Pollution stress on aquatic microbial communities

Thousands of chemical compounds enter the natural environment but many have unknown effects and consequences, in particular at low concentrations. This thesis work contributes to our understanding of pollution effects by using bacteria as test organisms. Bacteria are important for this question because some of them degrade and transform pollutants into less harmful compounds, but secondly because they themselves can be inhibited in their reproduction by exposure to toxic compounds. When inhibitory effects occur this may change the composition of the microbial com¬munity in the long run, leading to altered or diminished ecosystem services by those communities. As a result chemicals of anthropogenic origin may accumulate and per¬sist in the environment, and finally, affect higher organisms as well. In addition to acquiring basic understanding of pollutant effects at low concentrations on bacterial communities an applied goal of this thesis work was to develop bacteria-based tests to screen new organic chemicals for toxicity and biodégradation. In the first part of this work we developed a flow cytometry-based assay on SYT09 plus ethidium-bromide or propidium-iodide stained cells of Pseudomonas ûuorescens exposed or not to a variety of pollutants under oligotrophic growth conditions. Flow cytometry (FC) allows fast and accurate counting of bacterial cells under simul¬taneous assessment of their physiological state, in particular in combination with different fluorescent dyes. Here we employed FC and fluorescent dyes to monitor the effect that pollutants may exert on Pseudomonas ûuorescens SV3. First we designed an oligotrophic growth test, which enabled us to follow population growth at low densities (104 - 10 7 cells per ml) using 0.1 mM sodium acetate as carbon source. Cells in the oligotrophic milieu were then exposed or not to a variety of common pollutants, such as 2-chlorobiphenyl (2CBP), naphthalene (NAH), 4-chlorophenol (4CP), tetradecane (TD), mercury chloride (HgCl2) or benzene, in different dosages. Exposed culture samples were stained with SYT09 (green fluorescent dye binding nucleic acids, generally staining all cells) in combination with propidium iodide (PI) or ethidium bromide (EB), both dyes being membrane integrity indicators. We ob- served that most of the tested compounds decreased population growth in a dosage- dependent manner. SYT09/PI or SYT09/EB staining then revealed that chemical exposure led to arisal of subpopulations of live and injured or dead cells. By modeling population growth on the total cell numbers in population or only the subpopulation of live cells we inferred that even in stressed populations live cells multiply at rates no different to unexposed controls. The net decrease in population growth would thus be a consequence of more and more cells being not able to multiply at all, rather than all cells multiplying at slower rates. In addition, the proportion of injured cells correlated to the compound dosage. We concluded that the oligotrophic test may be useful to asses toxicity of unknown chemicals on a variety of model bacteria. Mul¬tiple tests can be run in parallel and effects are rapidly measured within a period of 8 hours. Interestingly, in the same exposure tests with P. fluorescens SV3 we observed that some chemicals which did not lead to a reduction of net population growth rates did cause measurable effects on live cells. This was mainly observed in cells within the live subpopulation as an increase of the EB fluorescence signal. We showed that SYT09/EB is a more useful combination of dyes than SYT09/PI because PI fluorescence tend to increase only when cells are effectively dead, but not so much in live cells (less then twofold). In contrast, EB geometric mean fluorescence in live cells increased up to eightfold after exposure to toxic compounds. All compounds even at the lowest concentration caused a measurable increase in EB geometric mean fluorescence especially after 2 h incubation time. This effect was found to be transient for cells exposed to 2CBP and 4CP, but chronic for cells incubated with TD and NAH (ultimately leading to cell death). In order to understand the mechanism underlying the observed effects we used known membrane or energy uncouplers. The pattern of EB signal increase in chemical-exposed populations resembled mostly that of EDTA, although EB fluorescence in EDTA-treated or pasteurized cells was even higher than after exposure to the four test chemicals. We conclude that the ability of cells to efflux EB under equilibrium conditions is an appropriate measure for the potential of a chemical to exert toxicity. Since most bacterial species possess efflux systems for EB that all require cellular energy, our test should be more widely relevant to infer toxicity effects of chemical exposure on the physiological status of the bacterial cell. To better understand the effect of toxicant exposure on efflux defense systems, we studied 2-hydroxybiphenyl toxicity to Pseudomonas azeiaica HBP1. We showed that 2-HBP exerts toxicity even to P. azelaica HBP1, but only at concentrations higher than 0.5 mM. Above this concentration transient loss of membrane polarization and integrity occurred, which we conclude from staining of growing cells with fluorescent dyes. Cells finally recover and resume growth on 2HBP. The high resistance of P. azelaica HBP1 to 2-HBP was found to be the result of an efficient MexABOprM- type efflux pump system counteracting passive influx of this compound into the membrane and cellular interior. Mutants with disrupted mexA, mexB and oprM genes did no longer grow on 2-HBP at concentrations