In this thesis we apply a multidisciplinary approach, based on statistical physics and complex systems, to the study of neuronal dynamics. We focus on understanding, using theoretical and computational tools, how collective neuronal activity emerges in a controlled system, a neuronal culture. We show how the interplay between noise and network structure defines the emergent collective behavior of the system. We build, using theory and simulation, a framework that takes carefully describes spontaneous activity in neuronal cultures by taking into account the underlying network structure of neuronal cultures and use an accurate, yet simple, model for the individual neuronal dynamics. We show that the collective behavior of young cultures is dominated by the nucleation and propagations of activity fronts (bursts) throughout the system. These bursts nucleate at specific sites of the culture, called nucleation points, which result in a highly heterogeneous probability distribution of nucleation. We are able to explain the nucleation mechanism theoretically as a mechanism of noise propagation and amplification called noise focusing. We also explore the internal structure of activity avalanches by using well--defined regular networks, in which all the neurons have the same connectivity rules (motifs). Within these networks, we are able to associate to the avalanches an effective velocity and topological size and relate it to specific motifs. We also devise a continuum description of a neuronal culture at the mesoscale, i.e., we move away from the single neuron dynamics into a coarse--grained description that is able to capture most of the characteristic observables presented in previous chapters. This thesis also studies the spontaneous activity of neuronal cultures within the framework of quorum percolation. We study the effect of network structure within quorum percolation and propose a new model, called stochastic quorum percolation, that includes dynamics and the effect of internal noise. Finally, we use tools from information theory, namely transfer entropy, to show how to reliably infer the connectivity of a neuronal network from its activity, and how to distinguish between different excitatory and inhibitory connections purely from the activity, with no prior knowledge of the different neuronal types. The technique works directly on the fluorescence traces obtained in calcium imaging experiments, without the need to infer the underlying spike trains.

c-Src is the leading member of the Src family of non-receptor tyrosine kinases, which are involved in many signaling pathways. Its deregulation affects cell migration, proliferation and survival. c-Src is composed of the intrinsically disordered N-terminal SH4 and Unique domains, of the folded SH3, SH2, kinase domains and of a C-terminal tail. c-Src is myristoylated at its N-terminal region and anchored to membranes via cooperative electrostatic and hydrophobic interactions. Weak interactions with lipids in the Unique and SH3 domains and intramolecular interactions between them were recently found in the non-myristoylated form. These interactions involve the Unique Lipid Binding region (ULBR) in the Unique domain, and the RT and nSrc loops in the SH3 domain. Our objective consisted in obtaining and characterizing the myristoylated form of the Unique and SH3 domains (MyrUSH3). Protocols for the efficient production of myristoylated proteins were developed. The incorporation of shorter acyl chains was characterized as a general problem in the preparation of myristoylated proteins, and conditions enabling to minimize their formation were found, in particular in the case of expression in minimum media. A well-defined myristoylation-induced cleavage site was identified and characterized in the Unique Lipid Binding Region of the Unique Domain of c-Src. Conditions to obtain degradation-free samples for structural studies were established. The kinetics of MyrUSH3 binding to liposomes was followed using surface plasmon resonance (SPR) and revealed two MyrUSH3 populations, a dominant form binding with relatively fast association and dissociation, and a minor persistently bound (PB) population not described earlier. This PB form was studied in an assay involving detection by a secondary antibody and the model better explaining the experimental results described these PB species to be dimer forms of MyrUSH3. In a construct in which the SH3 domain was replaced by the GFP protein, single molecule photobleaching experiments of these PB species bound to supported lipid bilayers were conducted. A major population of dimers over the bilayer surface was detected. When binding of the myristoylated SH4 (MyrSH4) peptide to liposomes by SPR, a PB population was also observed. Monitoring of the surface activity of MyrSH4 revealed the micelar behavior of the peptide at low concentrations. Nuclear Magnetic Resonance (NMR) measurements permitted to study the effect of the myristoyl group on the intramolecular interactions between the Unique and SH3 domains, as well as on the binding of the ULBR and RT loops to liposomes when the protein was anchored in the bilayer. 1H-15N spectra of the myristoylated Unique domain (MyrUSrc) confirmed the propensity of the ULBR to bind liposomes, but in a different manner depending on the nature of the lipid in the bilayer. These measurements of MyrUSrc also pointed out some intermolecular propensities in the MyrSH4 domain. 1H-15N spectra of MyrUSH3 in solution revealed the presence of a myristoyl binding site has been found in the RT loop. Interaction of the myristoyl chain with lipids results in the loss of other lipid binding interactions in the Unique and SH3 domains that were observed in the non-myristoylated form. The interaction between the SH4 and the SH3 domains that restricts the conformational space of the Unique domain was preserved in the myristoylated forms and in the presence of lipids. The SPR and single molecule fluorescence studies revealed the formation of self-associated complexes of limited size upon binding of MyrUSH3 or MyrUGFP to liposomes, possibly driven by the presence of the MyrSH4 domain. The NMR data highlighted the interplay between the lipid binding regions of the Unique and SH3 domains, in presence or absence of liposomes. Therefore, the myristoylated intrinsically disordered Unique domain may act in c-Src regulation at the lipid bilayer interface. / c-Src es miembro de una importante familia de tirosina quinasas, que está involucrada en la transducción de señales en las células. c-Src está formada por una región N-terminal desordenada (compuesta de los dominios SH4 y Único), por los dominios plegados SH3, SH2, SH1 (el dominio quinasa), y por una cola C-terminal. c-Src es una proteína miristoilada en su extremo N-terminal, lo cual permite su unión a membranas, unión reforzada por la interacción del dominio SH4 polibásico con los lípidos cargados negativamente. En ausencia del grupo miristoilo, se encontraron zonas de unión a lípidos y de interacciones intramoleculares en los dominios Único y SH3. El objetivo de este trabajo es la obtención y la caracterización de la forma miristoilada de los dominios Único y SH3 (MyrUSH3). Se desarrollaron protocolos que permitieron la producción de proteínas miristoiladas. La cinética de unión de MyrUSH3 a liposomas se estudió con resonancia de plasmones superficiales. Se observó una población mayoritaria con una asociación y una disociación relativamente rápidas, y una población minoritaria con una unión persistente a liposomas. Esta segunda especie se estudió por detección secundaria via un anticuerpo y se dedujo que estaba posiblemente formada por dímeros. El dominio SH3 se remplazó por una proteína verde fluorescente (MyrUGFP) y se estudió la unión de MyrUGFP a liposomas, mediante su observación con microscopía confocal, usando la técnica de fotoblanqueo de moléculas individuales. Se observó una población mayoritaria de dímeros. A continuación, se estudió la proteína MyrUSH3 con resonancia magnética nuclear, en solución o unida a liposomas. En solución, se encontró un sitio de unión al grupo miristoil en el dominio SH3. Tras la inserción del grupo miristoil en la bicapa lipídica, se perdió la capacidad de unión a lípidos en los dominios Único y SH3 (excepto el dominio SH4), y algunas interacciones intramoleculares fueron afectadas.

