Abstract Exotic plant species may facilitate their invasion into native communities through the modification of ecosystem disturbances such as fire regimes. Where frequent fires are common, invasive plants that suppress fire may induce a positive feedback which further suppresses fire and promotes their continued invasion. In the pine rockland savanna ecosystem of south Florida, the frequent understory fire regime may be altered by the fire-resistant invasive shrub Brazilian pepper (Schinus terebinthifolius). In this thesis, I document the interaction of Brazilian pepper and fire in these savannas. I show that fire causes significant (30%-50%) mortality among low-density populations of Brazilian pepper. However, Brazilian pepper exhibits rapid growth and reproduces quickly following fire, and in the absence of fire it has a low mortality rate. Furthermore, Brazilian pepper can cause a reduction in fire temperature from 47° C at low densities, to almost 200° C at high densities, where it can completely impede fire spread. This creates the potential for Brazilian pepper to initiate a fire-suppressing feedback if it can reach a density threshold during extended fire-free intervals. At a landscape scale, I analyzed digital aerial photographs to show that fire frequency correlates with the extent of Brazilian pepper invasion into pine savanna fragments in southern Florida. In savannas where fire is frequent, Brazilian pepper does not heavily invade, but savannas that are heavily invaded tend to be unburned for more than 20 years. This supports both the regulation of low-density Brazilian pepper populations by fire, and the potential for high-density Brazilian pepper populations to suppress fire and facilitate further invasion.

The binding mechanisms of molecules to cyclodextrins continues to be studied to better explain the interactions occurring. The majority of published models focus on one-to-one molecular binding thermodynamics to explain experimental results. They rely on physical concepts of energies and forces to guide the actions of molecules expressed mathematically in terms of differential and non-linear equations. These models are limited in scope due to their complexity and are not easily expanded to study many diverse analytes. Conversely, cellular automata uses simple mathematical idealizations of systems governed by deterministic and probabilistic rules that are easily adaptable to many types of molecular interactions. The primary goal of this research is to develop a model that is easy to use in the prediction of beta-cyclodextrin chromatographic separations of enantiomers. The model uses variegated square cells to simulate the physical environment of the molecules involved, evolving by a series of discrete time-steps referred to as iterations. Governing probabilistic rules define the physical and chemical interactions. Rules are randomly applied to all the cells of the system during each iteration and the system is updated accordingly. Micro and macro visual analysis is possible in addition to statistical output. Results demonstrate the model’s capability to use probabilistic rules for breaking of analyte-to-cyclodextrin complexes that were correlated to published experimentally determined equilibrium constants. The model was further expanded to predict the strength of interactions between enantiomer pairs to beta-cyclodextrin and their potential separation. The model accurately predicted the order of strength for six enantiomer pairs. To truly predict chromatographic separation of enantiomers, the model was expanded from one-to-one interactions between enantiomers and beta-cyclodextrin to a larger modeled chromatographic scale. At this scale enantiomer separation was modeled and evaluated for peak resolution and selectivity while varying column temperature, mobile phase pH and flow, and injection volumes. All results agreed well with published laboratory results. With the cost of research and development increasing, ongoing budget cuts, and the rush to get products to market first, an analytical model that can run multiple chromatographic simulations in minutes versus days could prove a valuable tool to many industries.

