaptively relevant, but rigorous tests of local adaptation or the link between specific phenotypes and fitness are sorely lacking. Evidence for a role of altitudinal adaptation also exists for a number of candidate genes, most prominently haemoglobin, and for anony- mous molecular markers. Novel genomic approaches may provide valuable tools for studying adaptive diversity, also in species that are not amenable to experimentation.

Arquitectura cognitiva basada en el gradiente sensorial y su aplicación a la robótica móvil

El objetivo de esta tesis es el desarrollo de un sistema completo de navegación, aprendizaje y planificación para un robot móvil. Dentro de los innumerables problemas que este gran objetivo plantea, hemos dedicado especial atención al problema del conocimiento autónomo del mundo. Nuestra mayor preocupación ha sido la de establecer mecanismos que permitan, a partir de información sensorial cruda, el desarrollo incremental de un modelo topológico del entorno en el que se mueve el robot. Estos mecanismos se apoyan invariablemente en un nuevo concepto propuesto en esta tesis: el gradiente sensorial. El gradiente sensorial es un dispositivo matemático que funciona como un detector de sucesos interesantes para el sistema. Una vez detectado uno de estos sucesos, el robot puede identificar su situación en un mapa topológico y actuar en consecuencia. Hemos denominado a estas situaciones especiales lugares sensorialmente relevantes, ya que (a) captan la atención del sistema y (b) pueden ser identificadas utilizando la información sensorial. Para explotar convenientemente los modelos construidos, hemos desarrollado un algoritmo capaz de elaborar planes internalizados, estableciendo una red de sugerencias en los lugares sensorialmente relevantes, de modo que el robot encuentra en estos puntos una dirección recomendada de navegación. Finalmente, hemos implementado un sistema de navegación robusto con habilidades para interpretar y adecuar los planes internalizados a las circunstancias concretas del momento. Nuestro sistema de navegación está basado en la teoría de campos de potencial artificial, a la que hemos incorporado la posibilidad de añadir cargas ficticias como ayuda a la evitación de mínimos locales. Como aportación adicional de esta tesis al campo genérico de la ciencia cognitiva, todos estos elementos se integran en una arquitectura centrada en la memoria, lo que pretende resaltar la importancia de ésta en los procesos cognitivos de los seres vivos y aporta un giro conceptual al punto de vista tradicional, centrado en los procesos. The general objective of this thesis is the development of a global navigation system endowed with planning and learning features for a mobile robot. Within this general objective we have devoted a special effort to the autonomous learning problem. Our main concern has been to establish the necessary mechanisms for the incremental development of a topological model of the robot’s environment using the sensory information. These mechanisms are based on a new concept proposed in the thesis: the sensory gradient. The sensory gradient is a mathematical device which works like a detector of “interesting” environment’s events. Once a particular event has been detected the robot can identify its situation in the topological map and to react accordingly. We have called these special situations relevant sensory places because (a) they capture the system’s attention and (b) they can be identified using the sensory information. To conveniently exploit the built-in models we have developed an algorithm able to make internalized plans, establishing a suggestion network in the sensory relevant places in such way that the robot can find at those places a recommended navigation direction. It has been also developed a robust navigation system able to navigate by means of interpreting and adapting the internalized plans to the concrete circumstances at each instant, i.e. a reactive navigation system. This reactive system is based on the artificial potential field approach with the additional feature introduced in the thesis of what we call fictitious charges as an aid to avoid local minima. As a general contribution of the thesis to the cognitive science field all the above described elements are integrated in a memory-based architecture, emphasizing the important role played by the memory in the cognitive processes of living beings and giving a conceptual turn in the usual process-based approach.

Estructura y funcionamiento de ecosistemas secos del Sur de Ecuador.