The results presented in this thesis have shown the strong dependence of Audouin’s gull from the Ebro Delta on fisheries. Foraging movements of breeding birds showed a great association with fishing activities (specially trawling), determining the most of its at-sea distribution on work days. An increase in the use of rice field habitats was also detected in absence of fishing activities (during weekends) due to the opportunistic feeding on the American crayfish. However, a key aspect presented in this thesis was the significant sex-differences in their foraging behaviour in relation to fisheries. Female Audouin’s gull tended to perform longer at-sea foraging trips on weekends compared to males, probably due to the need of feeding on high quality resources after laying instead of the easily available but lower quality American crayfish. This great dependence on fishing activities was also reflected in the resource allocation into the clutch. An isotopic δ15N enrichment in the albumen of eggs synthesized during the weekends was observed, which is attributed to an increase in the consumption of rice field resources as well as to the mobilization of female reserves. However, rice field diets were associated to lower antioxidant capacity in the eggs. Also, rice field diets were related to smaller egg size. Finally, the limiting nature of calcium (in constraining egg synthesis) and antioxidant molecules (decreasing their concentration especially in the latter eggs of the clutch) were also revealed for females. / Los resultados presentados en esta tesis han mostrado la gran dependencia de las gaviotas de Audouin del Delta del Ebro sobre las pesquerías. Los movimientos de búsqueda de alimento de las aves durante la reproducción mostraron una gran asociación con las actividades pesqueras (especialmente el arrastre durante el día, aunque también es notable la influencia de la pesca de cerco durante noche), determinando la mayor parte de su distribución en el mar los días laborables. Un incremento en el uso de arrozales fue detectado en ausencia de actividades pesqueras (durante los fines de semana). Sin embargo, un aspecto clave presentado en esta tesis fue las diferencias significativas entre sexos para el comportamiento de alimentación en relación a las actividades pesqueras. Las hembras de gaviota de Audouin tendieron a realizar viajes de alimentación más largos que los machos durante los fines de semana. Esta gran dependencia sobre las actividades pesqueras fue también reflejada en la asignación de recursos sobre la puesta. Un enriquecimiento del δ15N fue detectado en el albumen de los huevos sintetizados durante los fines de semana, lo cual puede ser atribuido a un incremento en el uso de recursos de arrozal así como a la movilización de reservas de la hembra. Sin embargo, un mayor uso de dietas de arrozal se asoció con una menor capacidad antioxidante de los huevos. También, dietas de arrozal estaban relacionadas con tamaños del huevo más pequeños. Finalmente, se puso de manifiesto la naturaleza limitante del calcio (restringiendo la síntesis del huevo) y de las moléculas antioxidantes del huevo (decreciendo su concentración especialmente en los últimos huevos de la puesta).

Mycoplasma genitalium és un patogen de transmissió sexual emergent. Aquest bacteri sense paret cel·lular causa uretritis, a més d’altres malalties inflamatòries genitals. Aquest microorganisme utilitza adhesines especialitzades i localitzades a l’organela terminal per adherir-se a cèl·lules hoste i altres superfícies. L’organela terminal, que també es troba involucrada en la motilitat cel·lular, és una estructura polar sostinguda internament per un citosquelet. Al primer capítol, s’ha dissenyat una soca mutant de M. genitalium deficient per a la proteïna MG491 que mostra una desestabilització general de les proteïnes involucrades en l’organització de l’organela terminal. Aquest mutant exhibeix sorprenents similituds amb el mutant defectiu per a la proteïna MG218, aïllat prèviament. Després de la introducció d’una còpia extra d’MG_318 a les dues soques, la quantitat d’adhesines va augmentar considerablement. Aquestes soques es van caracteritzar per microcinematografia, microscòpia de fluorescència i criomicroscòpia electrònica, revelant la presència de cèl·lules i filaments mòtils en absència de diverses proteïnes que s’havien considerat essencials per a l’adhesió i el moviment. Aquests resultats indiquen que els complexes d’adhesines juguen un paper important en la maquinària mòtil de M. genitalium i demostren que el fragment central del citosquelet no és el motor molecular que propulsa les cèl·lules de micoplasma. Aquestes soques contenen una versió minimitzada de la maquinària mòtil aportant un valuós model per investigar les característiques d’adhesió i motilitat d’aquest patogen humà. L’estructura cristal·lina de la proteïna MG491 ha sigut recentment determinada. La molècula de MG491 és un tetràmer que presenta una organització única com a dímer d’heterodímers estructurals. Aquest ordenament asimètric resulta en dos interfases molt diferents, aspecte que explica la formació de només el 50% dels ponts disulfur entre els residus Cys87 de les diferents subunitats. A més, s’ha caracteritzat in vitro la interacció entre el C-terminal de MG491 i el domini EAGR de la proteïna MG200. Al segon capítol, s’han dissenyat soques de M. genitalium amb mutacions en residus clau en l’organització de MG491. Aquestes soques mutants