To live and die in CA

This thesis investigates the nature of elementary cellular automata to better understand their relationship of the models they support to the biological organisms that create the mats and soil crusts found in extreme environments here on earth. Cellular automata have been used to study growth and patterns in forests, arid desert environments, predator-prey problems, and sea shells. It has also been used to study areas of diverse epidemiology and linguistics. Cellular automata have been used as the core of computer games as well. This investigation has led to develop a graphical grammar for simple cellular automata, using L-systems, a grammar system designed by a biologist, Aristid Lindenmayer, to describe growth in biological systems. Also discussed is scaling algorithms, and the associated variable dependencies that create them. All of the cellular automata investigated in this thesis are totalistic (they update simultaneously). Random updating of cells in models to simulate the random availability of resources (water and nutrients) could be especially useful in models of resource limited ecologies like deserts, the artic, and even Mars

A novel theoretical and experimental approach permits a systems view on stochastic intracellular Ca 2+ signalling

Ca(2+)-Ionen sind ein universeller sekundärer Botenstoff in eukaryotischen Zellen und übertragen Information durch wiederholte, kurzzeitige Erhöhungen der cytosolischen Ca(2+)-Konzentration (Ca(2+) Spikes). Ein bekannter Mechanismus, der solche Ca(2+)-Signale erzeugt, beinhaltet die Freisetzung von Ca(2+)-Ionen aus dem endoplasmatischen Retikulum durch IP3-sensitive Kanäle. Puffs sind elementare Ereignisse der Ca(2+)-Freisetzung durch einzelne Cluster von Ca(2+)-Kanälen. Intrazelluläre Ca(2+)-Dynamik ist ein stochastisches System, allerdings konnte bisher keine vollständige stochastische Theorie entwickelt werden. Die vorliegende Dissertation formuliert die Theorie mit Hilfe von Interpuffintervallen und Pufflängen, da diese Größen im Gegensatz zu den Eigenschaften der Einzelkanäle direkt messbar sind. Die Theorie reproduziert das typische Spektrum bekannter Ca(2+)-Signale. Die Signalform und das durchschnittliche Interspikeinterval (ISI) hängen sensitiv von den genauen Eigenschaften und der räumlichen Anordnung der Cluster ab. Im Gegensatz dazu hängt die Beziehung zwischen Mittelwert und Standardabweichung der ISI weder von den Clustereigenschaften noch von der räumlichen Anordnung ab, sondern wird lediglich von globalen Feedbackprozessen im Ca(2+)-Signalweg reguliert. Diese Beziehung ist essentiell für die Funktion des Signalwegs, da sie trotz der Zufälligkeit der ISI eine Frequenzkodierung ermöglicht und den maximalen Informationsgehalt der Spikesequenzen bestimmt. Neben der theoretischen Analyse enthält die vorliegende Arbeit auch experimentelle Puff- und Spikemessungen an lebenden HEK-Zellen, die wichtige Ergebnisse verifizieren. Insgesamt wird durch die integrierte theoretische und experimentelle Untersuchung auf verschiedenen Stufen molekularer Organisation gezeigt, dass stochastische Ca(2+)-Signale verlässliche Informationsträger sind, und dass der Mechanismus durch globalen Feedback an die spezifischen Anforderungen eines Signalpfads angepasst werden kann.Ca(2+) is a universal second messenger in eukaryotic cells transmitting information through sequences of concentration spikes. A prominent mechanism to generate these spikes involves Ca(2+) release from the endoplasmic reticulum Ca(2+) store via IP3-sensitive channels. Puffs are elemental events of IP3-induced Ca(2+) release through single clusters of channels. Intracellular Ca(2+) dynamics are a stochastic system, but a complete stochastic theory has not been developed yet. As a new concept, this thesis formulates the theory in terms of interpuff interval and puff duration distributions, since unlike the properties of individual channels, they can be measured in vivo. This leads to a non-Markovian description of system dynamics, for which analytical solutions and efficient stochastic simulation techniques are derived. The theory reproduces the typical spectrum of Ca(2+) signals. Signal form and average interspike interval (ISI) depend sensitively on detailed properties and spatial arrangement of clusters. In difference to that, the relation between the average and the standard deviation of ISIs does not depend on cluster properties and cluster arrangement, and it is robust with respect to cell variability. It can only be regulated by global feedback processes in the Ca(2+) signalling pathway. That relation is essential for pathway function, since it ensures frequency encoding despite the randomness of ISIs and determines the maximal spike train information content. Apart from the theoretical investigation, this thesis verifies key results by live cell imaging of Ca(2+) spikes and puffs in HEK cells. Hence, this work comprises a systems level investigation of Ca(2+) signals, integrating data and theory from different levels of molecular organisation. It demonstrates that stochastic Ca(2+) signals can transmit information reliably, and that the mechanism can be adapted to the specific needs of a pathway by global feedback