above 100 μΜ, whereas below this concentration we found 2-HBP-concentration dependent decrease of growth rate. The MexAB-OprM system in P. azeiaica HBP1 is indeed an efflux pump for ethidium bromide as well. By introducing gfp reporter fusions responsive to intracellular 2- HBP concentrations into HBP1 wild-type or the mutants we demonstrated that 2HBP enters into the cells in a similar way. In contrast, the reporter system in the wild-type cells does not react to 2-HBP at an outside concentration of 2.4 μΜ, whereas in mutant cells it does. This suggests that wild-type cells pump 2-HBP to the outside very effectively preventing accumulation of 2-HBP. 2HBP metabolism, therefore, is not efficient enough to lower the intracellular concentration and prevent toxicity. We conclude that P. azelaica HBP1 resistance to 2-HBP is mainly due to an efficient efflux system and that 2HBP in high concentrations exerts narcotic effects on the bacterial membrane. In the part of this thesis, we investigated the possibilities of bacteria to degrade pollutants at low concentrations (1 mg per L and below). As test components we used 2-hydroxybiphenyl, antibiotics and a variety of fragrances, many of which are known to be difficult to biodegrade. By using accurate counting of low numbers of bacterial cells we could demonstrate that specific growth on these compounds is possible. We demonstrated the accuracy of FC counting at low cell numbers (down to 103 bacterial cells per ml). Then we tested whether bacterial population growth could be specifically monitored at the expense of low substrate concentrations, us¬ing P. azelaica HBP1. A perfect relationship was found between growth rate, yield and 2-HBP concentrations in the range of 0.1 up to 5 mg per L. Mixing P. azelaica within sludge, however, suggested that growth yields in a mixed community can be much lower than in pure culture, perhaps because of loss of metabolic intermediates. We then isolated new strains from activated sludge using 2-HBP or antibiotics (Nal, AMP, SMX) at low concentrations (0.1-1 mg per L) as sole carbon and energy sub¬strate and PAO microdishes. The purified strains were then examined for growth on their respective substrate, which interestingly, showed that all strains can not with¬stand higher than 1 or 10 mg per L concentrations of target substrate. Thus, bacteria must exist that contribute to compound degradation at low pollutant concentrations but are inhibited at higher concentrations. Finally we tested whether specific biomass growth (in number of cells) at the expense of pollutants can also be detected with communities as starting material. Hereto, we focused on a number of fragrance chemicals and measured community biomass increase by flow cytometry cell counting on two distinct starter communities: (i) diluted Lake Geneva water, and dilute activated sludge from a wastewater treatment plant. We observed that most of the test compounds indeed resulted in significant biomass increase in the starter community compared to a no-carbon added control, but activated sludge and lake Geneva water strongly differed (almost mutually ex¬clusive) in their capacity to degrade the test chemicals. In two cases for activated sludge the same type of microbial community developed upon compound exposure, as concluded from transcription fragment length polymorphism analysis on community purified and PCR amplified 16S rRNA gene fragments. To properly test compound biodegradability it is thus important to use starter communities of different origin. We conclude that FC counting can be a valuable tool to screen chemicals for their biodegradability and toxicity. - Des milliers de produits chimiques sont libérés dans l'environnement mais beaucoup ont des effets inconnus, en particulier à basses concentrations. Ce travail de thèse contribue à notre comprehension des effets de la pollution en utilisant des bacteries comme des organismes-tests. Les bacteries sont importantes pour etudier cette ques¬tion car certaines d'entre elles peuvent degrader ou transformer les polluants, mais également parce qu'elles-mmes peuvent tre inhibees dans leur reproduction après avoit ete exposees à ces composes toxiques. Quand des effets inhibiteurs ont lieu, la composition de la communauté microbienne peut tre changee à long terme, ce qui mène à une reduction du service d'ecosystème offert par ces communautés. En consequence, après leur liberation dans l'environnement, les produits chimiques d'origine anthropogenique peuvent soit s'y accumuler et per¬sister, exerant ainsi des effets encore inconnus sur les organismes vivants. En plus d'acquérir des connaissances de base sur les effets des polluants à basses concentra¬tions sur les communautés microbiennes, un but applique de cette thèse était de développer des tests bases sur les bacteries afin d'identifier de nouveau composes pour leur toxicité ou leur biodégradation. Dans la première partie de ce travail, nous avons developpe un test base sur la cytometrie de flux (FC) sur des cellules de Pseudomonas fluorescens colorees par du bromure d'ethidium ou de l'iodure de propidium et exposees ou non à une palette de polluants sous des conditions de croissance oligotrophique. La cytometrie de flux est une technique qui connaît de nombreuses applications dans la microbiologie environ¬nementale. Cela est principalement du au fait qu'elle permet un comptage rapide et precis ainsi que l'évaluation de l'état physiologique, en particulier lorsqu'elle est combinée h des colorations fluorescentes. Ici, nous avons utilise la technique FC et des colorants fluorescents afin de mesurer l'effet que peuvent exercer certains pollu¬ants sur Pseudomonas ûuorescens SV3 . D'abord nous avons conu des tests oligo- trophiques qui nous permettent de suivre la croissance complète de cellules en culture h des densites faibles (104 -10 7 cellules par ml), sur de l'acetate de sodium à 0.1 mM, en presence ou absence de produits chimiques (2-chlorobiphenyl (2CBP), naphthalène (NAH), 4-chlorophenol (4CP), tetradecane (TD), chlorure de mercure(II) (HgCl2)) à différentes concentrations. Afin de montrer le devenir des bacteries tant au niveau de la cellule individuelle que celui de la population globale, après exposition à des series de composes chimiques, nous avons compte les cellules colorees avec du SYT09 (col¬orant fluorescent vert des acides nucléiques pour la discrimination des cellules par rapport au bruit de fond) en combinaison avec l'iodure de propidium (PI) ou le bromure d'ethidium (EB), indicateurs de l'intégrité de la membrane cellulaire avec FC. Nous avons observe que de nombreux composes testes avaient un effet sur la croissance bacterienne, resultant en une baisse du taux de reproduction de la pop¬ulation. En outre, la double coloration que nous avons utilisee dans cette etude SYT09/PI ou SYT09/EB a montre que les produits chimiques testes induisaient une reponse heterogène des cellules dans la population, divisant celle-ci en sous- populations "saine", "endommagee" ou "morte". Les nombres de cellules à partir du comptage et de la proportion de celles "saines" et "endommagees/mortes" ont ensuite ete utilises pour modeliser la croissance de P. ûuorescens SV3 exposee aux produits chimiques. La reduction nette dans la croissance de population est une consequence du fait que de plus en plus de cellules sont incapables de se reproduire, plutt que du fait d'une croissance plus lente de l'ensemble de la population. De plus, la proportion de cellules endommagees est correllee au dosage du compose chimique. Les résultats obtenus nous ont permis de conclure que le test oligotrophique que nous avons developpe peut tre utilise pour l'évaluation de la toxicité de produits chimiques sur différents modèles bacteriens. Des tests multiples peuvent tre lances en parallèle et les effets sont mesures en l'espace de huit heures. Par ailleurs, nous en déduisons que les produits chimiques exercént un effet sur la croissance des cellules de P. ûuorescens SV3, qui est heterogène parmi les cellules dans la population et depend du produit chimique. Il est intéressant de noter que dans les mmes tests d'exposition avec P. ûuorescens SV3, nous avons observe que certains composes qui n'ont pas conduit à une reduction du taux de la croissance nette de la population, ont cause des effets mesurables sur les cellule saines. Ceci a ete essentiellement observe dans la portion "saine" des cellules en tant qu'augmentation du signal de la fluorescence de 1ΈΒ. D'abord nous avons montre que SYT09/EB était une com¬binaison de colorants plus utile que celle de SYT09/PI parce que la fluorescence du PI a tendance à augmenter uniquement lorsque les cellules sont effectivement mortes, et non pas dans les cellules saines (moins de deux fois plus). Par opposi¬tion, la fluorescence moyenne de l'EB dans les cellules saines augmente jusqu'à huit fois plus après exposition aux composes toxiques. Tous les composes, mme aux plus basses concentrations, induisent une augmentation mesurable de la fluorescence moy¬enne de 1ΈΒ, plus particulièrement après deux heures d'incubation. Cet effet s'est revele tre transitoire pour les cellules exposees aux 2CNP et 4CP, mais est chro¬nique pour les cellules incubees avec le TD et le NAH (entranant la mort cellulaire). Afin de comprendre les mécanismes qui sous-tendent les effets observes, nous avons utilise des decoupleurs d'energie ou de membrane. L'augmentation du signal EB dans les populations causee par des produits chimiques ressemblait à celle exerce par le chelateur des ions divalents EDTA. Cependant, les intensités du signal EB des cellules exposees aux produits chimiques testees n'ont jamais atteint les valeurs des cellules traitees avec l'EDTA ou pasteurises. Nous en concluons que le test oli- gotrophique utilisant la coloration (SYT09/)EB des cellules exposees ou non à un produit chimique est utile afin d'evaluer l'effet toxique exerce par les polluants sur la physiologie bacterienne. Afin de mieux comprendre la reaction d'un système de defense par pompe à efflux après exposition à une toxine, nous avons étudié la toxicité du 2-hydroxybiphenyl (2-HBP) sur Pseudomonas azeiaica HBP1. Nous avons montre que le 2-HBP exerce une toxicité mme sur HBP1, mais uniquement à des concentrations supérieures à 0.5 mM. Au-dessus de cette concentration, des pertes transitoires d'intégrité et de polarization membranaire ont lieu, comme cela nous a ete montre par coloration des cellules en croissance. Les cellules sont finalement capables de se rétablir et de reprendre leur croissance sur 2-HBP. La forte resistance de P. azeiaica HBP1 h 2-HBP physiologie bacterienne s'est revele tre le résultat d'un système de pompe h efflux de type MexABOprM qui contre-balance l'influx passif de ce compose h travers la membrane. Nous avons montre, en construisant des mutants avec des insertions dans les gènes mexA, mexB and oprM et des fusions avec le gène rapporteur gfp, que l'altération de n'importe quelle partie du système d'efflux conduisait à accroître l'accumulation de 2-HBP dans la cellule, en comparaison avec la souche sauvage HBP1, provoquant une diminution de la resistance au 2-HBP ainsi qu'une baisse du taux de reproduction des cellules. Des systèmes d'efflux similaires sont répandus chez de nombreuses espèces bactériennes. Ils seraient responsables de la resistance aux produits chimiques tels que les colorants