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:
- Describe 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;
- Predict 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.
This course is also part of the Eighth International Symposium and Thematic School on DEB theory for metabolic organization. For more information go to the site of DEB2023.
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
Topic 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.
Topics 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.
Topic 4 (Thermodynamics of Life) - Metabolism: the effect of temperature. Aggregated macro-chemical reactions. Mass, energy and entropy balances in organisms.
Topic 5 (Applications) – Examples of applications from ecotoxicology to ecozyztem modelling.
Organization
The course is structured into topics that last 1 or 2 weeks. Each week will typically have 5 videos and quizzes.
Videos will guide students through the topics explored in this course. The quizzes will provide feedback allowing students to assess their knowledge. Interaction between students and staff will occur in the discussion board.
Assessment
The assessment is made through quizzes. Each week will contribute 20% to the final grade. Participants with a final score (points) greater than 60% will receive a completion certificate.
Course Staff
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 was one of the curators of Add-my-Pet. In research, he has worked with several different species, including: microalgae, cyanobacteria, sardine, birds, mammals, etc.
Starrlight Augustine
Researcher at MARETEC - Marine, Environment and Technology Center, 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 Add-my-Pet - an online database with more than 3000 species from 19 animal phyla.
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.
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:
- Descrever 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;
- Prever 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 organismo 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 aspetos 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. Reações quimicas agregadas. Balanços de massa, energia e entropia nos organismos.
Semana 5 (Aplicações) – Exemplos de aplicações: da ecotoxicologia à modelação de ecossistemas.
Organização e duração
O curso está estruturado em tópicos que ocupam 1 ou 2 semanas. Cada semana tem cerca de 5 vídeos e perguntas de escolha múltipla.
Os vídeos guiarão os alunos através dos tópicos abordados neste curso. As perguntas de escolha múlitpla e de resposta aberta têm como objetivo fornecer feedback aos alunos que lhes permita avaliar o seu conhecimento. A interação entre os alunos e o staff ocorrerá no fórum de discussão.
Avaliação e Certificação
As avaliações incluem as questões de escolha múltipla. Cada semana contribui com 20% para a nota final do curso. Todos os participantes que tenham uma pontuação igual ou superior a 60% dos exercícios de avaliação, receberão um certificado de participação no curso (sem classificação atribuída).
Este curso também faz parte da unidade curricular Ecologia Aplicada do curso de Engenharia do Ambiente.
Equipa do Curso
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 foi um dos curadores do Add-my-pet. Na investigação DEB já trabalhou com várias espécies incluindo: microalgas, cianobactérias, sardinha, albatroz, vaca, etc.
Starrlight Augustine
Investigadora do MARETEC - Centro de Ciência e Tecnologia do Ambiente e do Mar, 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 das curadoras do Add-my-pet - a base de dados disponível online com mais de 3000 espécies de 19 filos animais.
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.