Neural connections in the human brain are known to be modified by experiences. Yet, little is known about the mechanism of the modification and its implications on the brain function. The aim of this thesis is to investigate what impact the spatial properties of brain tissue can have on learning and memory. In particular, we focus on the dendritic plasticity. We present a model where the tissue is represented by a two-dimensional grid and its structure is characterized by various connections between the grid cells. We provide a formal definition of the model and we prove it to be computational as strong as the Turing machine. An adaptation algorithm proposed enables the model to reflect the environmental feedback, while evolutionary algorithms are employed to search for a satisfactory architecture of the model. Implementation is provided and several experiments are driven to demonstrate the key properties of the model. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

Nesse trabalho foi desenvolvido um software para simular a corrosão anisotrópica do silício, tendo como base o comportamento desta corrosão em soluções alcalinas (KOH). Esse software foi escrito na linguagem C++ para diversas plataformas e possui dois módulos básicos que são a Biblioteca de classes (denominada autosim) e uma Interface Gráfica (denominada AutoMEMS). A API desenvolvida possui classes que implementam 3 modelos de simulação da corrosão que se baseiam no modelo matemático do autômato celular, que são o Autômato Convencional, Estocástico e Contínuo. Por usar o autômato celular, permite realizar a simulação da corrosão do silício usando filme de mascaramento na frente e nas costas do substrato, os quais também podem conter geometrias arbitrárias. Além disso, a API implementa ferramentas de visualização que tem como objetivo, simplificar e representar as informações contidas nas matrizes de estados. Um exemplo de ferramenta de visualização é a ferramenta de detecção de contornos que analisa cada camada da matrizes e no final, cria todos os contornos encontrados. E por último, a biblioteca autosim fornece classes para a construção de outros autômatos celulares. A Interface Gráfica fornece ferramentas de desenhos para a construção de máscaras para as simulações e também, fornece ferramentas para configurar todos os parâmetros envolvidos na simulação. E por último, a Interface Gráfica visualiza todo o resultado da simulação numa janela gráfica 3D. O programa simula desde geometrias simples como quadrados, cruzes, L, cantilevers até geometrias mais complexas como uma estrutura de Wagon Wheel em formato de uma rosa dividida em ângulos de 1°. Também, permite definir matrizes de células de diversos tamanhos, desde matrizes pequenas (com 200x200x100 células) até matrizes gigantescas (com 4000x4000x100 células). Para matrizes pequenas, a simulação e detecção de contornos ocorre em tempo real, mas para matrizes maiores, esse tempo pode se estender a várias horas de processamento computacional, apesar de que, maiores quantidades de células melhoram a resolução da simulação. Todas as simulações realizadas possuem boa concordância com os resultados experimentais. Por exemplo, o aparecimento de cantos vivos convexos que ocorre na corrosão de uma ilha quadrada é prevista no simulador, o aparecimento de paredes inclinadas com orientação cristalográfica também é prevista pelo simulador de corrosão. / This work was developed a software for simulate the anisotropic etching silicon, based on the behavior this etch in alkaline solutions (KOH). The software was written in language C++ for various platforms and has two basic modules that are the library of classes (called autosim) and an Graphical Interface (called AutoMEMS). The API developed has classes that implement three models of etch simulation that based on mathematical model of cellular automata, that are the Conventional Automata, Stochastic and Continuous. To use the cellular automata, allows perform the anisotropic etching silicon simulation using masking film in front and back of substrate, which too may contain arbitrary geometrics. Also, the API implement tools of visualization that as objective, simplify and represent the informations contained in state matrix. A example of visualization tools is a tool of detection of contours that analyzes each layer of matrixs and in end, create all the contours found. And finally, the library autosim provides for construction of other cellular automatas. The Graphical Interface provides tools of drawing for construction of masks for simulations and too, provides tools for configure all parameters involved in simulation. And finally, a Graphical Interface view all the results of simulation in graphical window 3D. The software was simulation since simply geometries as square, cross, L, cantilevers until geometries more complex as a struture of Wagon Whell in format of a rose and divide in angle of 1° degree. Too, allows define matrixs of cells of various sizes, since small matrixs (with 200x200x200 cells) until big matrixs (with 4000x4000x100 cells). For small matrixs, the time of simulation and detection of contours is real-time, but, for big matrixs, this time can a several hours of computational processing, despite the fact that more quantities of cells improve the simulation resolution. All simulations fulfilled has good concordance with experimetals results, for example, the appearance of life corner convex that occurs in etching of island square and provided in simulator, the apperance of sloping walls with cristalographic orientation too and provided by simulator of etching.