preserven nivells normals de totes les proteïnes de l’organela terminal, però mostren greus alteracions en la motilitat. Els resultats d’aquest treball indiquen que la proteïna MG491 està involucrada en l’estabilitat i ancoratge de l’organela terminal de M. genitalium i juga un paper important en la motilitat cel·lular. Al tercer capítol, s’ha desenvolupat un nou mètode per quantificar la capacitat d’hemadsorció de soques de micoplasma. Aquesta capacitat tradicionalment s’ha investigat determinant la capacitat d’unió d’aquestes cèl·lules a eritròcits i és un tret distintiu àmpliament examinat quan s’estudien soques de micoplasma. Tot i que els protocols per determinar qualitativament l’hemadsorció o hemaglutinació de micoplasmes són molt directes, els mètodes actuals per mesurar de forma quantitativa l’hemadsorció són cars i poc reproduïbles. Utilitzant citometria de flux, s’ha desenvolupat un procediment per quantificar ràpidament i de forma acurada l’activitat d’hemadsorció de soques de micoplasma en presència de SYBR Green I, un fluorocrom vital que tenyeix els àcids nucleics, permetent resoldre els eritròcits i els micoplasmes per mida i fluorescència. Aquest mètode és reproduïble, permet l’anàlisi cinètica de les dades obtingudes i la quantificació precisa de l’hemadsorció basada en paràmetres d’unió estàndards com la constant de dissociació Kd. Aquest procediment pot ser implementat fàcilment en un assaig estàndard per testar l’activitat d’hemadsorció del creixent número d’aïllats clínics i soques mutants de diferents espècies de micoplasma, proporcionant dades valuoses sobre la virulència d’aquests microorganismes. / Mycoplasma genitalium is an emerging human sexually transmitted pathogen. This cell-wall less bacterium causes urethritis and other genital inflammatory diseases. This microorganism uses specialized adhesins located at the terminal organelle to adhere to host cells and surfaces. The terminal organelle is a polar structure protruding from the main cell body that is internally supported by a cytoskeleton and also has an important role in cell motility. In the first chapter, we have engineered a M. genitalium null mutant for MG491 protein showing a massive downstream destabilization of proteins involved in the terminal organelle organization. This mutant strain exhibited striking similarities with the previously isolated MG_218 null mutant strain. Upon introduction of an extra copy of MG_318 in both strains, the amount of main adhesins dramatically increased. These strains were characterized by microcinematography, fluorescent microscopy and cryo-electron microcopy, revealing the presence of motile cells and filaments in the absence of many proteins previously considered essential for cell adhesion and motility. These results indicate that adhesin complexes play a major role in the motile machinery of M. genitalium and demonstrate that the rod element of the cytoskeleton core is not the molecular motor propelling mycoplasma cells. These strains containing a minimized version of the motile machinery also provide a valuable cell model to investigate the adhesion and gliding properties of this human pathogen. The crystal structure of M. genitalium MG491 protein has been recently determined. The MG491 molecule is a tetramer presenting a unique organization as a dimer of structural heterodimers. The asymmetric arrangement results in two very different intersubunit interfaces, which can explain the formation of only 50% of the disulphide bridges between Cys87 residues. Furthermore, it has been characterized the in vitro interaction between MG491 C-terminal and the EAGR domain from MG200 protein. In the second chapter, we have engineered M. genitalium cells with mutations in key residues for MG491 organization. These mutants present drastic alterations in motility, while preserving normal levels of terminal organelle proteins. The results in this work indicate that MG491 protein is involved in the stability and anchoring of the M. genitalium terminal organelle and plays a particular role in gliding motility. In the third chapter, we have developed a new method to quantify the hemadsorption activity of mycoplasma strains. Attachment activity of mycoplasma cells has been traditionally investigated by determining their hemadsorption ability to red blood cells and it is a distinctive trait widely examined when characterizing the different mycoplasma species. Despite the fact that protocols to qualitatively determine the hemadsorption or hemagglutination of mycoplasmas are straightforward, current methods when investigating hemadsorption at the quantitative level are expensive and poorly reproducible. By using flow cytometry, we have developed a procedure to quantify rapidly and accurately the hemadsorption activity of mycoplasmas in the presence of SYBR Green I, a vital fluorochrome that stains nucleic acids, allowing resolving erythrocyte and mycoplasma cells by their different size and fluorescence. This method is very reproducible and permits the kinetic analysis of the obtained data and a precise hemadsorption quantification based on standard binding parameters such as the dissociation constant Kd. The procedure we developed could be easily implemented in a standardized assay to test the hemadsorption activity of the growing number of clinical isolates and mutant strains of different mycoplasma species, providing valuable data about the virulence of these microorganisms.

