Dynamic Energy Budgets IST

Enrollment is Closed

Descrição Geral

Este curso fornece o enquadramento para a modelação do metabolismo ao nível do organismo, cobrindo a totalidade do ciclo de vida, usando a teoria "Dynamic Energy Budget" que é aplicável a todas as espécies. Quantifica, passo a passo, todos os processos metabólicos relevantes, tais como a ingestão, assimilação, crescimento, manutenção, desenvolvimento e reprodução.

Com a teoria DEB, o metabolismo dos indíviduos de espécies diferentes, pode ser modelado em função da alimentação, temperatura e outras variáveis ambientais tais como tóxicos, hipóxia, salinidade, etc. Os modelos DEB são ferramentas poderosas que permitem prever o impacto das alterações climáticas, os impactos do derrame de um tóxico e as condições ambientais que permitem optimizar os produtos da aquacultura e agricultura, entre outros.

Objetivos de aprendizagem

No fim do curso, os alunos serão capazes de:

  • Compreender a organização do metabolismo
  • Quantificar taxas metabólicas como o crescimento e a assimilação em função da temperatura e da alimentação
  • Discutir conceitos importantes para a organização metabólica como a homeostase forte e fraca.
  • Perceber o impacto da relação área-volume no metabolismo.
  • Explicar padrões empiricos gerais tais como a Lei de Kleiber e o crescimento de Von Bertallanfy.
  • Fazer balanços de massa, energia e entropia aos organismos.
  • Modelar o metabolismo de um organism ao longo do ciclo de vida.

Público-alvo

Este curso tem como audiência alunos do 1º, 2º e 3º ciclos do ensino superior e investigadores que queiram aprender sobre os aspectos quantitativos e qualitativos da organização metabólica dos seres vivos.

Pré-requisitos

O curso é adequado para pessoas que tenham alguma formação em modelação ou no uso de modelos e conhecimentos de nível básico-médio de matemática, biologia, química e física.

Conteúdos

Semana 1 (Introdução) – Princípios gerais da teoria Dynamic Energy Budget (DEB). Conceitos básicos de sistemas dinâmicos e de modelação. Princípios básicos do modelo DEB.

Semanas 2 & 3 (Processos metabólicos) – Metabolismo: a importância da forma e do tamanho. Descrição quantitativa e qualitativa dos processos metabólicos: assimilação, crescimento, manutenção, desevolvimento e reprodução.

Semana 4 (Termodinâmica da vida) – Metabolismo: o efeito da temperatura. Reacções quimicas agregadas. Balanços de massa, energia e entropia nos organismos.

Semana 5 (Modelação dos organismos) – Estimação de parâmetros em modelos DEB. Relações de escala.

Organização e duração

O curso está estruturado em tópicos que ocupam 1 ou 2 semanas. Cada semana tem: 3 a 5 videos, perguntas de escolha múltipla, perguntas de resposta aberta e exercícios de Matlab. Os estudantes terão acesso a material escrito de apoio.

Os videos guiarão os alunos através dos tópicos abordados neste curso. Alguns destes videos são tutoriais que mostram aos alunos como usar ficheiros Matlab que correm um modelo DEB e estimam parâmetros DEB (o pacote de software Debtool). As perguntas de escolha múlitpla e de resposta aberta têm como objectivo fornecer feedback aos alunos que lhes permita avaliar o seu conhecimento. Os exercícios Matlab permitem aos alunos testar e desenvolver intuição sobre a dinâmica do metabolismo e dos efeitos de cada parâmetro no metabolismo. Interacção entre os alunos e o staff ocorrerá no forum de discussão.

Avaliação e Certificação

Avaliações formativas incluem as questões de escolha múltipla, questões de resposta aberta, e exercícios de Matlab que estarão disponíveis para cada tópico. Serão atribuídos pontos às respostas e exercícios correctos.

A avaliação pelos pares inclui a votação semanal para a questão e para a resposta mais relevante/interessante. Esta avaliação será traduzida em pontos.

A avaliação presencial por tutores pode incluir exames no IST ou noutras universidades no estrangeiro.