Autômatos celulares e suas variações são atualmente utilizados para simulação de diversos processos físicos. De especial interesse para o campo de simulação de processos de micro-fabricação são os autômatos celulares para evolução de frentes circulares e elípticas e os autômatos celulares para corrosão anisotrópica de Si. No presente trabalho é apresentado um autômato celular alternativo para uso na simulação da evolução topográfica de uma superfície. Este autômato celular apresenta diversas vantagens em relação aos autômatos celulares reportados na literatura, como menor vizinhança e melhores resultados para grandes redes de células. Também foi avaliada a viabilidade do uso de um autômato celular multipartículas para simulação de processos de dopagem e oxidação térmica do silício. Este autômato celular multipartículas se mostrou uma alternativa interessante para simulação da dopagem de Si por impurezas. Aqui é apresentado também detalhes do software desenvolvido, o simMEMS, para incorporar estes autômatos celulares em um único ambiente, permitindo assim a simulação do processo de fabricação completo de inúmeros dispositivos como MEMS, MOEMS e dispositivos e circuitos microeletrônicos. São também, como exemplo, o processo de fabricação de um microespelho para projeção digital de luz, uma porta lógica NOR e uma microagulha para uso em uma matriz de eletrodos com aplicações em biologia e medicina. / Cellular automata and their variations are currently used to simulate a large range of physical phenomena. Of special interest to the microfabrication field are cellular automata for the propagation of circular and elliptical fronts as well as cellular automata for the simulation of silicon wet etching. Here an alternative cellular automaton for use in surface propagation is presented. This cellular automaton has several advantages over those reported in the literature, such as a smaller neighborhood e better results in large grid simulations. The results on the study on the viability of using a multiparticle cellular automaton for simulation of reaction diffusion systems in microfabrication simulation are also reported. The multiparticle cellular automaton was used to simulate both dopant diffusion in silicon and silicon thermal oxidation. This multiparticle cellular automaton was found to be of interest to the simulation of dopant diffusion in silicon. Details of the implementation of the software developed to incorporate these cellular automata, called simMEMS, and allow for the simulation of complex MEMS, MOEMS and microelectronic circuits and devices are also presented. The fabrication processes of several complex devices, including a micromirror for digital light projection, a quad NOR logic gate IC and a microneedle for use in a medical electrode array, are presented as an example of the capabilities of the simMEMS software.

O estadunidense Edward Fredkin, um pioneiro na área de computação, é conhecido por defender a hipótese do mundo natural ser fundamentalmente um sistema de computação digital se partirmos do princípio de que todas as grandezas físicas são discretas, de modo que cada unidade mínima de espaço e tempo possa assumir apenas uma quantidade finita de estados possíveis. Nesse cenário, as transições de estado do universo nas escalas mais elementares poderiam ser representadas por modelos de autômatos celulares, sistemas computacionais formados de unidades espaciais básicas (células) que modificam seus estados em dependência de uma regra de transição que toma o próprio estado da célula com relação às unidades vizinhas. Quando as mudanças de estados das células são consideradas em escalas maiores, é possível notar um comportamento coletivo que parece seguir uma regra própria, não contemplada na programação básica atuando no nível das células. Fredkin acredita que o nível mais microscópico de nosso universo funcione como um autômato celular e, quando sua computação é tomada em maiores escalas, o padrão coletivo é identificado com os elementos que definimos em nossa física atual como elétrons, moléculas, pedras, pessoas e galáxias, ainda que todos esses elementos macroscópicos sejam apenas o resultado de uma computação alterando estados presentes em unidades mínimas de espaço. Diante disso, a intenção deste trabalho é mostrar que a conjectura de Fredkin pode ser interpretada como uma hipótese reducionista, uma vez que todo sistema explicado por nossas teorias físicas podem ser completamente definidos em termos de uma estrutura computacional. / Edward Fredkin, an American computer pioneer, is known for defending that the natural world be fundamentally a digital computing system, assuming that all physical quantities are discrete, in a way that each unit of space and time can only attain a finite number of possible states. In this scenario, the state transitions of the universe, taking place in the most elementary scales, could be represented by cellular automata models, computer systems formed by basic space units (cells) that modify their states in dependence on a transition rule that takes the state of the cell itself with respect to neighboring units. When cell state changes are considered on larger scales, it is possible to notice a collective behavior that seems to follow a rule of its own, not contemplated in basic programming at the cell level. Fredkin believes that the most microscopic level of our universe works as a cellular automaton and when its computation is taken at larger scales, the collective pattern is identified with the elements we define in our current physics as electrons, molecules, stones, people and galaxies, although all these macroscopic elements are only the result of a computation altering the states in minimum space units. The purpose of this work is to show that Fredkin\'s conjecture can be interpreted as a reductionist hypothesis, since every system explained by our physical theories can be completely defined in terms of a computational structure.