Tesi realitzada conjuntament amb el Departament de Ciències Fisiològiques II / En la actualidad existe una gran evidencia científica sobre los múltiples beneficios que ofrecen la actividad física y el ejercicio físico en la promoción y mantenimiento de la salud. Los diferentes estudios han mostrado un abanico de resultados favorables en todas las poblaciones estudiadas. El correcto funcionamiento del endotelio vascular es de vital importancia en la salud cardiovascular y la incorporación de programas de ejercicio físico pueden representar un medio eficaz en la atención primaria y secundaria de la aterosclerosis y las enfermedades cardiovasculares. Las células madre hematopoyéticas CD34+, se originan fundamentalmente en la médula ósea y son trasportadas en la sangre periférica, a su vez, contribuyen a la hematopoyesis y pueden ser activadas mediante la actividad física contribuyendo en la formación de nuevos vasos sanguíneos y en la regeneración en los casos de existir lesión. Por otro lado, las diferentes investigaciones no son muy claras sobre los efectos de los diferentes programas de ejercicio físico (aeróbico, fuerza y mixto) en las concentraciones de sangre periférica de células madre CD 34+, tampoco sobre los tiempos de mayor concentración sanguínea pos-esfuerzo. Así mismo, existe poca información sobre los efectos sobre la presión arterial en reposo, en ejercicio submáximo y ejercicio máximo, después de los diferentes programas de ejercicio físico mencionados anteriormente. El objetivo principal ha sido examinar los efectos fisiológicos producidos en el organismo después de realizar diversas actividades y/o programas de ejercicio físico específico (aeróbico, de fuerza o mixto). En conclusión, la realización de una única actividad física aeróbica de muy larga duración produce aumentos en la concentración sanguínea de células madre hematopoyéticas CD34+ circulantes a los 5 días post-esfuerzo. La realización de 3 diferentes programas de ejercicio físico de 6 semanas de duración (aeróbico, fuerza o mixto) no produjo cambios significativos en la concentración sanguínea de células madre hematopoyéticas CD34+. Dado que se detectó una relación inversa entre los cambios observados en la concentración sanguínea de las células madre hematopoyéticas CD34+ y los valores de las mismas al inicio del estudio, deberán tenerse en cuenta los valores basales y su variabilidad siempre que se deban evaluar los cambios observados tras un estímulo de cualquier naturaleza. La realización de un programa de ejercicio físico aeróbico de 6 semanas de duración aumenta la potencia máxima y el VO2máx con respecto a los valores obtenidos inicialmente. La ejecución de un programa de entrenamiento mixto de 6 semanas produce mayor disminución de la presión arterial en reposo que el obtenido solo con ejercicio aeróbico o de fuerza. La presión arterial durante un ejercicio submáximo y máximo disminuye tras un programa de 6 semanas de duración ya sea de tipo aeróbico, de fuerza o mixto, manteniéndose el descenso de dichos valores tras 3 semanas de desentrenamiento. / In the actuality there is great scientific evidence about the multiple benefits offered by physical activity and exercise in promoting and maintaining health. The correct functioning of the vascular endothelium is vital for cardiovascular health, incorporating physical exercise programs is important in primary and secondary care of atherosclerosis and cardiovascular disease. The circulating CD34+ hematopoietic progenitor cells are bone marrow-derived cells that are mobilized into the circulation and incorporated at sites of injury where they are believed to participate in vascular repair through re-endothelization, but there are contradictory results regarding the increased levels and schedule of the cells after exercise. The circulating CD34+ hematopoietic progenitor cells levels in the days following a long-distance walking exercise have not been studied, neither after 3 different types of training programs: aerobic, resistance, and a combination of both. Also, it is important to know changes in blood pressure during submaximal and maximal exercise after physical training period. This study has provided initial evidence of important medium-term changes in the circulating CD34+ hematopoietic progenitor cells levels following to single session in long endurance exercise, on the other hand, no changes in the circulating CD34+ hematopoietic progenitor cells were detected after training programs: aerobic, resistance, and a combination of both. Moreover, it found clear differences in blood pressure changes among the three training groups, with exercise programmes clearly able to decrease the blood pressure during a submaximal and maximal exercise. These results indicate than we can no longer only consider how blood pressure is affected by exercise in general, but that we must also consider the effects of different training programmes on blood pressure.

Las Reservas de Biósfera tienen el propósito de crear una alternativa innovadora en el discurso conservacionista hacia el paradigma del desarrollo sostenible, al compaginar el objetivo de proteger la biodiversidad y servicios ecosistémicos con el de asegurar el bienestar de la población local. En este sentido, la presente tesis tiene como finalidad contribuir en el conocimiento de las reservas de biósfera como modelos de gestión del territorio a través del entendimiento de las percepciones y actitudes de las poblaciones que la habitan para evaluar el impacto de los modelos y estrategias de conservación de estas áreas en su calidad de vida. Para ello, empleé dos estudios de caso, la Reserva de Biósfera Montseny en España y la Reserva de Biósfera Oxapampa Asháninka Yánesha en Perú. La tesis se desarrolla en diez capítulos. Los tres primeros capítulos corresponden a la introducción, justificación y objetivos de la investigación. En el capítulo cuatro desarrollé el marco conceptual, tomando como unidad de análisis al individuo y su hogar y definiendo desde lo local el concepto de calidad de vida, así como los conceptos de percepciones y actitudes. Para el desarrollo de la investigación se definieron dos objetos actitudinales a estudiar: la percepción local del ANP como espacio territorial destinado a la conservación y la percepción de la población local sobre la gestión desarrollada en dicho espacio. Asimismo, se desarrolla los modelos de conservación utilizados en la gestión de las áreas naturales protegidas y se caracteriza el sistema de áreas protegidas y reservas de biósfera de España y Perú. El capítulo cinco desarrolla la metodología de la investigación partiendo de una perspectiva holística e interdisciplinaria al considerar a la conservación de la biodiversidad tanto un proceso social como ecológico. El trabajo utiliza un enfoque inductivo–deductivo, basándose en diferentes metodologías de investigación social como estudios de caso y la teoría de consenso cultural. Asimismo, se detalla la metodología común desarrollada en los dos estudios de caso. El capítulo seis narra las dos áreas de estudio, en primer lugar se describe a la Reserva de Biósfera Montseny y después a la Reserva de Biósfera Oxapampa Asháninka Yánesha. En ambos apartados se describen los aspectos socioambientales relevantes para la investigación como población, economía, biodiversidad. Asimismo, se detallan otros aspectos de importancia para la mejor comprensión de la tesis como la perspectiva histórica ambiental de cada reserva de biósfera, los antecedentes de su establecimiento, sus objetivos y la forma de gestión de cada una incluyendo la descripción de las áreas naturales protegidas que alberga. El capítulo siete desarrolla el Estudio de caso de la Reserva de Biósfera Montseny y el capítulo