Participantes que tenham uma pontuação superior ou igual a 60% do valor máximo receberão um certificado de participação no curso. Aos participantes que são alunos do IST e que tenham simultaneamente um certificado de participação e uma avaliação positiva presencial serão atribuídos 1.5 ECTS.

Equipa do Curso

Course Staff Image #1

Tânia Sousa

Licenciada em Engenharia do Ambiente (1998), mestre em Ecologia, Gestão e Modelação do Meio Marinho (2003), pós-graduada em Economia (2007) e doutorada (2007) em Engenharia do Ambiente (Técnico) e Ciências da Terra e da Vida (Universidade Livre de Amesterdão). É professora de Ambiente e Energia do Departamento de Engenharia Mecânica do Técnico, onde lecciona cadeiras como Gestão de Energia, Energia e Ambiente, Física e Química da Atmosfera, Ecologia Aplicada e Fábricas Celulares Microbianas. É investigadora no MARETEC - Centro de Ciência e Tecnologia do Ambiente e do Mar - onde foca a sua investigação na aplicação da Termodinâmica à Ecologia e à Economia, em particular nas áreas de sistemas energéticos sustentáveis e de metabolismo de organismos.

O seu trabalho em metabolismo de organismos centra-se na teoria DEB (Dynamic Energy Budgets) nomeadamente na quantificação de fluxos de massa, energia e entropia, na quantificação da produção de entropia, na formalização e desenvolvimento da teoria e em aplicações à conservação da natureza e à sustentabilidade da produção animal e das pescas.

Course Staff Image #2

Gonçalo Marques

Investigador do MARETEC - Centro de Ciência e Tecnologia do Ambiente e do Mar é doutorado em Física e trabalha na teoria DEB desde 2009. No IST lecciona disciplinas como Ecologia Aplicada e Fábricas Celulares Microbianas.

A nível internacional faz parte da equipa docente do Tele-curso internacional de DEB que acontece de dois em dois anos e é um dos curadores do Add-my-pet - a base de dados disponível online com cerca de 500 espécies de 19 filos animais. Na investigação DEB já trabalhou com várias espécies incluindo: microalgas, cianobactérias, sardinha, albatroz, vaca, etc.

Course Staff Image #3

Starrlight Augustine

Investigadora da Aqvaplan-niva – Arctic R&D, Tromsø, Noruega, é doutorada em Ciências do Ambiente e trabalha na teoria DEB desde 2009. Actualmente o seu trabalho está focado na integração de modelos biológicos e ecotoxicológicos baseados na teoria DEB com o objectivo de aferir impactos ambientais.

Também faz parte da equipa docente do Tele-curso internacional de DEB que acontece de dois em dois anos e é uma dos curadoras do Add-my-pet - a base de dados disponível online com cerca de 500 espécies de 19 filos animais.

Creative Commons License
Este curso e os seus respetivos conteúdos estão licenciados através da licença Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Os vídeos integrados neste curso foram gravados no estúdio da FCCN

About This Course

This course provides a framework for modelling metabolism at the organism level, covering the full life-cycle, using the Dynamic Energy Budget (DEB) Theory which is applicable to all species. It quantifies, step by step, all the important metabolic processes such as ingestion, assimilation, growth, maintenance, development and reproduction.

With DEB theory, the metabolism of individuals of different species, can be modelled taking into account food, temperature and other environmental variables such as toxics, hypoxia, salinity, etc. DEB models are powerful tools to predict the impact of climate change, the impacts of a toxic spill, the environmental conditions that optimize aquaculture or agriculture products, among others.

Main Goals

At the end of the course the students will be able to:

  • Understand the organization of metabolism.
  • Quantify metabolic rates such as growth and assimilation as a function of temperature and amount of food.
  • Discuss important concepts for metabolic organization such as weak and strong homeostasis.
  • Understand the impact of the area-volume relationship on metabolism.
  • Explain general empirical patterns such as Kleiber’s law and Von Bertallanfy growth.
  • Make mass, energy and entropy balances for organisms.
  • Model the metabolism of an organism through its life cycle.

Target Audience

The course is designed for undergraduate and graduate students, as well as researchers that want to learn about the qualitative and quantitative aspects of the metabolic organisation of living systems.

Requirements

The course is adequate for people that have some training on modelling or the use of models and basic to medium-level knowledge of mathematics, biology, chemistry and physics.

