Ecological models at fish community and species level to support effective river restoration

RESUMEN Los peces nativos son indicadores de la salud de los ecosistemas acuáticos, y se han convertido en un elemento de calidad clave para evaluar el estado ecológico de los ríos. La comprensión de los factores que afectan a las especies nativas de peces es importante para la gestión y conservación de los ecosistemas acuáticos. El objetivo general de esta tesis es analizar las relaciones entre variables biológicas y de hábitat (incluyendo la conectividad) a través de una variedad de escalas espaciales en los ríos Mediterráneos, con el desarrollo de herramientas de modelación para apoyar la toma de decisiones en la restauración de ríos. Esta tesis se compone de cuatro artículos. El primero tiene como objetivos modelar la relación entre un conjunto de variables ambientales y la riqueza de especies nativas (NFSR), y evaluar la eficacia de potenciales acciones de restauración para mejorar la NFSR en la cuenca del río Júcar. Para ello se aplicó un enfoque de modelación de red neuronal artificial (ANN), utilizando en la fase de entrenamiento el algoritmo Levenberg-Marquardt. Se aplicó el método de las derivadas parciales para determinar la importancia relativa de las variables ambientales. Según los resultados, el modelo de ANN combina variables que describen la calidad de ribera, la calidad del agua y el hábitat físico, y ayudó a identificar los principales factores que condicionan el patrón de distribución de la NFSR en los ríos Mediterráneos. En la segunda parte del estudio, el modelo fue utilizado para evaluar la eficacia de dos acciones de restauración en el río Júcar: la eliminación de dos azudes abandonados, con el consiguiente incremento de la proporción de corrientes. Estas simulaciones indican que la riqueza aumenta con el incremento de la longitud libre de barreras artificiales y la proporción del mesohabitat de corriente, y demostró la utilidad de las ANN como una poderosa herramienta para apoyar la toma de decisiones en el manejo y restauración ecológica de los ríos Mediterráneos. El segundo artículo tiene como objetivo determinar la importancia relativa de los dos principales factores que controlan la reducción de la riqueza de peces (NFSR), es decir, las interacciones entre las especies acuáticas, variables del hábitat (incluyendo la conectividad fluvial) y biológicas (incluidas las especies invasoras) en los ríos Júcar, Cabriel y Turia. Con este fin, tres modelos de ANN fueron analizados: el primero fue construido solamente con variables biológicas, el segundo se construyó únicamente con variables de hábitat y el tercero con la combinación de estos dos grupos de variables. Los resultados muestran que las variables de hábitat son los ¿drivers¿ más importantes para la distribución de NFSR, y demuestran la importancia ecológica de los modelos desarrollados. Los resultados de este estudio destacan la necesidad de proponer medidas de mitigación relacionadas con la mejora del hábitat (incluyendo la variabilidad de caudales en el río) como medida para conservar y restaurar los ríos Mediterráneos. El tercer artículo busca comparar la fiabilidad y relevancia ecológica de dos modelos predictivos de NFSR, basados en redes neuronales artificiales (ANN) y random forests (RF). La relevancia de las variables seleccionadas por cada modelo se evaluó a partir del conocimiento ecológico y apoyado por otras investigaciones. Los dos modelos fueron desarrollados utilizando validación cruzada k-fold y su desempeño fue evaluado a través de tres índices: el coeficiente de determinación (R2 ), el error cuadrático medio (MSE) y el coeficiente de determinación ajustado (R2 adj). Según los resultados, RF obtuvo el mejor desempeño en entrenamiento. Pero, el procedimiento de validación cruzada reveló que ambas técnicas generaron resultados similares (R2 = 68% para RF y R2 = 66% para ANN). La comparación de diferentes métodos de machine learning es muy útil para el análisis crítico de los resultados obtenidos a través de los modelos. El cuarto artículo tiene como objetivo evaluar la capacidad de las ANN para identificar los factores que afectan a la densidad y la presencia/ausencia de Luciobarbus guiraonis en la demarcación hidrográfica del Júcar. Se utilizó una red neuronal artificial multicapa de tipo feedforward (ANN) para representar relaciones no lineales entre descriptores de L. guiraonis con variables biológicas y de hábitat. El poder predictivo de los modelos se evaluó con base en el índice Kappa (k), la proporción de casos correctamente clasificados (CCI) y el área bajo la curva (AUC) característica operativa del receptor (ROC). La presencia/ausencia de L. guiraonis fue bien predicha por el modelo ANN (CCI = 87%, AUC = 0.85 y k = 0.66). La predicción de la densidad fue moderada (CCI = 62%, AUC = 0.71 y k = 0.43). Las variables más importantes que describen la presencia/ausencia fueron: radiación solar, área de drenaje y la proporción de especies exóticas de peces con un peso relativo del 27.8%, 24.53% y 13.60% respectivamente. En el modelo de densidad, las variables más importantes fueron el coeficiente de variación de los caudales medios anuales con una importancia relativa del 50.5% y la proporción de especies exóticas de peces con el 24.4%. Los modelos proporcionan información importante acerca de la relación de L. guiraonis con variables bióticas y de hábitat, este nuevo conocimiento podría utilizarse para apoyar futuros estudios y para contribuir en la toma de decisiones para la conservación y manejo de especies en los en los ríos Júcar, Cabriel y Turia.Olaya Marín, EJ. (2013). Ecological models at fish community and species level to support effective river restoration [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/28853TESI