ocho el de la Reserva de Biósfera Oxapampa Asháninka Yánesha. En cada uno de estos capítulos se especifica el área de evaluación, metodologías, resultados, discusión, conclusiones y se dan recomendaciones para contribuir en la mejora de estrategias de conservación de las áreas naturales protegidas que integran cada reserva de biósfera estudiada. El capítulo nueve plantea un análisis comparativo de las dos reservas de biósfera partiendo del análisis de seis temas relevantes como: forma de establecimiento, administración y documentos de gestión, actitudes y percepciones, participación local, calidad de vida y funcionalidades y anomalías de cada reserva de biósfera. Finalmente, en el capítulo diez se brindan las conclusiones generales de la investigación. / Biosphere Reserves are intended to create an innovative alternative for sustainable development. This thesis aims to contribute to the knowledge of Biosphere Reserves as models of land management through better understanding of the perceptions and attitudes of local populations to assess the impact of these areas in their populations’ wellbeing. This research is conducted through two case studies, the Montseny Biosphere Reserve in Spain and the Oxapampa Yánesha Ashaninka Biosphere Reserve in Peru. This work comprises ten chapters. The first three chapters are the introduction, rationale and objectives of the research. Chapter four develops the conceptual framework, where the unit of analysis is the individual and the household. Within these units, I assess attitudes toward the protected area as a physical space for conservation and toward its management. Both subjects are developed from the perspective of the local population. I also define the local concept of wellbeing and I define concepts that will be used in all the research. Chapter five develops the research methodology using a holistic and interdisciplinary approach to consider biodiversity conservation as a social and ecological process. The paper uses an inductive - deductive approach, based on different methodologies of social research, such as case studies and the cultural consensus theory. I also explain the common methodology developed in the two case studies. Chapter six describes the two study areas, the Montseny Biosphere Reserve and the Oxapampa Yánesha Ashaninka Biosphere Reserve. In both descriptions the relevant social and environmental issues for the research are detailed. Chapter seven develops the Montseny Biosphere Reserve case study and chapter eight the Oxapampa Yánesha Ashaninka Biosphere Reserve case. In each of these chapters I describe the assessment area, methods, results, discussion, conclusions. Also, I outline some recommendations to improve conservation strategies for the protected areas of both Biosphere Reserves. Chapter nine presents a comparative analysis of the two biosphere reserves using an analysis of six relevant topics: their establishment, administration and management documents, attitudes and perceptions, local participation, quality of life and functionality and anomalies of each biosphere reserve. Finally, in chapter ten I present the overall conclusions of the research.

Tesi realitzada a l'Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC) / Organic/inorganic interfaces play a key role in organic electronic devices such as organic light emitting diodes (OLED), organic field effect transistors (OFET) and organic solar cells (OSC). In these interfaces crucial processes such as charge injection or extraction take place. Improving the performance of these devices has the potential to result in more efficient sources of lighting, printable electronics, and highly scalable solar energy harvesting. With this aim, a solid understanding at atomic level of the structural and electronic properties of organic/inorganic interfaces is needed. The research presented in this thesis is based on scanning probe microscopies which are powerful techniques to probe and manipulate the electronic and structure at atomic scale. The structural and electronic properties of selected organic and inorganic 2D systems on metallic surfaces have been investigated by a combined scanning tunneling microscopy (STM) and frequency modulation atomic force microscopy (FM-AFM) in ultra-high vacuum conditions and at room temperature. The combination of these local probe techniques permits elucidating the interface structure at atomic level and disentangle electronic from topographic information. Particular attention has been dedicated to the measure and interpretation of the local work function. Cuprous oxide (Cu2O) is an intrinsic p-type semiconductor. Copper oxide ultrathin films have been suggested to be candidates as low resistance electrodes, catalysts, sensing materials and semiconductor materials for solar cell transformation. However the properties of ultrathin film may differ from those of the bulk material. With the aim of increasing the actual knowledge, an atomic thin film of copper oxide has been grown on Cu(111) by air-enriched argon sputtering plus annealing. Several structures have been found and the local work function has been evaluated by contact potential difference and distance spectroscopies. Its structural and electronic properties are presented in Chapters 5 and 6. Several organic molecules have been investigated on different surfaces: perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic anhydride (PTCDA), diindenoperylene (DIP) and chloroaluminum phthalocyanine (ClAlPc). All of them are small pi-conjugated molecules that have been grown by molecular beam deposition and are served as model systems for a basic understanding of organic/inorganic interfaces. The choice of the selected molecules has been motivated by the distinct chemical and physical properties: PTCDA is a perylene derivate molecule with two anhydride end groups that has an electrical quadrupole moment and forms ordered films by hydrogen bonding, ClAlPc is a phthalocyanine that has a dipole moment perpendicular to the pi-plane of the molecule and DIP is another perylene derivate that is composed only by carbon and hydrogen atoms and forms films only by van der Waals interaction. The structural and electronic properties of a monolayer of PTCDA on Si(111)7x7 and AgSi(111) have been studied and are presented in Chapter 7. A monolayer of DIP on the Cu(111) surface and a monolayer and bilayer of ClAlPc on Au(111) are shown in Chapter 8 and Chapter 9, respectively. The final structure of these molecules on the surfaces is a competition between intermolecular and molecule-substrate forces. In the organic/metal interface many complex processes can occur such as charge transfer, charge rearrangement and push back effect, affecting the work function in a non trivial way what has been evaluated in all the mentioned systems. / En los dispositivos basados en semiconductores, las interfases entre material metálico y material semiconductor juegan un papel importante en el funcionamiento final de dichos dispositivos. Algunos ejemplos de dispositivos son las celdas solares, los diodos emisores de luz y los transistores de efecto campo. En las interfases metal/semiconductor se producen muchos de los procesos fundamentales para el correcto funcionamiento de éstos, como la inyección de carga o la separación de excitones. La optimización de dichos procesos requiere un sólido conocimiento a nivel atómico de las interfases desde un punto de vista estructural y electrónico. Por consiguiente, en esta tesis se han estudiado una serie de sistemas bidimensionales orgánicos e inorgánicos crecidos sobre diferentes superficies metálicas mediante microscopía de sonda próxima, una de las técnicas más potentes en el campo de la nanotecnología. Concretamente se ha utilizado