fluorescents (bromure d'ethidium) et des antibiotiques. Nous concluons que la resistance de P. azelaica HBP1 à 2-HBP est principalement due à un système d'efflux efficace et que 2-HBP, à des concentrations elevees, exerce un effet deletère sur la membrane bacterienne. En se basant sur le comptage des cellules avec la FC, nous avons developpe ensuite une methode pour evaluer la biodegradabilite de polluants tels que le 2-HBP ainsi que les antibiotiques (acide nalidixique (Nal), ampicilline (AMP) ou sulfamethoxazole (SMX)) à de faibles concentrations lmg par L et moins), par le suivi de la croissance spécifique sur le compose de cultures microbiennes pures et mixtes. En utilisant un comptage precis de faibles quantités de cellules nous avons pu demontrer que la croissance spécifique sur ces composes est possible. Nous avons pu illustrer la precision du comptage par cytometrie de flux à faible quantité de cellules (jusqu'à 10 3 cellules par ml). Ensuite, nous avons teste s'il était possible de suivre dynamiquement la croissance de la population de cellules sur faibles concentrations de substrats, en utilisant P. azelaica HBP1. Une relation parfaite a ete trouvee entre le taux de croissance, le rendement et les concentrations de 2-HBP (entre 0.1 et 5 mg par L). En mélangeant HBP1 à de la boue active, nous avons pu montrer que le rendement en communauté mixtes pouvait tre bien inférieur qu'en culture pure. Ceci étant peut tre le résultat d'une perte d'intermédiaires métaboliques. Nous avons ensuite isole de nouvelles souches à partir de la boue active en utilisant le 2-HBP ou des antibiotiques (Nal, AMP, SMX) h basses concentrations (0.1-1 mg par L) comme seules sources de carbone et d'energie. En combinaison avec ceci, nous avons également utilise des microplaques PAO. Les souches purifiees ont ensuite ete examinees pour leurs croissances sur leurs substrats respectifs. De faon intéressante, toutes ces souches ont montre qu'elles ne pouvaient pas survivre à des concentrations de substrats supérieures à 1 ou 10 mg par L. Ainsi, il existe des bacteries qui contribuent à la degradation de composes à basses concentrations de polluant mais sont inhibes lorsque ces concentrations deviennent plus hautes. Finalement, nous avons cherche à savoir s'il est possible de detecter une croissance spécifique à une biomasse au depend d'un polluant, en partant d'une communauté microbienne. Ainsi, nous nous sommes concentre sur certains composes et avons mesure l'augmentation de la biomasse d'une communauté grce à la cytometrie de flux. Nous avons compte deux communautés de depart distinctes: (i) une dilution d'eau du Lac Léman, et une dilution de boue active d'une station d'épuration. Nous avons observe que la plupart des composes testes ont entrane une augmentation de la biomasse de depart par rapport au control sans addition de source de carbone. Néanmoins, les échantillons du lac Léman et de la station d'épuration différaient largement (s'excluant mutuellement l'un l'autre) dans leur capacité à degrader les composes chimiques. Dans deux cas provenant de la station d'épuration, le mme type de communauté microbienne s'est developpe après exposition aux composes, comme l'a démontré l'analyse TRFLP sur les fragments d'ARN 16S purifie de la communauté et amplifie par PCR. Afin de tester correctement la biodegradabilite d'un compose, il est donc important d'utiliser des communautés de depart de différentes origines Nous en concluons que le comptage par cytometrie de flux peut tre un outil de grande utilité pour mettre en valeur la biodegradabillite et la toxicité des composes chimiques.

Perfusion and diffusion MRI of glioblastoma progression in a four-year prospective temozolomide clinical trial

RESUME BUT Cette étude a été menée sur le suivi de patients traités pour un glioblastome nouvellement diagnostiqué. Son objectif a été de déterminer l'impact des séquences de perfusion et de diffusion en imagerie par résonance magnétique (IRM). Un intérêt particulier a été porté au potentiel de ces nouvelles techniques d'imagerie dans l'anticipation de la progression de la maladie. En effet, l'intervalle de temps libre de progression est une mesure alternative de pronostic fréquemment utilisée. MATERIEL ET METHODE L'étude a porté sur 41 patients participant à un essai clinique de phase II de traitement par temozolomide. Leur suivi radiologique a comporté un examen IRM dans les 21 à 28 jours après radiochimiothérapie et tous les 2 mois par la suite. L'évaluation des images s'est faite sur la base de l'évaluation de l'effet de masse ainsi que de la mesure de la taille de la lésion sur les images suivantes : T1 avec produit de contraste, T2, diffusion, perfusion. Afin de déterminer la date de progression de la maladie, les critères classiques de variation de taille adjoints aux critères cliniques habituels ont été utilisés. RESULAT 311 examens IRM ont été revus. Au moment de la progression (32 patients), une régression multivariée selon Cox a permis de déterminer deux paramètres de survie : diamètre maximal en T1 (p>0.02) et variation de taille en T2 (p<0.05). L'impact de la perfusion et de la diffusion n'a pas été démontré de manière statistiquement significative. CONCLUSION Les techniques de perfusion et de diffusion ne peuvent pas être utilisées pour anticiper la progression tumorale. Alors que la prise de décision au niveau thérapeutique est critique au moment de la progression de la maladie, l'IRM classique en T1 et en T2 reste la méthode d'imagerie de choix. De manière plus spécifique, une prise de contraste en T1 supérieure à 3 cm dans son plus grand diamètre associée à un hypersignal T2 en augmentation forment un marqueur de mauvais pronostic.