Nesse trabalho foi desenvolvido um software para simular a corrosão anisotrópica do silício, tendo como base o comportamento desta corrosão em soluções alcalinas (KOH). Esse software foi escrito na linguagem C++ para diversas plataformas e possui dois módulos básicos que são a Biblioteca de classes (denominada autosim) e uma Interface Gráfica (denominada AutoMEMS). A API desenvolvida possui classes que implementam 3 modelos de simulação da corrosão que se baseiam no modelo matemático do autômato celular, que são o Autômato Convencional, Estocástico e Contínuo. Por usar o autômato celular, permite realizar a simulação da corrosão do silício usando filme de mascaramento na frente e nas costas do substrato, os quais também podem conter geometrias arbitrárias. Além disso, a API implementa ferramentas de visualização que tem como objetivo, simplificar e representar as informações contidas nas matrizes de estados. Um exemplo de ferramenta de visualização é a ferramenta de detecção de contornos que analisa cada camada da matrizes e no final, cria todos os contornos encontrados. E por último, a biblioteca autosim fornece classes para a construção de outros autômatos celulares. A Interface Gráfica fornece ferramentas de desenhos para a construção de máscaras para as simulações e também, fornece ferramentas para configurar todos os parâmetros envolvidos na simulação. E por último, a Interface Gráfica visualiza todo o resultado da simulação numa janela gráfica 3D. O programa simula desde geometrias simples como quadrados, cruzes, L, cantilevers até geometrias mais complexas como uma estrutura de Wagon Wheel em formato de uma rosa dividida em ângulos de 1°. Também, permite definir matrizes de células de diversos tamanhos, desde matrizes pequenas (com 200x200x100 células) até matrizes gigantescas (com 4000x4000x100 células). Para matrizes pequenas, a simulação e detecção de contornos ocorre em tempo real, mas para matrizes maiores, esse tempo pode se estender a várias horas de processamento computacional, apesar de que, maiores quantidades de células melhoram a resolução da simulação. Todas as simulações realizadas possuem boa concordância com os resultados experimentais. Por exemplo, o aparecimento de cantos vivos convexos que ocorre na corrosão de uma ilha quadrada é prevista no simulador, o aparecimento de paredes inclinadas com orientação cristalográfica também é prevista pelo simulador de corrosão. / This work was developed a software for simulate the anisotropic etching silicon, based on the behavior this etch in alkaline solutions (KOH). The software was written in language C++ for various platforms and has two basic modules that are the library of classes (called autosim) and an Graphical Interface (called AutoMEMS). The API developed has classes that implement three models of etch simulation that based on mathematical model of cellular automata, that are the Conventional Automata, Stochastic and Continuous. To use the cellular automata, allows perform the anisotropic etching silicon simulation using masking film in front and back of substrate, which too may contain arbitrary geometrics. Also, the API implement tools of visualization that as objective, simplify and represent the informations contained in state matrix. A example of visualization tools is a tool of detection of contours that analyzes each layer of matrixs and in end, create all the contours found. And finally, the library autosim provides for construction of other cellular automatas. The Graphical Interface provides tools of drawing for construction of masks for simulations and too, provides tools for configure all parameters involved in simulation. And finally, a Graphical Interface view all the results of simulation in graphical window 3D. The software was simulation since simply geometries as square, cross, L, cantilevers until geometries more complex as a struture of Wagon Whell in format of a rose and divide in angle of 1° degree. Too, allows define matrixs of cells of various sizes, since small matrixs (with 200x200x200 cells) until big matrixs (with 4000x4000x100 cells). For small matrixs, the time of simulation and detection of contours is real-time, but, for big matrixs, this time can a several hours of computational processing, despite the fact that more quantities of cells improve the simulation resolution. All simulations fulfilled has good concordance with experimetals results, for example, the appearance of life corner convex that occurs in etching of island square and provided in simulator, the apperance of sloping walls with cristalographic orientation too and provided by simulator of etching.