An Introduction to Algebraic Geometry codes

We present an introduction to the theory of algebraic geometry codes. Starting from evaluation codes and codes from order and weight functions, special attention is given to one-point codes and, in particular, to the family of Castle codes

A robust one-step catalytic machine for high fidelity anti-cloning and W-state generation in a multi-qubit system

We propose a physically realizable machine which can either generate multiparticle W-like states, or implement high fidelity $1 \to M$ ($M=1,2,... \infty$) anti-cloning of an arbitrary qubit state, in a single step. Moreover this universal machine acts as a catalyst in that it is unchanged after either procedure, effectively resetting itself for its next operation. It also possesses an inherent {\em immunity} to decoherence. Most importantly in terms of practical multi-party quantum communication, the machine's robustness in the presence of decoherence actually {\em increases} as the number of qubits $M$ increases.Comment: 4 pages, 2 figure

Ultrafast deterministic generation of entanglement in a time-dependent asymmetric two-qubit-cavity system

We present an efficient scheme for the controlled generation of pure two-qubit states possessing {\em any} desired degree of entanglement and a {\em prescribed} symmetry in two cavity QED based systems, namely, cold trapped ions and flying atoms. This is achieved via on-resonance ion/atom-cavity couplings which are time-dependent and asymmetric, leading to a trapping vacuum state condition which does not arise for identical couplings. A duality in the role of the coupling ratio yields states with a given concurrence but opposing symmetries. The experimental feasibility of the proposed scheme is also discussed.Comment: 4 pages, 4 figure

Estimation of growth parameters for the exploited sea cucumber Holothuria arguinensis from South Portugal

Understanding how species grow is critical for choosing appropriate fisheries management strategies. Sea cucumbers shrink during periods of aestivation and have naturally flaccid bodies that make measuring growth difficult. In this study, we obtained length-frequency data on Holothuria arguinensis, measuring undisturbed animals in situ, because it is one of the new target species of the NE Atlantic and Southwestern Mediterranean fisheries. Growth parameters were estimated for individuals inhabiting the Ria Formosa lagoon (Portugal). Length-frequency data were collected between November 2012 and March 2014 by using a visual census augmented with random sampling in 2014. To estimate the asymptotic length (L-infinity) and growth coefficient (K), 2 different growth models were fitted to the length frequency data for 1198 sea cucumbers: the nonseasonal von Bertalanffy and Hoenig seasonal von Bertalanffy models. A L-infinity of 69.9 cm and K of 0.88 were estimated by using the Hoenig function for seasonal growth. The value of 1.0 obtained for the parameter C of this function indicates reduction in growth during winter. The relatively high growth rate (K) of this species may have important implications for its survival, mainly in environments where conditions cause biological stress and oceanic disturbances but may also increase its potential as a candidate for aquaculture.CUMFISH project - Fundacao para a Ciencia e a Tecnologia (FCT, Portugal) [PTDC/MAR/119363/2010]; "Sea cucumber as new marine resource: potential for aquaculture" (CUMARSUR) project - Fundacao para a Ciencia e a Tecnologia (FCT, Portugal) [PTDC/MAR-BIO/5948/2014]; Fundacion para el Futuro de Colombia (Colfuturo); FCT Investigator Programme-Career Development [IF/00998/2014

Isolating the chiral contribution in optical two-dimensional chiral spectroscopy using linearly polarized light

The full development of mono- or multi-dimensional time-resolved spectroscopy techniques incorporating optical activity signals has been strongly hampered by the challenge of identifying the small chiral signals over the large achiral background. Here we propose a new methodology to isolate chiral signals removing the achiral background from two commonly used configurations for performing two dimensional optical spectroscopy, known as BOXCARS and GRadient Assisted Photon Echo Spectroscopy (GRAPES). It is found that in both cases an achiral signal from an isotropic system can be completely eliminated by small manipulations of the relative angles between the linear polarizations of the four input laser pulses. Starting from the formulation of a perturbative expansion of the signal in the angle between the beams and the propagation axis, we derive analytic expressions that can be used to estimate how to change the polarization angles of the four pulses to minimize achiral contributions in the studied configurations. The generalization to any other possible experimental configurations has also been discussed. %We derive analytic expressions to changes required to the polarizations in terms of a perturbative expansion in the angle between the beams and the colinear axis. We also numerically estimate higher order coefficients which cover arbitrarily large angles and thus any experimental configuration.Comment: 7 figure