Ontogeny of Sleeping in Color - Linking melanism to sleep architecture and rhythmicity variation in wild barn owl nestlings

The function of sleep remains unknown. To gain insight into the function of sleep in natural conditions, I assessed variation in sleep architecture and its link with fitness-related phenotypic traits. I considered melanin-based coloration because its underlying genetic basis is very well known giving an opportunity to examine whether some genes pleiotropically regulate both coloration and sleep. The melanocortin system is known to generate covariation between melanin-based coloration and other phenotypes like behaviour, physiology and life history traits. I investigated whether this system of genes could participate in the co-expression of coloration and sleep. I carried out a study with nestling barn owls (Tyto alba) in order to tackle the potential link between variation in color traits and the ontogeny of sleep under natural conditions. For this I established a suitable method for recording the brain activity (electroencephalogram) of owls in nature. Birds are especially interesting, because they convergently evolved sleep states similar to those exhibited by mammals. As in mammals, I found that in owlets time spent in rapid eye movement (REM) sleep declines with age, a relationship thought to eflect developmental changes in the brain. Thus this developmental trajectory appears to reflect a fundamental feature of sleep. Additionally, I discovered an association between a gene involved in melanism expressed in the feather follicles (proprotein convertase subtilisin/kexin type 2, PCSK2) and the age-related changes in sleep in the brain. Nestlings with higher expression levels of PCSK2 showed a more precocial pattern of sleep development and a higher degree of melanin-based coloration compared to nestlings with lower PCSK2 expression. Also sleep architecture and the development of rhythmicity in brain and physical activity was related to plumage traits of the nestlings and their biological parents. This pattern during ontogeny might reflect differences in life l history strategies, antipredator behaviour and developmental pace. Therefore, differently colored individuals may differentially deal with trade-offs between the costs and benefits of sleep which in turn lead to differences in brain organization and ultimately fitness. These results should stimulate evolutionary biologists to consider sleep as a major life history trait. Résumé La fonction du sommeil reste inconnue. Afin d'acquérir une meilleur compréhension de la fonction du sommeil dans les conditions naturelles, j'ai analysé la variation dans l'architecture du sommeil et son lien avec d'autres traits phénotypiques liés au succès reproducteur (fitness). J'ai choisi et examiné la coloration mélanique, car ses bases génétiques sont bien connues et il est ainsi possible d'étudier si certains gènes, de façon pléiotropique régulent à la fois la coloration et le sommeil. J'ai exploré si ce système génétique était impliqué dans la co-expression de la coloration et du sommeil. J'ai effectué mon étude sur des poussins de chouette effraie (Tyto alba) en condition naturelle, pour rechercher ce lien potentiel entre la variation de la coloration et l'ontogenèse du sommeil. Dans ce but, j'ai établi une méthodologie permettant d'enregistrer l'activité cérébrale (électroencéphalogramme) des chouettes dans la nature. Les oiseaux sont particulièrement intéressants car ils ont développé, par évolution convergente, des phases de sommeil similaires à celles des mammifères. De manière semblable à ce qui a été montré chez les mammifères, j'ai découvert que le temps passé dans le sommeil paradoxal diminue avec l'âge des poussins. On pense que ceci est dû aux changements développementaux au niveau du cerveau. Cette trajectoire développementale semble refléter une caractéristique fondamentale du sommeil. J'ai également découvert une association entre l'un des gènes impliqué dans le mélanisme, exprimé dans les follicules plumeux (proprotein convertase subtilisin/kexin type 2, PCSK2), et les changements dans la structure du sommeil avec l'âge. Les poussins ayant un niveau d'expression génétique élevé de la PCSK2 présentent une structure du sommeil plus précoce et un taux de coloration dû à la mélanine plus élevé que des poussins avec un niveau d'expression moindre de la PCSK2. L'architecture du sommeil et le développement de la rythmicité dans le cerveau ainsi que l'activité physique sont également liés à la coloration des plumes des poussins et pourraient ainsi refléter des différences de stratégies d'histoire de vie, de comportements anti-prédateur et de vitesses développementales. Ainsi, des individus de coloration différente sembleraient traiter différemment les coûts et les bénéfices du sommeil, ce qui aurait des conséquences sur l'organisation cérébrale et pour finir, sur le succès reproducteur. Ces résultats devraient encourager les biologistes évolutionnistes à considérer le sommeil comme un important trait d'histoire de vie. Zusammenfassung Die Funktion von Schlaf ist noch unbekannt. Um mehr Einsicht in diese unter natürlichen Bedingungen zu bekommen, habe ich die Variation in der Schlafarchitektur und die Verknüpfung mit phänotypischen Merkmalen, die mit der Fitness zusammenhängen, studiert. Ich habe mir melanin-basierte Färbung angesehen, da die zugrunde liegende genetische Basis bekannt ist und somit die Möglichkeit gegeben ist, zu untersuchen, ob einige Gene beides regulieren, Färbung und Schlaf. Das melanocortin System generiert eine Kovariation zwischen melanin-basierter Färbung und anderen phänotypischer Merkmale wie Verhalten, Physiologie und Überlebensstrategien. Ich habe untersucht, ob dieses Gensystem an einer gleichzeitigen Steuerung von Färbung und Schlaf beteiligt ist. Dazu habe ich Schleiereulen (Tyto alba) studiert um einen möglichen Zusammenhang zwischen der Variation in der Pigmentierung und der Entwicklung des Schlafs unter natürlichen Bedingungen zu entdecken. Für diese Studie entwickelte ich eine Methode um die Gehirnaktivität (Elektroenzephalogramm) bei Eulen in der Natur aufzunehmen. Vögel sind besonders interessant, da sie die gleichen Schlafstadien aufweisen wie Säugetiere und diese unabhängig konvergent entwickelt haben. Genauso wie bei Säugetieren nahm die Dauer des sogenannten ,,rapid eye movement" (REM) - Schlafes mit zunehmendem Alter ab. Es wird angenommen, dass dieser Zusammenhang die Entwicklung des Gehirns widerspiegelt. Daher scheint dieses Entwicklungsmuster ein fundamentaler Aspekt von Schlaf zu sein. Zusätzlich entdeckte ich einen Zusammenhang zwischen der Aktivität eines Gens in den Federfollikeln (proprotein convertase subtilisin/kexin type 2, PCSK2), das für die Ausprägung schwarzer Punkte auf den Federn der Eulen verantwortlich ist, und den altersabhängigen Änderungen im Schlafmuster im Gehirn. Küken mit höherer Aktivität von PCSK2 zeigten eine frühreifere Schlafentwicklung und eine dunklere Färbung als Küken mit niedriger PCSK2 Aktivität. Die Architekture des Schlafes und die Entwicklung der Rhythmik im Gehirn und die der physischen Aktivität ist mit der Färbung des Gefieders von den Küken und ihren Eltern verknüpft. Dieses Muster während der Entwicklung kann Unterschiede in Überlebensstrategien, Feindabwehrverhalten und in der Entwicklungsgeschwindigkeit reflektieren. Unterschiedlich gefärbte Individuen könnten unterschiedliche Strategien haben um zwischen den Kosten und Nutzen von Schlaf zu entscheiden, was zu Unterschieden in der Gehirnstruktur führen kann und letztendlich zur Fitness. Diese Ergebnisse sollten Evolutionsbiologen stimulieren Schlaf als einen wichtigen Bestandteil des Lebens zu behandeln.