Autômatos celulares e suas variações são atualmente utilizados para simulação de diversos processos físicos. De especial interesse para o campo de simulação de processos de micro-fabricação são os autômatos celulares para evolução de frentes circulares e elípticas e os autômatos celulares para corrosão anisotrópica de Si. No presente trabalho é apresentado um autômato celular alternativo para uso na simulação da evolução topográfica de uma superfície. Este autômato celular apresenta diversas vantagens em relação aos autômatos celulares reportados na literatura, como menor vizinhança e melhores resultados para grandes redes de células. Também foi avaliada a viabilidade do uso de um autômato celular multipartículas para simulação de processos de dopagem e oxidação térmica do silício. Este autômato celular multipartículas se mostrou uma alternativa interessante para simulação da dopagem de Si por impurezas. Aqui é apresentado também detalhes do software desenvolvido, o simMEMS, para incorporar estes autômatos celulares em um único ambiente, permitindo assim a simulação do processo de fabricação completo de inúmeros dispositivos como MEMS, MOEMS e dispositivos e circuitos microeletrônicos. São também, como exemplo, o processo de fabricação de um microespelho para projeção digital de luz, uma porta lógica NOR e uma microagulha para uso em uma matriz de eletrodos com aplicações em biologia e medicina. / Cellular automata and their variations are currently used to simulate a large range of physical phenomena. Of special interest to the microfabrication field are cellular automata for the propagation of circular and elliptical fronts as well as cellular automata for the simulation of silicon wet etching. Here an alternative cellular automaton for use in surface propagation is presented. This cellular automaton has several advantages over those reported in the literature, such as a smaller neighborhood e better results in large grid simulations. The results on the study on the viability of using a multiparticle cellular automaton for simulation of reaction diffusion systems in microfabrication simulation are also reported. The multiparticle cellular automaton was used to simulate both dopant diffusion in silicon and silicon thermal oxidation. This multiparticle cellular automaton was found to be of interest to the simulation of dopant diffusion in silicon. Details of the implementation of the software developed to incorporate these cellular automata, called simMEMS, and allow for the simulation of complex MEMS, MOEMS and microelectronic circuits and devices are also presented. The fabrication processes of several complex devices, including a micromirror for digital light projection, a quad NOR logic gate IC and a microneedle for use in a medical electrode array, are presented as an example of the capabilities of the simMEMS software.

O presente trabalho teve como foco o desenvolvimento de um software para a simulação de processos de microfabricação em substrato e de microfabricação em superfície baseado em autômatos celulares, o simMEMS. Além disso, visando a futura incorporação de ferramentas para análise das estruturas geradas pelo programa, um módulo com funcionalidades básicas para a análise mecânica de estruturas também foi desenvolvido. No que tange à microfabricação em superfície, o software desenvolvido permite simular a corrosão anisotrópica úmida do Si em KOH e deep reactive ion etching (DRIE). O simulador de corrosão úmida utiliza um autômato celular conhecido como BCA. O simulador de DRIE usa um autômato próprio. Para a simulação dos processos de microfabricação em superfície o software fornece quatro processos: deposição de filmes, corrosão de filmes, fotolitografia e planarização. Para corrosão e deposição de filmes, diversos autômatos celulares da literatura foram analisados e os resultados dessas análises é aqui apresentado. Todos os simuladores, tanto de microfabricação em superfície como em substrato, podem ser utilizados em conjunto. Isso torna o software bastante útil e capaz de simular a fabricação de um grande número de dispositivos. / The main goal of this project is the development of a software capable of simulating both surface and bulk micromachining based on a cellular automata approach. This software has been called simMEMS. In order to enable future versions of the software to also be able to analyze the structures created by the software, a module capable of running a mechanical analysis through the finite element method is also developed. simMEMS allows the user to simulate two bulk micromachining processes: wet anisotropic KOH etching and deep reactive ion etching DRIE. The wet etching simulator uses a cellular automaton known as BCA. The DRIE simulator uses an automaton developed during this project. The surface micromachining simulator allows the user to simulate four types of processes: photolithography, film deposition, film etching and substrate planarization. Several automata for the deposition and etching of films are studied and the results of this study are presented here. All processes, be they for surface or bulk micromachining, can be used on the same substrate to simulate the entire fabrication process for a large array of devices. This makes simMEMS a very useful software.