Effects of diets with different phosporus availability on the intestinal microbiota of chickens and pigs

In the research works of the present thesis, 16S rRNA gene sequencing and metaproteomics were employed to investigate the gut microbiota of chickens and pigs kept at experimental diets with varying amount of calcium-phosphorus (CaP) and supplemented MP. This represents a valuable approach to investigate the bacterial specimens involved in the P absorption, allowing for a comprehensive understanding of how the intestinal bacteria adapt to a new diet and which metabolic routes are affected by changing levels of supplemented P and/or MP. Two major experimental trials were performed during the investigation. The first one was conducted on chickens operating a modulation in the dietary levels of Ca, P and MP. This trial highlighted a shift in the composition of the crop and ceca-associated microbial community depending on the composition of the diet fed. Also, investigated protein inventory revealed that the stress condition due to the reduced P availability is mirrored in the gastrointestinal tract (GIT)-associated microbiota. Marked differences were observed in the functions of the bacterial community in the case of P-available diets versus P-deficient ones. Protein repertoire of the first case draws a thriving microbial community focused on complex and anabolic functions. Contrariwise, the bacterial community in the case of P-lacking diets appears to deal with catabolic functions and stress response. The second trial was conducted on pigs and attempts to define the dynamics featuring the microbiota adaptation to a new challenging diet composed of different protein sources and varying levels of Ca and P. Statistical evidences reveal a stepwise adaptation of the fecal microbiota to the experimental diets fed. Both DNA-based approach and metaproteomics independently reveal three main adaptation phases: -before the feeding of the experimental trial (i.e. Zero), -the response of the microbial community to the challenging factor (i.e. MA) and, finally, - the newly achieved homeostatic balance (i.e. EQ). As observed in the first trial, feeding of the experimental diets impairs the overall fecal microbiota composition, stimulating the presence of phase-specific bacterial specimens and a characteristic relative abundance of the shared ones. Bacterial families responsible for the phase-specific architecture of the fecal microbiota are also active in the biochemical pathways driving the functional peculiarities of each adaptation phase. A deeper investigation of the identified protein repertoire revealed that the observed statistical differences among the adaptation phases are uniquely due to the Ca and P composition of the diets fed. None of the observed effects can be attributed to the diverse protein sources supplemented with the diets. Functional categorization of the identified protein inventory depicts three diverse functional assets of the microbial community. Specifically, prior the feeding of the experimental diets, bacteria are hypothesized to live under homeostatic condition, since they appear to be involved in complex and highly-specialized functions. Following the administration of the experimental diets microbial community changes its functional priority and reduce the expression of highly specialized functions to focus on more essential ones. Proteins involved in complex functions such as widening the substrates array and facing complex sugars tend to increase in abundance while the new homeostatic balance is achieved. Altogether, data from both trials provide useful information for future studies aimed to design effective breeding strategies finalized to reduce the P supplementation in the routinely breeding of livestock and maintain a balanced microbial activity in the animal GIT. Investigation of the dynamics of the porcine microbiota provides instructions on the minimal exposure time required from the intestinal microbiota to adapt to a new dietary composition. This is of fundamental importance for the design of future studies aimed to confirm and/or continue our results. Moreover, the anatomical and physiological similarities occurring between humans and pigs, make our findings of interest for future human nutritional studies, where the mechanisms and lasts of the microbiota adaptation process is still object of discussion.In den Forschungsprojekten der vorliegenden Arbeit wurden die 16S rRNA Gensequenzierung und Metaproteomik zur Untersuchung der Darmmikrobiota von Hühnern und Schweinen verwendet. Dabei wurde der Einfluss von Versuchsdiäten mit unterschiedlichen Mengen an Calcium-Phosphor (CaP) und ergänzten MP untersucht. Dies ist ein wertvoller Ansatz zur Identifizierung von Bakterienspezies, welche an der P-Absorption beteiligt sind, und ermöglicht es ein umfassendes Verständnis darüber zugewinnen, wie sich die Darmbakterien an eine neue Ernährung und an Stoffwechselwege, die von sich verändernden Mengen an ergänztem P und / oder MP beeinflusst werden, anpassen können. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei große experimentelle Studien durchgeführt. Die erste Studie wurde an Hühnern durchgeführt und basierte auf der Verabreichung unterschiedlicher Mengen an Ca, P und MP in der Nahrung. Die Ergebnisse dieser Studie zeigten eine Nahrungs-abhängige Verschiebung in der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft in Kropf und Blinddarm. Außerdem zeigte das untersuchte Proteinrepertoire, dass der Stresszustand, aufgrund der reduzierten P-Verfügbarkeit, sich in der Mikrobiota im Gastrointestinaltrakt (GIT) widergespiegelt. Der Vergleich von Diäten mit verfügbarem P mit P-armen Diäten zeigte deutliche Unterschiede in den Funktionen der Bakteriengemeinschaft. Bei einer Diät mit verfügbarem P in der Nahrung, deutet die Analyse des Proteinrepertoires auf eine florierende mikrobielle Gemeinschaft hin, in der komplexe und anabole Funktionen vorherrschen. Im Gegensatz dazu scheinen bei Diäten mit P-Mangel katabole Funktionen und Stressreaktionen in der bakteriellen Gemeinschaft zu überwiegen. Die zweite Studie wurde an Schweinen durchgeführt und versuchte die Dynamik zu definieren, mit der sich die Mikrobiota an eine neue, herausfordernde, aus verschiedenen Proteinquellen und unterschiedlichen Mengen an Ca und P bestehende Nahrung, anpasst. Statistische Beweise zeigen eine stufenweise Anpassung der fäkalen Mikrobiota an die verabreichten Versuchsnahrung. Sowohl DNA- als auch metaproteomische Analysen, die getrennt voneinander durchgeführt wurden, zeigen drei Hauptanpassungsphasen, welche die folgenden experimentalen Adaptationsgruppen definieren: - vor der Verabreichung der Versuchsdiät (d.h. Null), - die Reaktion der mikrobiellen Gemeinschaft auf den herausfordernden Faktor (d.h. MA) und schließlich, - das Stadium des neu erreichten homöostatischen Gleichgewichts (d.h. EQ). Wie im ersten Versuch beobachtet wurde, beeinträchtigt die Fütterung der Versuchsnahrung die gesamte Zusammensetzung der fäkalen Mikrobiota, sie stimuliert das Vorhandensein von phasenspezifischen Bakterienarten und eine charakteristische relative Häufigkeit der phasenunspezifischen Bakterien. Bakterielle Familien, die für die phasenspezifische Struktur der fäkalen Mikrobiota verantwortlich sind, sind auch in den biochemischen Pfaden aktiv und sind im Wesentlichen für die funktionellen Besonderheiten jeder Anpassungsphase verantwortlich. Eine tiefere Untersuchung des identifizierten Proteinrepertoires ergab, dass die beobachteten statistischen Unterschiede zwischen den Adaptationsphasen eindeutig auf die Ca- und P-Gehalte der gefütterten Diäten zurückzuführen sind. Keine der beobachteten Effekten kann den verschiedenen gleichzeitig verabreichten Proteinquellen zugeschrieben werden. Die funktionelle Kategorisierung des identifizierten Proteinbestands zeigt drei verschiedene funktionelle Aspekte der mikrobiellen Gemeinschaft. Insbesondere wird angenommen, dass vor dem Füttern der experimentellen Diäten, die Bakterien unter homöostatischen Bedingungen leben, da sie in komplexe und hochspezialisierte Funktionen involviert zu sein scheinen. Nach der Verabreichung der experimentellen Diäten ändert die mikrobielle Gemeinschaft ihre funktionelle Priorität und reduziert die Ausübung hochspezialisierter Funktionen, um sich auf die wesentlichen zu konzentrieren. Während das neue homöostatische Gleichgewicht erreicht wird, nimmt die Menge an Proteinen, die an komplexen Funktionen beteiligt sind, wie z. B. die Verarbeitung einer großen Substratvielfalt sowie die Metabolisierung von komplexen Zuckern, zu. Zusammengefasst, liefern die aus beiden Experimente gewonnenen Daten nützliche Informationen für zukünftige Studien mit dem Ziel, effektive Zuchtstrategien zu entwickeln, um die P-Supplementierung bei der routinemäßigen Viehzucht zu reduzieren und eine ausgewogene mikrobielle Aktivität im Gastrointestinaltrakt des Tieres aufrechtzuerhalten. Die Untersuchung der Anpassungsdynamik der Schweinemikrobiota liefert genaue Informationen darüber, wie lange die intestinale Mikrobiota benötigt, um sich an eine neue Nahrungszusammensetzung anzupassen. Dies ist von zentraler Bedeutung für die Gestaltung zukünftiger experimenteller Studien, die darauf abzielen, unsere Ergebnisse zu bestätigen und/oder unsere Forschung fortzusetzen. Aufgrund der anatomischen und physiologischen Ähnlichkeiten, die zwischen Menschen und Schweinen auftreten, sind die erhaltenen Befunde auch für zukünftige Ernährungsstudien am Menschen von Interesse, bei denen die Mechanismen und die Dauer der Adaptationsprozesse der Mikrobiota noch untersucht werden

Improving Broiler Performance and Digestibility Through Feed Enzymes and Production Rate Aids Utilized in Pelleting.