Spontaneous 24-h GHRELIN secretion pattern in fasting subjects : maintenance of a meal-related pattern

RESUME OBJECTIF: Outre la stimulation de la sécrétion d'hormone de croissance, la ghréline cause une prise pondérale par augmentation de l'assimilation d'aliments et réduction de la consommation lipidique. Il a été décrit que les taux de ghréline augmentent durant la phase pré-prandiale et diminuent juste après un repas, ceci suggérant qu'elle puisse jouer un rôle d'initiateur de la prise du repas. Cependant, la sécrétion de ghréline chez des sujets à jeun n'a pas encore été étudiée en détail. DESSIN: Les profils de sécrétion de ghréline pendant 24 heures ont été étudiés chez six sujets volontaires sains (3 femmes, 3 hommes; 25.5 ans; BMI 22.8 kg/m2) et comparés aux profils plasmatiques de l'hormone de croissance, de l'insuline et du glucose. METHODE: Des échantillons sanguins ont été prélevés toutes les 20 minutes pendant 24 heures et les taux de ghréline ont été mesurés par radio-immuno essai, utilisant un anticorps polyclonal de lapin. Le profil circadien de la sécrétion de ghréline (cluster analysis) a été évalué. RESULTATS: Une augmentation puis une diminution spontanée des taux de ghréline ont été observées aux moments où les sujets auraient habituellement mangé. La ghréline a été sécrétée de façon pulsatile avec approximativement 8 pics par 24 heures. Une diminution générale des taux de ghréline a également été observée durant la période d'étude. Aucune corrélation n'a pu être observée entre les taux de ghréline, d'homione de croissance, d'insuline et de glucose. CONCLUSIONS: Cette étude montre que pendant une période de jeûne les taux de ghréline suivent un profil similaire à ceux décrits chez des sujets mangeant 3 fois par jour. Durant le jeûne, l'hormone de croissance, l'insuline et le glucose ne semblent pas être impliqués dans la régulation de la sécrétion de ghréline. En outre, nous avons observé que la sécrétion de ghréline est pulsatile. La variation des taux de ghréline, indépendamment des repas, chez des sujets à jeun, renforce les observations préalables selon lesquelles le système nerveux central est primairement impliqué dans la régulation de la prise alimentaire. ABSTRACT: OBJECTIVE: Ghrelin stimulates GH release and causes weight gain through increased food intake and reduced fat utiIization. Ghrelin levels were shown to rise in the preprandial period and decrease shortly after meal consumption, suggesting a role as a possible meal initiator. However, ghrelin secretion in fasting subjects has not yet been studied in detail. DESIGN: 24-h ghrelin profiles were studied in six healthy volunteers (three females; 25.5 years; body mass index 22.8 kg/m2) and compared with GH, insulin and glucose levels. METHODS: Blood samples were taken every 20 min during a 24-h fasting period and total ghrelin levels were measured by RIA using a polyclonal rabbit antibody. The circadian pattern of ghrelin secretion and pulsatility (Cluster analysis) were evaluated. RESULTS: An increase and spontaneous decrease in ghrelin were seen at the timepoints of customary meals. Ghrelin was secreted in a pulsatile manner with approximately 8 peaks/24 h. An overall decrease in ghrelin levels was observed during the study period. There was no correlation of ghrelin with GH, insulin or blood glucose levels. CONCLUSIONS: This pilot study indicates that fasting ghrelin profiles display a circadian pattern similar to that described in people eating three times per day. In a fasting condition. GH, insulin and glucose do not appear to be involved in ghrelin regulation. In addition, we round that ghrelin is secreted in a pulsatile pattern. The variation in ghrelin independently of meals in fasting subjects supports previous observations that it is the brain that is primarily involved in the regulation of meal initiation.