un microscopio combinado de efecto túnel (STM) y de fuerzas atómicas (AFM), en condiciones de ultra alto vacío y a temperatura ambiente. Capas delgadas de óxido de cobre (Cu2O) han sido ampliamente utilizadas por sus óptimas propiedades en catálisis y como material semiconductor en celdas solares. Con el fin de estudiar las propiedades estructurales y electrónicas, se han crecido capas ultra delgadas (un átomo de grosor) de Cu2O sobre una superficie de cobre (111). Diferentes técnicas han sido utilizadas para su caracterización estructural y electrónica. Por otro lado, otro de los materiales semiconductores utilizados en el desarrollo de futuras celdas solares son capas finas formadas por moléculas orgánicas semiconductoras. A pesar de que se podrían utilizar muchas moléculas para la fabricación de dispositivos orgánicos, las moléculas pequeñas conjugadas son especialmente interesantes debido al bajo peso molecular, su estabilidad ante la polimerización y ante la descomposición térmica. Dichas moléculas pueden ser sublimadas en condiciones de ultra alto vacío mediante crecimiento epitaxial por haces de moléculas orgánicas. En el transcurso de esta tesis, varias moléculas orgánicas han sido crecidas sobre diferentes superficies metálicas: perileno tetracarboxílico dianhídrido (PTCDA), diindenoperileno (DIP) y ftalocianina de cloro y aluminio (ClAlPc). Su caracterización estructural y la medida e interpretación de la función de trabajo local se han presentado en esta tesis.

This thesis is devoted to prove the concept of the CO(2) reduction to CH(4) with a decreasing in the voltage requirements using a photocatalytic mechanism. Subsequently, part of the solar energy is transferred to the reaction, obtaining an improvement in the total energy balance. The work developed intends first, to take advantage of the know features of the photoactive nanostructured materials obtained by anodization and hydrothermal synthesis (allowing to obtain better surface areas and improving the photon collection, light photosynthetic reactions). Second investigate the copper and copper oxide cathodes for the CO(2) electroreduction activity to CH(4) (dark photosynthetic reactions) using a complete cell to understand the parameters involved in the process and the products selectivity for each cathodes. And third the implementation of the photoanode and cathode in a photoelectrochemical complete cell. Respect the photoactive materials we are going to talk about TiO(2) based nanostructured materials for water splitting. The first TiO(2) nanostructuration under study are nanotubes obtained by anodization of a Titanium foil using organic electrolytes. The TiO(2) crystal phase obtained by this technique was anatase. The next step in this material was the surface modification to improve the efficiency. To obtain this improvement the anodization process was done using two electrolytes in different steps. As sequence a porous surface with an increment in the surface area was obtained. After, the photoelectrochemical measurements were done in 1 M of sodium hydroxide (NaOH) under AM 1.5G illumination source to observe the photoactivity of these samples. The second nanostructured materials under study were TiO(2) nanorods obtained by hydrothermal synthesis over a conductive glass substrate, Fluorine Tin Oxide (FTO). The nanorods using this technique have rutile structure. An optimization of two parameters involved in the hydrothermal synthesis was studied: (1) initial titanium precursor concentration and (2) increasing the chlorine concentration to obtain larger and thinner rods. To enhance the photoactivity of TiO(2) we try to incorporate other materials inside the structure. The materials selected were: tin which improves the charge carriers, vanadium which allows the absorption in the visible range and nitrogen doping to enhance the efficiency in the photoactivity of the material. Concerning to methane production study, a discussion about the electrochemical CO(2) reduction activity over a copper based electrode using a hydrogen carbonate as supporting electrolyte was done, where the positive ions used are sodium and potassium. The first electrode selected is a pristine copper due to the interest of the methane production. The samples were characterized by scanning electronic microscopy (SEM) and X-Ray diffraction (XRD) to visualize the surface morphology and the crystal structure of the electrode. Afterwards, the electrochemical process is studied to understand the activity of these electrodes. Chronopotentiostatic (CP) experiments were done at different current densities to observe the activity as a function of the reached potential. The second electrode under study was a copper oxide cathode. In the electrochemical experiments an effect was studied related to the electrochemical reduction of the different copper oxide layers generated during the thermal synthesis, leading to a catalytically active copper that enables carbon dioxide reduction. With this type of electrodes a time- dependence test was done to carefully study these crystallographic changes. Finally, another important variable for CO(2) conversion was studied, the humidification of the CO(2) gas stream before the introduction in the electrochemical cell with the impact on the faradaic efficiency of the process. In the implementation in the PEC cell an evaluation of the photoanode and cathode was done. In this evaluation, the external potential requirements were studied concerning about the energy consumption and the benefit from the photoactivated process. / Esta tesis se ha desarrollado con el objetivo de probar el concepto de la reducción del dióxido de carbono a metano, mediante una reducción de los potenciales necesarios usando un mecanismo fotocatalítico. Parte de la energía solar es transferida a la reacción obteniendo una mejora en el balance energético total. El trabajo desarrollado se focaliza primero en el estudio de materiales nanoestructurados fotoactivos basados en dióxido de titanio obtenidos por anodización, generando nanotubos, y por síntesis hidrotermal obteniendo nanohilos sobre un sustrato conductor transparente, los cuales permiten obtener mayores superficies activas mejorando la colección de fotones, similar a las reacciones luminosas en la fotosíntesis. En segundo lugar, se ha estudiado la electroreducción del dióxido de carbono a metano usando cátodos de cobre y oxido de cobre (similar a las reacciones oscuras de la fotosíntesis). Usando el cobre como cátodo, se ha observado la obtención de metano a diferentes densidades de corriente aplicadas para poder observar la productividad respecto al potencial medido. Para el caso de los cátodos de óxido de cobre, no se ha encontrado producción de metano pero si de etileno. En estos cátodos se ha observado un efecto proveniente de la reducción de las capas de los diferentes óxidos de cobre, generados en la síntesis térmica, hacia un cobre catalíticamente activo para la reacción de reducción del dióxido de carbono. Este efecto se ha estudiado profundamente mediante un estudio de los cambios cristalográficos y superficiales a determinados tiempos. Finalmente, se ha estudiado el efecto de la humidificación del dióxido de carbono (gas) previa a la entrada a la celda electroquímica. Como parte final se ha realizado una evaluación energética de los fotoánodos generados por síntesis hidrotermal y de los cátodos basados en cobre estudiados, para poder implementar ambos en una celda fotoelectroquímica completa. En esta parte se ha estudiado los valores de los potenciales externos necesarios para que se pueda dar la reacción, asumiendo un 100% de eficiencia hacia la producción de metano para los cátodos de cobre y de etileno para los de óxido de cobre.

