Is there a universal allometric scaling of metabolism? Cephalopods as a case study

Tese de mestrado. Biologia (Ecologia Marinha). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2012Entre as inúmeras questões relativas à fisiologia dos animais uma das mais prementes prende-se com a forma como o metabolismo de um organismo varia de acordo com o seu peso. A dependência do metabolismo (Y) face à massa do organismo (M) segue a equação alométrica Y = b0Mb onde b0 é a constante de normalização, específica para cada taxon e b é o coeficiente de escalonamento. A Teoria Ecológica do Metabolismo (TEM) postula que a temperatura e a riqueza de espécies estão correlacionadas, uma vez que, a temperatura aumenta as taxas de mutação (devido à aceleração de processos bioquímicos), acelerando por sua vez a evolução molecular e levando a um aumento da taxa de especiação em zonas mais quentes. No entanto, actualmente, diversas premissas desta teoria têm sido contestadas. Uma das premissas desta teoria é o facto da existência de escalonamento metabólico universal (lei dos 3/4) e os mecanismos que estão subjacentes a este, o qual reúne pouco consenso científico. Segundo esta teoria todos os organismos têm em comum as mesmas relações de escalonamento alométricas e que o modelo geral da origem das taxas metabólicas alométricas descreve como os materiais essenciais às células são transportados através da vasta rede ramificada de distribuição de energia, como são os vasos capilares, e que é esta rede a responsável pela atribuição do coeficiente de escalonamento de três quartos, ou o equivalente logaritmizado para massa e taxa metabólica, -0.25. Modelos teóricos baseados nas restrições geométricas da rede de abastecimento celular são previsivelmente limitados para animais aquáticos de corpo mole, tais como os cefalópodes, uma vez que podem efetuar trocas gasosas e de matéria orgânica através da superfície corporal. Em resposta à premissa universal da lei dos três quartos, foi proposto que, após a correção para a massa corporal e temperatura, todos os organismos de um dado tamanho partilham a mesma taxa metabólica. Isto implica que a evolução e a ecologia possuem um papel mínimo na variação metabólica. Esta generalização ecológica não é suportada nem pela heterogeneidade nos expoentes de escalonamento nem pelas constantes de normalização encontradas na literatura. Estas sim, parecem expressar a variação de mecanismos biológicos envolvendo considerações evolucionárias e ecológicas. A Classe Cephalopoda encontra-se representada na lista de estudos de escalonamento metabólico que integram uma elevada heterogeneidade das constantes de normalização e coeficientes de escalonamento. Estes invertebrados possuem características que os tornam comparáveis a vertebrados, como sistema nervoso altamente desenvolvido, sistema circulatório fechado e um grande repertório de comportamentos. A fisiologia de cefalópodes bentónicos e nectobentónicos está amplamente estudada. É um habitat que promove estilos de vida menos exigentes a nível energético, uma vez que, oferece melhores oportunidades de esconderijo e camuflagem. No que diz respeito à fauna teutológica do Oceano Atlântico Este, as espécies mais comuns são o polvo comum Octopus vulgaris e o choco comum Sepia officinalis. No presente trabalho foi efectuado um estudo ontogenético da variação das taxas metabólicas, de ambas as espécies acima referidas, a três temperaturas diferentes, com o intuito de aferir se os coeficientes de escalonamento e o modo como o factor extrínseco – temperatura - pode afectar o escalonamento metabólico. Tal como esperado, registou-se o aumento das taxas metabólicas com o aumento da temperatura e alterações metabólicas ontogenéticas significativas, i.e. maiores necessidades energéticas dos organismos recém-eclodidos estudados. À nascença, os polvos são paralarvas pelágicas, habitando a zona epipelágica do oceano, onde é necessária a utilização do modo de locomoção caraterístico dos cefalópodes - propulsão