Minerais, métaux, isotopes : recherches archéométriques sur les mines de plomb et d'argent en Valais, Suisse

RESUME Les nombreuses mines de plomb et d'argent du Valais témoignent d'une activité minière importante par le passé, sans toutefois dévoiler ni l'importance des minéralisations, ni l'ancienneté de l'exploitation. La présente recherche a pour but de comprendre pourquoi les grandes mines sont concentrées dans une région, et de déterminer la chronologie de leur exploitation. L'originalité de ce travail réside dans son interdisciplinarité, plus précisément dans l'application des méthodes minéralogiques pour résoudre une problématique historique. Afin d'évaluer les ressources minières en plomb et en argent du Valais, 57 mines et indices ont été repérés et échantillonnés. Les signatures isotopiques du Pb (74 analyses) et les compositions chimiques élémentaires (45 analyses) ont été déterminées. Les plus grandes exploitations se situent dans la nappe de Siviez-Mischabel, au Sud d'une ligne Vallée du Rhône / Val de Bagnes ainsi que dans le Lötschental. Elles sont liées, d'après leur signature isotopique de plomb, à des minéralisations d'âge calédonien (408 à 387 Ma) ou tardi-hercynien (333 à 286 Ma). À ces périodes, l'ancien continent est très lourd et subit une subsidence thermique. Des premières fractures d'extrême importance se forment. Comme il s'agit d'accidents tectoniques majeurs, des gisements de grande extension peuvent se former dans ce contexte. D'autres minéralisations se situent dans les domaines helvétiques (Massif des Aiguilles Rouges, Massif du Mont Blanc et couverture sédimentaire), couvrant une région au Nord de la Vallée du Rhône et du Val d'Entremont. D'âge post-hercynien à tardi-alpin (notons qu'il n'y a pas de minéralisations d'âge tertiaire), elles sont pour la plupart liées à des intrusions granitiques, sources de plomb juvénile. Les mines situées dans ces unités tectoniques sont nettement moins étendues que celles de la nappe de Siviez-Mischabel, ce qui permet de penser que les minéralisations correspondantes le sont également. Les périodes d'exploitation des mines peuvent être déterminées par quatre approches différentes l'archéologie minière, la lecture des textes historiques, l'étude des déchets métallurgiques et la comparaison de la signature isotopique du plomb, que l'on mesure dans un objet archéologique bien daté (monnaie, bijoux etc.), avec celles des minerais. Cette dernière méthode a été appliquée et développée dans le cadre de la présente recherche. Pour ce faire, 221 échantillons d'objet en plomb ou en argent datés entre l'Âge du Fer et le Moyen Age ont été analysés par la méthode des isotopes de plomb et comparés à environ 1800 signatures isotopiques de minerais des gisements les plus importants en Suisse et en Europe. Avant l'époque romaine et jusqu'au 1 er siècle de cette époque, le plomb provient principalement des mines de la péninsule ibérique alors en pleine activité. Un apport des mines d'Europe tempérée, notamment des Vosges, reste à confirmer. A partir du 1" siècle de notre ère, le plomb a principalement été importé en Suisse occidentale de grands centres de productions situées en Allemagne du Nord (région d'Eifel). Les mines de plomb valaisannes, notamment celles de Siviez, débutent leur exploitation en même temps, principalement pour couvrir les besoins locaux, mais également pour l'exportation jusque dans l'arc lémanique et, dans une moindre importance, au-delà. À partir du 4ème siècle, le besoin en plomb a été couvert par un apport des mines locales et par la refonte d'objets anciens. Ce changement d'approvisionnement est probablement lié aux tensions créées par les invasions germaniques durant la seconde moitié du 3' siècle ; le marché suisse n'est dès lors plus approvisionné par le nord, c'est-à-dire par la vallée du Rhin. Quant à l'argent, l'exploitation de ce métal est attestée à partir de la fin du La Tène, peu après l'apparition de ce métal dans la région valaisanne. L'échantillonnage ne couvrant pas l'époque romaine, rien n'est connu pour cette période. A partir du 5" siècle, une exploitation d'argent est de nouveau attestée. Cependant, l'exploitation d'argent des mines locales ne gagne en importance qu'à partir du Moyen Âge avec les frappes monétaires, notamment les frappes carolingiennes et épiscopales valaisannes. Les sources d'argent sont différentes selon leur utilisation : à part quelques exceptions notamment vers la fin du La Tène et au tardo-antique, les bijoux et objets de cultes ont été souvent créés à partir d'argent refondu, contrairement aux monnaies pour lesquelles l'argent provient des mines locales. On note un approvisionnement différent de ce métal pour les objets, notamment les monnaies, selon leur lieu de fabrication : on peut clairement distinguer les objets valaisans de ceux du Plateau Suisse. SUMMARY The many lead and silver mines of the Valais testify of an important mining activity in the past, without however revealing neither the importance of the mineralizations, nor the era of the exploitation. The purpose of this research is to understand why the large mines are concentrated in one region, and to determine the history of their exploitation. The uniqueness of this work lies in its interdisciplinarity, more precisely in the application of mineralogical methods to solve historical problems. In order to evaluate the lead and silver mining resources of the Valais region, 57 mines and ore deposits were located and sampled. The isotope signatures of Pb (74 analyses) and the compositions of the chemical elements (45 analyses) were determined. The largest activities are in the Siviez-Mischabel area, located in the South of the boundary formed by the Rhone, Bagnes and Lotschental valleys. According to their lead isotope signatures, they are linked to mineralizations of the Caledonian (408 to 387 my) or tardi-Hercynian (333 to 286 my) orogenies. In those times, the old continent was very heavy and underwent a thermal subsidence. First fractures of great significance were formed. Through these major tectonic events, large extended ore deposits can be formed. Other mineralizations are found in the helvetic regions situated north of the Rhone and