En la actualidad, los bosques secos neotropicales se encuentran restringidos a una pequeña fracción de su área de distribución histórica, debido principalmente a la acelerada pérdida de cobertura vegetal. Es por esta razón que son reconocidos como uno de los ecosistemas más amenazados del mundo. Durante las últimas décadas estos bosques han recibido mayor atención por parte de investigadores, y pese a que el esfuerzo dedicado al estudio y conocimiento de estos bosques no es comparable al de otros bosques de la región, especialmente los ligados a las pluviselvas húmedas, los trabajos llevados a cabo fundamentalmente por botánicos han permitido describir una buena parte de su diversidad florística en amplias regiones del neotrópico, constatar el elevado nivel de endemicidad de su flora y determinar algunos de los factores que determinan su estructura y funcionamiento. Sin embargo, aún existen regiones como la denominada Pacífico Ecuatorial donde la investigación ha sido escaza. El conocimiento de la diversidad biológica así como cuáles son los factores que controlan el funcionamiento y la estructuración de estos bosques resultan prioritarios para poder desarrollar acciones de conservación efectivas. El presente trabajo aporta a la comprensión del funcionamiento de dos sistemas secos tropicales de la región del Pacífico Ecuatorial el matorral seco y el bosque seco del sur del Ecuador. Se estableció una parcela de 9ha en bosque seco con el fin de evaluar asociaciones intraespecíficas e interespecíficas, se registró la diversidad y abundancia de todas las especies leñosas con un dap igual o superior a 5cm, además se obtuvo la ubicación espacial de cada individuo. Adicionalmente se realizaron 109 parcelas a lo largo de 4 de los cantones de la provincia de Loja que conservan en buen estado bosques secos. En el matorral seco se desarrollo un estudio observacional a lo largo de una gradiente estrés climático y dos niveles de manejo no disturbado y pastoreado. En cada nivel se colocaron 2 parcelas dentro de las cuales se registró la abundancia, diversidad y cobertura de todas las especies anuales. Además, se tomaron 9 muestras de suelo en cada parcela para evaluar el banco de semillas del suelo. Los resultados muestran que el bosque seco las relaciones positivas planta-planta juegan un papel fundamental en la estructura florística de las comunidades. Así se pudo observar que a escalas regionales la disponibilidad de agua tiene una relación inversa con la riqueza, encontrándose que áreas con menor disponibilidad de agua generan comunidades vegetales más diversas. Esta respuesta es coherente con la Hipótesis de la Gradiente de Estrés ya que el incremento de las relaciones de facilitación estaría incrementando la cantidad de especies que coexisten a nivel local. Por otro lado a escalas locales las especies de bosque seco tropical muestran un bajo grado de agrupamiento con sus congéneres, lo cual coincide con la propuesta de la “Dependencia Negativa de la Densidad” propuesta por Janzen – Connell. Esta respuesta contribuye al comportamiento acumulador de especies observado en el bosque seco, por lo observado en este trabajo a escalas locales las interacciones positivas planta-planta son predominantes. En el matorral seco montano los resultados muestran que la magnitud de los efectos de las especies ingenieras del ecosistema en la diversidad de especies y la productividad varían a lo largo de gradientes ambientales y a con la escala espacial de la comunidad. Así, en las zonas con mayor presión ambiental y una mayor presión de pastoreo, el efecto de las plantas ingenieras es mayor. Por otro lado, se pudo observar que la estabilidad de la diversidad en la escala de la comunidad parece ser la norma con efectos nulos de los factores de estrés en las propiedades de la comunidad. A nivel de microhábitat la importancia de la facilitación incrementa cuando los factores de estrés climático aumentan, y bajo las copas de Croton la diversidad y la cobertura es mayor que en el suelo desnudo, esta diferencia se incrementa con el estrés abiótico. Esta respuesta fue modulada por el pastoreo, en las zonas más altas con menor estrés climático, la facilitación se mantuvo debido a que la competencia se reduce por efecto del pastoreo, ya que las manchas se transforman refugios libres de herbivoría. Así, el estrés biótico por los consumidores altera significativamente la naturaleza y la fuerza de las interacciones entre especies en las comunidades, e incluso puede cambiar el signo de las interacciones entre especies. El banco de semillas muestra una importante interacción entre los factores de estrés, los efectos en el banco de semillas del suelo se explica mejor cuando los factores de estrés, tanto climáticos y el pastoreo son evaluados. En condiciones inalteradas la riqueza y abundancia del banco de semillas aumenta con la altitud y se reduce el estrés. Este patrón es modulado por el pastoreo, en el extremo inferior del gradiente altitudinal, el pastoreo produce un aumento en la riqueza y la densidad del banco de semillas y en el extremo superior del gradiente altitudinal el pastoreo reduce estos dos atributos.