a jacto. Este modo de locomoção é energeticamente pouco eficiente quando comparado com o modo de locomoção ondulatório/oscilatório dos peixes, requerendo taxas metabólicas aproximadamente dez vezes superiores às taxas metabólicas de polvos adultos. Aquando do assentamento das paralarvas a taxa metabólica destas decresce, uma vez que no ambiente bentónico a necessidade de utilização da propulsão a jacto é drasticamente reduzida, e os polvos juvenis e adultos utilizam maioritariamente modos de locomoção menos dispendiosos. Comparativamente, os chocos, desde a sua eclosão até à fase adulta, não sofrem grandes alterações na sua morfologia e fisiologia, assemelhando-se a “pequenos” adultos aquando da eclosão, e adoptando imediatamente os comportamentos típicos daqueles. Como tal, a exigência metabólica dos chocos recém eclodidos é muito inferior à dos polvos recém eclodidos, sendo, no entanto, superior à dos chocos juvenis. Isto deve-se ao facto dos cefalópodes serem organismos com taxas de crescimento muito elevadas no início da sua vida, sendo estas mais elevadas do que no restante ciclo de vida. As diferenças entre as taxas metabólicas de juvenis de choco e polvo revela a maior necessidade de gasto de energia por parte dos chocos devido ao seu estilo de vida nectobentónico, que obriga à manutenção da flutuabilidade através da siba, e do constante movimento das aletas. O coeficiente de escalonamento de ambas as espécies revela uma alometria negativa (b < 0) que reflecte os seus estilos de vida, menos activos que aquele das espécies pelágicas de cefalópodes. No presente estudo os coeficientes de escalonamento enquadram-se na gama de valores abrangida pela TEM, apoiando assim a universalidade desta Teoria. No presente estudo não foi, no entanto, incluída a análise das taxas metabólicas e coeficientes de escalonamento da lula europeia Loligo vulgaris devido à impossibilide da amostragem de especimens. Outros estudos sobre o escalonamento metabólico de cefalópodes permitem verificar a existência de diferentes relações de escalonamento entre lulas musculares ativas e os cefalópodes do presente estudo. Naquelas, o metabolismo específico (por grama de indivíduo) é quase independente do seu tamanho, e por isso, parece estar relacionado com o dispêndio massivo de energia na locomoção a jacto. Os proponentes da TEM têm vindo a focar demasiada atenção na influência da massa de um organismo e temperatura nas taxas metabólicas, deixando de parte a ecologia e evolução, factores importantes que moldam o ciclo de vida de qualquer espécie. A quantidade de provas disponíveis respeitando o metabolismo de cefalópodes permitem-nos duvidar da existência de tal lei. No entanto, as evidências referidas abordam sobretudo lulas com hábitos pelágicos. Pelo contrário, os resultados aqui discutidos, tendo em conta o ciclo de vida de duas espécies de cefalópodes que habitam o bentos mostraram expoentes de escalonamento que representam as necessidades energéticas deste habitat, apoiando a universalidade da TEM.The aim of the present study was to follow the ontogenetic metabolic scaling, of two coastal cephalopods with different life strategies, the benthic common octopus Octopus vulgaris and the nektobenthic common cuttlefish Sepia officinalis. Oxygen consumption rates were measured for hatchlings, juveniles and adult stages exposed to three different temperatures. Our results show significant differences between the metabolic rates of O.vulgaris hatchlings and adults, reflecting the morphological and locomotory changes that this species undergoes throughout ontogeny. Significant inter-specific differences in the metabolic rates were also obseved, with the nektobenthic cuttlefish exhibiting higher metabolic, possibly associated with a more energy demanding life strategy. But most importantly, our findings have shown little deviation from the main premise of the Metabolic Theory of Ecology, the 3/4-power law, since both species’ scaling exponents fell closer to -0.25