Contents

Week 1 (The basics) - The general principles of Dynamic Energy Budget (DEB) theory. Basic concepts of dynamic systems and modelling. The state variables of DEB model and the strong and weak homeostasis.

Weeks 2 & 3 (Metabolic Processes) - Metabolism: the importance of shape and size. Quantitative and qualitative description of metabolic processes: assimilation, mobilization, growth, maintenance, development and reproduction.

Week 4 (Thermodynamics of Life) - Metabolism: the effect of temperature. Aggregated macro-chemical reactions. Mass, energy and entropy balances in organisms.

Week 5 (Modelling Organisms) - Parameter estimation in DEB models. Scaling relationships.

Organization

The course is structured into topics that last 1 or 2 weeks. Each week will have: 4 to 5 videos, quizzes, open ended questions and Matlab exercises. Students will have access to support written material.

Videos will guide students through the topics explored in this course. Some of the videos are tutorials that guide and show the students how to use Matlab files (that are freely available) to run a DEB model and estimate DEB parameters (the DEBtool package). The quizzes and open-ended questions will provide feedback allowing students to assess their knowledge. Matlab exercises will test and develop intuition about the dynamics of metabolism and the effect of each parameter on metabolism. Interaction between students and staff will occur in the discussion board.

Assessment

Formative assessment includes the quizzes, open ended questions and Matlab exercises that will be available for each topic (each week). The correct completion of quizzes, open ended questions and Matlab exercises will provide points.

Peer assessment includes voting each week for the most relevant/interesting questions and the best answers. This peer assessment will be translated into points.

In loco assessment by teachers might include exams in IST or in other universities around the world.

Participants with a final score (points) greater than 60% will receive a completion certificate. Participants that are registered in IST and that have both a completion certificate and a positive in loco assessment will be given 1.5 ECTS.

Course Staff

Course Staff Image #1

Tânia Sousa

Degree in Environmental Engineering (1998), master in Ecology, Management and Modelling of Marine Systems, (2003), pos-graduation in Economy (2007) and PhD (2007) in Environmental Engineering (IST - University of Lisbon) and Earth and Life Sciences (Free University of Amsterdam). Auxiliary Professor, of Environment and Energy, in the Mechanical Engineering Department, where she teaches Energy Management, Energy and Environment, Physics and Chemistry of the Atmosphere, Applied Ecology and Microbial Cell Factories. Reasearcher on MARETEC – Marine, Environment and Technology Center – focusing on the application of thermodynamics to Ecology and Economy, with an emphasis on sustainable energy systems and the metabolism of organisms.

The research on the metabolism of organisms, based on Dynamic Energy Budget (DEB) Theory, focus on the quantification of mass, energy and entropy flows, on the formalization and development of the theory and applications to nature conservation and sustainability of animal production and fisheries.

Course Staff Image #2

Gonçalo Marques

Researcher at MARETEC - Marine, Environment and Technology Center, he has a PhD in Physics and works in DEB theory since 2009. At IST he lectured in the disciplines of Applied Ecology and Microbial Cell Factories.

He is part of the teaching team of the International DEB tele-course that happens every two years, and he is one of the curators of the Add-my-Pet - an online database with almost 500 species from 19 animal phyla. In research is has worked with several different species, including: microalgae, cyanobacteria, sardine, birds, mammals, etc.

Course Staff Image #3

Starrlight Augustine

Researcher at Akvaplan-niva – Arctic R&D, Tromsø Norway, she has a PhD in Environmental Sciences and works with DEB theory since 2009. Her current research focusses on integrating biological and ecotoxicology models based on DEB theory into methods aiming to assess environmental impacts.

She is part of the teaching team of the International DEB tele-course that takes place every two years, and she is one of the curators of the Add-my-Pet - an online database with almost 500 species from 19 animal phyla.

Creative Commons License
The following course and its contents are licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

The videos shown in this course were recorded in studio by FCCN.

  1. Course Number

    debX
  2. Enrollment Start Date

    Jun 30, 2017
  3. Enrollment End Date

    Jul 31, 2017
  4. Language

    en
  5. Estimated Effort per Week

    05:00
  6. Price

    Free