L'experiment d'Stern-Gerlach (SG) és considerat un dels més importants de la història de la teoria quàntica, i sovint s'utilitza en llibres de text de Mecànica Quàntica per il·lustrar el concepte d'espín i, fins i tot, els postulats de la teoria. Aquest ús didàctic tan estès ha fet que moltes vegades es confongui el rol que l'SG va jugar en el desenvolupament de la teoria quàntica: no és rar trobar fonts que afirmen que els resultats de l'SG es van rebre amb estupefacció o que van comportar el descobriment de l'espín. Si busquem estudis historiogràfics sobre aquest episodi tan important, ens trobarem davant d'una mancança completa de fonts especialitzades. La majoria de publicacions contenen poc més que algunes anècdotes entorn de l'experiment i algunes fins i tot perpetuen les interpretacions incorrectes que hem esmentat. Segurament l'únic estudi historiogràfic complet de l'experiment d'SG es pot trobar a la recent tesi de Wolfgang Trageser (“L'efecte Stern-Gerlach. Gènesi, desenvolupament i reconstrucció d'un dels experiments fonamentals de la teoria quàntica entre 1916 i 1926” —en alemany), presentada el 2011 a la Johann Wolfgang Goethe–Universität a Frankfurt am Main. L'autor tracta en detall el treball experimental d'Otto Stern i Walther Gerlach, però passa per sobre els comentaris sobre la motivació teòrica de l'experiment, així com les seves conseqüències teòriques. Analitzant en detall el context teòric que envoltava l'SG, intentarem recuperar la interpretació correcta del seu rol en el desenvolupament de la teoria quàntica; no ens ha de sorprendre trobar un relat completament nou amb importants conseqüències en l'àmbit didàctic. En aquesta tesi comencem revisant l'estat de la qüestió de la Teoria Quàntica Antiga (TQA) durant la dècada dels 1910, posant especial èmfasi en les teories de Niels Bohr i Arnold Sommerfeld. És important tenir clars els principis fonamentals d'aquesta teoria per interpretar correctament l'SG. Traçant les motivacions que van portar a l'experiment, estudiem l'efecte Zeeman i la quantització espacial. L'efecte Zeeman es pot considerar una de les principals guies dels desenvolupaments portats a terme per Bohr i Sommerfeld durant la construcció de les seves respectives teories. Precisament, una d'aquestes hipòtesis teòriques destinades a expilcar parcialment l'efecte Zeeman és la quantització espacial, proposada per Sommerfeld a mitjans 1916 i que ràpidament va ser adoptada per Bohr i incorporada a la teoria. La conveniència d'aquesta hipòtesi, però, va ser posada en dubte en repetides ocasions, i algunes de les seves prediccions experimentals no podien ser verificades. És per això que el 1921 Stern va proposar un dràstic experiment per confirmar-la (o falsar-la) d'una vegada per totes. Amb l'ajuda de Gerlach, els dos físics van trigar gairebé un any a obtenir el resultat buscat, confirmant la quantització espacial i aportant també un cert artibtratge a certs debats que s'havien establert entre Bohr i Sommerfeld sobre el nombre d'orientacions que podia atènyer un àtom immers en un camp magnètic. Malgrat aquest experiment, l'experiment d'Stern-Gerlach, sovint es postula com una pedra angular de la TQA, topem amb una contradicció històrica quan estudiem les seves conseqüències històriques. L'única reacció significativa és un article d'Einstein i Ehrenfest que posava de manifest les immenses contradiccions amb què topava la teoria si s'intentava fer un càlcul acurat de les observacions d'Stern i Gerlach. Malgrat el caire catastròfic d'aquest article, la seva publicació va obtenir una minsa resposta: breus discussions es van establir entre els dos autors i Bohr, Smekal, Born i Heisenberg. En cap es es pot considerar, però, que aquesta problemàtica s'incorporés a la naixent crisi que la TQA va patir durant el 1923–1924. / In an attempt to explain the Zeeman effect within the quantum framework, in mid 1916 Arnold Sommerfeld presented a new concept: Space Quantization, which introduced a new quantum number related to the discrete orientation of orbits inside the atom when immersed in an external magnetic field. The increasing explanatory success of Space Quantization made it necessary for Niels Bohr to also account for it in his quantum theoretical foundations of 1918, and even extend its uses. Thus Space Quantization became inherent to the genetic code of the Bohr-Sommerfeld theory. Four years later, an experimental endeavor by Otto Stern and Walther Gerlach confirmed for the first time a separation of an atomic beam in a magnetic field, in accordance to the predictions of Space Quantization. This result is usually taken as another success of the quantum theory. However, a closer look will reveal a much more intricate account of events, motivations and reactions. A further motivation for this research can be found in the vast contemporary bibliography that uses the Stern-Gerlach experiment as a cornerstone upon which to build a didactic approach to Quantum Mechanics (specially to illustrate the concept of spin) but usually at the price of introducing historical confusions or inconsistencies. With the aim to challenge incomplete and misleading accounts found elsewhere, we will relocate the Stern-Gerlach within the theoretical framework that both motivated the experiment and gathered its results.