Auto-parametrização de meta-heurísticas para escalonamento dinâmico

Este artigo aborda o problema da parametrização de Técnicas de Optimização Inspiradas na Biologia (BIT - Biological Inspired Optimization Techniques), também conhecidas como Meta-heurísticas, considerando a importância que estas técnicas têm na resolução de situações de mundo real, sujeitas a perturbações externas. É proposto um módulo de aprendizagem com o objectivo de permitir que um Sistema Multi-Agente (SMA) para Escalonamento seleccione automaticamente uma Metaheurística e escolha a parametrização a usar no processo de optimização. Para o módulo de aprendizagem foi usado o Raciocínio baseado em Casos (RBC), permitindo ao sistema aprender a partir da experiência acumulada na resolução de problemas similares. Através da análise dos resultados obtidos é possível concluir acerca das vantagens da sua utilização

Mecanismo de negociação para sistema de escalonamento dinâmico

Este artigo propõe um Mecanismo de Negociação para Escalonamento Dinâmico com recurso a Swarm Intelligence (SI). No Mecanismo de Negociação, os agentes devem competir para obter um plano de escalamento global. SI é o termo geral para várias técnicas computacionais que retiram ideias e inspiração nos comportamentos sociais de insectos e outros animais. Este artigo propõe uma abordagem híbrida de diferentes conceitos da Inteligência Artificial (IA), como SI, Negociação em Sistemas Multi-Agente (SMA) e Técnicas de Aprendizagem Automática (AA). Este trabalho concentra a sua atenção na negociação, processo através do qual múltiplos agentes auto-interessados podem chegar a acordo através da troca competitiva de recursos

APLICAÇÃO DE META-HEURÍSTICAS NO ESCALONAMENTO DE MOTORISTAS PARA O TRANSPORTE DE MADEIRA

COSTA, Marcos Fávero. Aplicação de meta-heurísticas no escalonamento de motoristas para o transporte de madeira. 2012. Dissertação (Mestrado em Ciências Florestais) Universidade Federal do Espírito Santo, Alegre-ES. Orientador: Prof. Dr. Nilton Cesar Fiedler. Coorientador: Prof. Dr. Geraldo Regis Mauri. O transporte de cargas do setor florestal brasileiro é realizado em sua maior parte pelo modal rodoviário. Sua complexidade exibe a importância de diagnosticar o desenvolvimento da atividade para que se possa, por meio da pesquisa operacional, empregar de forma mais eficiente seus recursos disponíveis sem que haja perda de produtividade. Atualmente, o problema de escalonamento de motoristas é considerado um dos principais entraves à otimização em empresas de transporte, pois apresenta uma grande quantidade de restrições físicas e técnicas. Esta pesquisa teve como objetivo solucionar um problema real de escalonamento de motoristas no transporte de madeira de uma empresa florestal por meio de cinco meta-heurísticas (Algoritmo Genético AG, Algoritmo Memético AM, Clustering Search CS, Greedy Randomized Adaptive Search GRASP e Simulated Annealing SA), comparar os métodos entre si e entre a situação corrente na empresa, e propor uma nova escala de serviços. Para validação da abordagem proposta, foi utilizada uma entrada de dados gerada a partir da pesquisa qualitativa e de estudos de tempos e movimentos. Os resultados indicam que todos os métodos foram eficientes para resolver o problema sobressaindo-se o CS como melhor, seguido do SA, GRASP, AM e AG. O CS conseguiu atender aos objetivos com uma redução em 1/3 do quadro de 150 motoristas além de eliminar médias diárias de horas extras e excedentes que eram de 01h03min e 00h51min, respectivamente. Palavras-chave: transporte florestal, meta-heurísticas, escalonamento de motoristas, logística de transporte, produção florestal

Adaptador de terminal e concentrador ATM, baseado num PC com sistema operativo Linux

Especificação de uma Arquitectura para Adaptação de Tráfego de Baixo Débito em redes de comunicação. O sistema é constituído por um Adaptador de terminal e por um Concentrador ligados, através de uma rede de comunicação a uma Aplicação de controlo. A especificação é feita em linguagem C usando o sistema operativo Linux. São apresentados resultados de testes efectuados ao Adaptador de terminal e ao Concentrador. Estes testes foram efectuados recorrendo a um modelo simplificado do sistema que permitem avaliar o seu desempenho. Em anexo apresentam-se as listagens dos programas desenvolvidos