Duas questões fundamentais no estudo da evolução pré-biótica (origem da vida) referem-se à estabilidade dos primeiros organismos ou replicadores e à possibilidade do surgimento de organismos complexos através de mutações de organismos mais simples. Esses problemas têm sido tratados quase que exclusivamente no contexto determinístico da cinética química de meios perfeitamente homogêneos, que é equivalente à formulação de campo médio da física estatística. Nesta tese, abordamos essas questões utilizando modelos de replicadores na rede que evoluem no tempo de forma síncrona (autômato celular), dando ênfase ao caso limite em que os replicadores são mantidos fixos nos sítios da rede (processo de contato). Encontramos dois regimes estacionários bem definidos: o regime absorvente ou vácuo e o regime ativo caracterizados, respectivamente, pela ausência e presença de replicadores na rede. Esses regimes são separados por transições de fase cuja natureza depende do mecanismo de reprodução dos replicadores. Essas transições são investigadas de maneira sistemática utilizando-se a técnica de espalhamento de Grassberger e de La Torre em que a evolução temporal de uma pequena colônia de replicadores colocada no centro de uma rede infinita vazia \\\'e acompanhada. Em particular, através do cálculo de expoentes críticos dinâmicos mostramos que, as transições contínuas observadas, pertencem à classe de universalidade da percolação direcionada. Complementamos esse estudo investigando a probabilidade de que uma pequena colônia de replicadores invada uma população de replicadores residentes de outra espécie. Ao contrário dos resultados de campo médio, mostramos que no caso de processos de contato, replicadores mais complexos (por exemplo, assexuados) podem invadir uma população estabelecida de replicadores mais simples (por exemplo, assexuados). Em concordância com os resultados de campo médio, encontramos que nunca ocorre coexistência entre replicadores distintos no equilíbrio. Finalmente, utilizando a técnica de espalhamento mencionada, investigamos de forma sistemática um modelo para formação de úlceras devido à infecção do vírus da herpes (HSV-I) no tecido epitelial da córnea. O modelo considerado tenta explicar as diferentes formas de úlceras-dendríticas e amebóides-resultantes desta infecção como um resultado natural do espalhamento do vírus num tecido epitelial formado por células com diferentes graus de susceptibilidade à infecção. Em particular, mostramos que a transição de fase separando os regimes caracterizados pelas diferentes morfologias pertence à classe de universalidade da percolação ordinária. / Two fundamental questions in the study of prebiotic evolution (origin of life) are concerned to the requisites for the persistence of small colonies of self-replicating molecules (replicators) and to the possibility that complex organisms evolve from simpler organisms as a result of mutations. These issues have been studied mainly in the chemical kinetics formulation of well-mixed medium, which is similar to the mean-field limit of statistical physics. In this work, we address these issues using a cellular automaton formulation, in which the replicators are kept fix in the lattice sites (contact process). In the stationary regime, we find that the system can be characterized by the presence (active phase) and the absence (empty phase) of replicators in the lattice. The detailed study of the phase transitions separating those two phases is carried out using the spreading analysis of Grassberger and de La Torre, in which one concentrates on the spreading behavior of a few active cells in the center of an otherwise empty infinite lattice. The nature of the phase transition, whether continuous or discontinuous, depends on the mechanisms of replication. In particular, in the case that the phase transition is continuous, we find that it is in the universality class of the directed percolation. Complementing this study, we irivestigate the possibility that a small colony of replicators invade a settled population of replicators of another species. Contrary to the results of the mean-field limit, we show that in the contact process limit, complex replicators (such as sexual reproducing ones) have a nonvanishing probability to invade a settled population of simpler replicators (such as asexual reproducing ones). In agreement with the mean-field results, we find that two different species of replicators can never coexist in an equilibrium situation. Finally, using the spreading analysis mentioned before we study the critical properties of a cellular automaton model proposed to describe the spreading of infection of the Herpes Simplex Virus (HSV-I) in the corneal tissue. The model takes into account different cell susceptibilities to the viral infection, as suggested by experimental findings, in order to explain the different shapes of the ulcers - dentritic and amoeboid - that result from the infection. We show that the phase transition separating the regimes where one of the shapes dominates is in the universality class of the ordinary percolation.