Enzymes are commonly added to poultry diets to improve performance parameters that may in turn decrease costs to the producer. Pellet mill production rate aids are also utilized to reduce feed manufacture costs and may have additional benefits when fed to poultry that are associated with the increase in production rate. Past research has shown that Azomite (AZM) can increase pellet mill production rate in diets that include inorganic phosphate sources (IPS) of dicalcium phosphate (DCP) or tricalcium phosphate (TCP). In the first experiment the authors hypothesized that if production rate were held constant then pellet mill energy consumption would decrease for diets that contained AZM due in part to a lubricating and/or pellet die scouring effect. This could decrease dietary amino acid exposure to frictional heat and pressure within the pellet die, maintaining amino acid conformation, and amino acid digestibility. The objective was to determine the effect of AZM (0.25%) in diets with DCP and TCP on pellet mill energy consumption, subsequent live bird performance, and apparent ileal amino acid digestibility (AIAAD) when fed to broiler chicks for 21 days. Feed was manufactured in a 2 (IPS) x 2 (AZM inclusion) factorial across 4 days in a Latin square design. Post manufacture, three hundred twenty-day-old Hubbard × Ross 708 males (0.038kg ± 0.0014 SD) were allocated by weight to 8 replicates per treatment, 10 chicks per raised wire cage, in a randomized complete block design. Dietary treatments were arranged in a 2 x 2 factorial: DCP with or without AZM and TCP with or without AZM. On d21 ileal contents were collected for amino acid and titanium dioxide analysis. Statistical analysis (Glimmix, SAS 9.4) was performed on the factorial arrangement of treatments and multiple comparisons were made of all treatments with post-hoc test by Tukey’s. Pellet mill motor load decreased by 5% in diets containing TCP compared to DCP (P Mixer added phytases must retain efficacy post conditioning and pelleting. Heat from saturated steam and friction upon pellet die extrusion may deactivate phytases. In addition, increasing phytase concentrations in diets may increase nutrient release from phytate. In this second experiment the objective was to assess two commercially available phytases that were concentrated at 500, 1,000, or 2,000 FTU/kg in mixed mash post steam conditioning at 82°C for 30 sec and extrusion through a 4.8 x 38mm pellet die on 0 to 44d Ross 708 male broiler performance, mineral digestibility, and tibia ash responses. The phytase sources were both derived from E. coli and expressed in Trichoderma Reesei, (QB) and expressed in Pichia pastoris, (OP). A 3 (Phytase level) × 2 (Phytase source) factorial arrangement of treatments within a randomized complete block design was utilized. A positive control and negative control diet based on available phosphorus (P) and total calcium (Ca) were also manufactured and analyzed within a multiple comparison. Crumbled and pelleted diets were fed to 8 replicate pens of 30 chicks in three phases. Live performance, d20 and d44 tibia ash, d44 hot boneless, skinless breast weight and mineral digestibility were measured. Day 44 live weight gain (LWG) and both d20 and d44 tibia measures increased for all phytase concentrations relative to the negative control (P\u3c0.05)

Epistemic Modal Credence

Triviality results threaten plausible principles governing our credence in epistemic modal claims. This paper develops a new account of modal credence which avoids triviality. On the resulting theory, probabilities are assigned not to sets of worlds, but rather to sets of information state-world pairs. The theory avoids triviality by giving up the principle that rational credence is closed under conditionalization. A rational agent can become irrational by conditionalizing on new evidence. In place of conditionalization, the paper develops a new account of updating: conditionalization with normalization

Fatal Choices and Flawed Decisions at the End of Life: Lessons from Israel

This article presents a recent disconcerting event that took place at a rehabilitative nursing home in Tel Aviv in light of Israel's Dying Patient Law, which came into effect in 2005. It probes the double effect doctrine as it is relevant to the case at hand and the role of the medical profession and of the family in making decisions at the end of life, and it argues that patients who express a wish to die should receive a comprehensive care assessment that addresses their physical and mental condition before rushing to provide lethal medication. The article concludes by offering some guidelines to help practitioners address the intricate questions they face when patients ask to die