O desafio da integração explanatória para o enativismo: escalonamento ascendente ou descendente

Enactivism is a family of theories that construe action as constitutive of cognition and reject the need to postulate representations in order to explain all cognitive activities. Acknowledging a biologically basic, non-representational mode of cognition, however, raises the question of how to explain higher or more complex cognitive acts, what we call explanatory integration challenge. In this paper, we critically discuss some attempts to meet that challenge through scaling up basic cognition and through scaling down complex cognition within the enactivist research program

Discrete lot sizing and scheduling on parallel machines: description of a column generation approach

In this work, we study the discrete lot sizing and scheduling problem (DSLP) in identical parallel resources with (sequence-independent) setup costs and inventory holding costs. We propose a Dantzig-Wolfe decomposition of a known formulation and describe a branch-and-price and column generation procedure to solve the problem to optimality. Preliminary results show that the lower bounds provided by the reformulated model are stronger than the lower bounds provided by the linear programming relaxation of the original model

Arquitecturas adaptativas e cooperativas para sistemas de fabrico distribuídos

A pressão competitiva actual, é ditada por um mercado aberto e global, e no qual as empresas são confrontadas com exigências cada vez mais fortes. A adopção de novos conceitos e paradigmas de fabrico, combinados com a implementação de novas tecnologias é a resposta a estes requisitos e a solução para o incremento da competitividade. Arquitecturas de controlo distribuídas, cooperativas, auto-organizativas e heterogéneas são prometedoras neste contexto. A arquitectura apresentada, pretende solucionar de forma eficaz os requisitos dos sistemas de fabrico emergentes, sendo baseada na tecnologia de multiagentes, e implementando alguns conceitos associados aos sistemas de fabrico holónico e biónico, suportando uma nova abordagem ao controlo, que inclui as fases operacional e de reengenharia do ciclo de vida de uma empresa.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

quão distantes estão as regiões portuguesas? uma aplicação de escalonamento multidimensional

Apesar de ser um país pequeno, Portugal caracteriza-se por disparidades regionais significativas, as quais se tornam evidentes a partir da análise de numerosos indicadores como o nível de rendimento ou a taxa de desemprego. Estas disparidades regionais adquirem características que, em certo sentido, não respeitam o padrão tradicional que seria de esperar, o qual apontaria no sentido de uma diminuição das condições de vida, à medida que aumenta a distância de cada região, à região onde a prosperidade económica é mais elevada. De facto, isto significa que, para além do mapa geográfico, é possível construir um mapa alternativo das regiões de Portugal o qual, pelas suas características, é certamente muito mais interessante do ponto de vista da economia regional. Tal pode ser feito, recorrendo ao escalonamento multidimensional, o qual permite representar graficamente as unidades espaciais de maneira a reproduzir, tanto quanto possível, as distâncias económicas entre elas, medidas por indicadores tradicionais. A análise dos resultados do escalonamento multidimensional torna, então, possível, por um lado, verificar como as distâncias geográficas se relacionam com as distâncias económicas e, por outro lado, verificar se as políticas económicas regionais portuguesas contribuíram para uma diminuição daquelas disparidades regionais. ### Abstract: Despite being a small country, Portugal is characterised by significant regional disparities which are evident from the analysis of numerous indicators such as the level of income or the unemployment rate. These regional disparities acquire characteristics that, in a sense, do not respect the traditional pattern as the one expected when assuming that economic prosperity decreases with the distance of each region to the region where economic prosperity is higher. Plainly, this means that, besides the geographical map, it is possible to construct an alternative map of the regions of Portugal which, by its characteristics, is certainly much more interesting from the regional economics point of view. This can be done through the use of multidimensional scaling as it allows representing graphically the regions in a way to reproduce as close as possible the economic distances of the regions as measured by traditional indicators. The analysis of the multidimensional scaling output makes it then possible to verify how geographical distances are related with economic ones and to verify if the Portuguese regional economic policies have, indeed, contributed to a diminishment of those regional disparities