Anaerobic digestion is a worldwide technology to treat organic waste streams, primarily due to its capacity to produce methane as renewable energy. However, there is an increasing interest on nutrient recovery (N and P), which from both environmental and economic reasons have been identified as key feature in anaerobic digestion plants. Controlled struvite formation has been attracting increasing attention as a near mature technology to recover nutrients from anaerobic digestion. However, struvite feasibility is generally limited by the high cost of chemical reagents. Because the economic feasibility of struvite is heavily influenced by reagent cost, several authors have trialled lower-cost magnesium sources. Studies to date on struvite precipitation with MgO have largely focused on the aqueous phase, with little attention given to the preceeding MgO dissolution. However, the observations noted above suggest that there may be opportunity to better understand, intervene and improve dissolution and access to MgO. The present study uses experiments and chemistry modelling to evaluate and better understand TAN removal from pig manure using MgO. Tests were performed with four industrial magnesium oxide (MgO) from natural magnesite calcination: a commercial high grade MgO (HGMgO) as well as a number of low-grade MgO (LGMgOs) by-products. All these MgO reagents were also pre-treated with phosphoric acid and tested separately after pre-treatment. The study focussed on the underlying chemistry to show how reactivity and dissolution of the various magnesium by-products influenced struvite precipitation and TAN removal performance. Moreover, another option to minimise struvite precipitation cost is to combine struvite precipitation and AD in the same reactor. Several authors have studied the addition of magnesium reagents (MgCl2 and Mg(OH)2) to precipitate struvite during anaerobic digestion, causing in some cases inhibition by pH or cation toxicity. However, to our knowledge, no references bave been found evaluating the utilization of magnesium by- products within the reactor to precipitate struvite during anaerobic digestion. In this study struvite precipitation and pig manure anaerobic digestion were coupled in the same reactor in order to mitigate the inhibitory effect of free ammonia and avoid precipitator costs. The stabilizing agent used to facilitate struvite precipitation was formulated with low-grade magnesium oxide by-product; an approach that would notably reduce struvite processing costs. Therefore, the feasibility of coupling anaerobic digestion and struvite precipitation in the same reactor was evaluated to enhance manure anaerobic digestion methane yields through ammonia inhibition mitigation. Five different magnesium sources were tested as struvite (ammonia sequestration agent) precursor, i.e. MgCl2, Mg(OH)2, two industrial by-products rich in MgO but with different reactivity, and a stabilizing agent. The latter was formulated in advance with the low reactivity industrial by-product and phosphoric acid. The effect of each magnesium source on anaerobic digestion as well as its struvite precipitation capacity was evaluated through a series biomethane potential test. However, a long term anaerobic digester operation was required to assess the feasibility of the process and to ensure that the stabilizing agent does not introduce any harmful compound for the anaerobic biomass. In this vein, the -3 addition of 5 and 30 kg m of the stabilizing agent in a pig manure continuous digester 3 -1 3 -1 resulted in a 25% (0.17 m kg ) and a 40% (0.19 m kg ) increase in methane production per mass of volatile solid, respectively, when compared with the reference digester (0.13 3 -1 m kg ). Moreover, the stability of the process during four hydraulic retention times guarantees that the stabilizing agent did not exert a negative effect on the consortium of microorganisms. / Diferentes esfuerzos han sido desarrollados para reducir la inhibición por nitrógeno amoniacal en la DA. Entre ellos, la adición de materiales con capacidad de intercambio catiónico (por ejemplo: bentonita, glauconita, fosforita y zeolitas) o materias con capacidad de adsorción (ej. arena, óxidos de magnesio, sepiolitas y zeolitas) han mostrado buenos resultados. Igualmente, en años recientes la posibilidad de acoplar la DA y la precipitación de estruvita (MgNH4PO4·6H2O) en el mismo reactor han llamado la atención. La precipitación de estruvita ocurre de manera natural cuando la concentración de 2+ + 3- Mg , NH4 y PO4 excede el producto de solubilidad de la estruvita. Con lo cual, la precipitación de estruvita en muchos sistemas de DA requiere la adición de compuestos 2+ 3- + químicos, ya que la concentración de Mg y PO4 es típicamente inferior a la del NH4 . El objetivo de este estudio es comparar el desempeño de cinco diferentes fuentes de magnesio (ej. MgCl2, Mg(OH)2, HG-MgO, LG-MgO y SA) en reactores, simultaneando los procesos de la DA y la precipitación de estruvita dentro del mismo reactor. La adición de agente estabilizante al purín de cerdo presento una máxima eficiencia de remoción de nitrógeno amoniacal total del 80%. La operación de los -1 digestores mostró que la adición de agente estabilizante de 5 y 30 g L al digestor resulta en un incremento del 25 y 40% en la producción de metano, respectivamente, comparado con el reactor de referencia. Este resultado puede estar relacionado con la reducción de la concentración de amonio y el incremento de la concentración de magnesio y concentración de partículas en el medio de digestión. Adicionalmente, los resultados de alcalinidad y ácidos grasos volátiles muestran que la adición de agente estabilizante no presenta un efecto negativo en los microorganismos anaeróbicos.