the Entremont valley (the Aiguilles Rouges basement, Mount Blanc basement and the covering sediment). Because they are from post-hercynien to tardi-alpine age (there are no mineralizations of tertiary age), they are mainly linked to granite intrusions, the sources of juvenile lead. The mines found in these tectonic units are significantly less extensive than those of the Siviez-Mischabel area, leading to the assumption that the respective mineralizations extend accordingly. The history of exploitation of the mines can be determined by four different sources: mining archaeology, historical texts, metallurgical waste, and the comparison of the isotope signature of the lead from accurately dated archaeological objects (currency, jewels etc), with those of the ores. This last approach was applied and developed within the framework of this research. The lead isotope signatures of 221 lead or silver objects from the Iron Age to the Middle Age were compared with approximately 1800 samples of ore of the most important ore deposits in Switzerland and Europe. Before the Roman time up to the 1st century, lead comes mainly from the mines of the Iberian Peninsula then in full activity. A contribution of the mines of Central Europe, in particular of the Vosges, remains to be confirmed. From the 1st century on, lead was mainly imported into Western Switzerland from Northern Germany (Eiffel region). The lead mines in the Valais region, in particular those of Siviez, begin their exploitation at the same time, mainly to meet the local needs, but also for export to the lemanic basin and of lesser importance, beyond. As from the 4th century, the need of lead was met by the production from local mines and the recycling of old objects. This change of supply is probably related to the tensions created by the Germanic invasions during second half of the 3rd century; as a consequence, the Swiss market is not supplied any more by the north, i.e. the Rhine valley. Silver production is confirmed starting from the end of La Tene, shortly after the appearance of this metal in the Valais region. Since no objects of Roman origin were analyzed, nothing is known for this period. From the 5th century on, silver production is again confirmed. However, significant silver production from local mines starts only in the Middle Age with the coinage, in particular Carolingian and Episcopal minting from the Valais region. The sources of silver differ according to their use: besides some exceptions in particular towards the end of La Tene and the tardi-Roman, the jewels and objects of worships were often created from recycled silver, contrary to the coins the silver for which comes from the local mines. A different source of silver is observed according to the location of coin manufacture: Objects originating from the Valais region are clearly distinguished from those from the Plateau Suisse. ZUSAMMENFASSUNG Die grosse Zahl von Blei- und Silberminen im Wallis ist Zeugnis einer bedeutenden Bergbautätigkeit, es fehlen aber Hinweise über ihren Umfang und den Zeitraum ihrer Ausbeutung. Die vorliegende Arbeit sucht zu ergründen, warum grosse Minen sich in einer eng begrenzten Region häufen und in welchem Zeitraum sie genutzt wurden. Die Besonderheit der Studie liegt in ihrer Interdisziplinarität, genauer in der Anwendung von mineralogischen Methoden zur Beantwortung historischer Fragestellungen. Zur Beurteilung der Lagerstätten wurden von 57 Minen und Aufschlüssen Proben entnommen oder Nachweise erbracht und mittels 74 Isotopen-Analysen von Blei und 45 chemischen Gesamtanalysen ausgewertet. Die wichtigsten Vorkommen liegen in der Siviez- Mischabel- Decke südlich der Linie Rhonetal- Val de Bagnes, sowie im Lötschental. Die Bleiisotopen- Alter weisen ihre Entstehung der kaledonischen (408 - 387 Mio. J.) oder der spät- herzynischen (333 - 286 Mio. J.) Gebirgsbildungsphase zu. In dieser Periode ist die kompakte Landmasse sehr schwer und erfairt eine thermische Absenkung. Es bilden sich tektonische Brüche von kontinentaler Ausdehnung. Die grossen tektonischen Bewegungen ermöglichen die Bildung von ausgedehnten Lagerstätten. Andere Vorkommen finden sich im Bereich der Helvetischen Alpen (Aiguilles Rouges Massiv, Mont-Blanc-Massiv und Sediment-Decken) im Gebiet nördlich des Rhonetales bis zum Val d'Entremont. Altersmässig sind sie der nach-hercynischen bis zur spät-alpidischen Orogenese zuzuweisen (auffällig ist das Fehlen von Vorkommen im Tertiär) und haben sich meist in der Folge von Granit- Intrusion, dem Ursprung von primärem Blei ausgebildet. Die Bergwerke in diesem Bereich sind deutlich weniger ausgedehnt als jene in der Siviez-Mischabel-Decke und entsprechen wahrscheinlich dem geringen Umfang der zugehörigen Vorkommen. Die Nutzungsperioden der Minen können mit vier verschiedenen Methoden bestimmt werden: Minenarchäologie, Historische Quellen, Auswertung von metallischen Abfällen (Schlacken) und Vergleich der Bleiisotopen-Zusammensetzung von Erzen mit jener von zeitlich gut datierbaren archäologischen Gegenständen (Münzen, Schmuckstücke). Die letztere Methode wurde im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit entwickelt und angewendet. Zu diesem Zweck wurden an 221 Proben von Blei- oder Silberobjekten, die in die Periode zwischen Eisenzeit und Mittelalter eingestuft werden können, Bleiisotopen- Analysen durchgeführt und mit ca. 1800 Proben aus den wichtigsten Lagerstätten der Schweiz und Europas verglichen. Vor der Römerzeit und bis ins 1. Jahrh. stammt das Blei vornehmlich aus den in jener Zeit in voller Ausbeutung begriffenen Minen der Iberischen Halbinsel. Der Beitrag von Mitteleuropa, besonders der Vogesen, muss noch bestätigt werden. Ab dem 1. Jahrh. nach Chr. wurde die Westschweiz hauptschlich mit Blei aus den grossen Produktionszentren Norddeutschlands, vorwiegend der Eifel, versorgt. In dieser Periode setzt die Ausbeutung der Bleiminen des Wallis, besonders von Siviez, ein. Sie dienen der Deckung des örtlichen Bedarfs aber auch der Ausfuhr in das Gebiet des Genfersees und in einem bescheidenen Rahmen sogar darüber hinaus. Ab dem 4. Jahrhundert wurden vermehrt alte Objekte eingeschmolzen. Dieser Wechsel der Versorgungsquellen war vermutlich eine Folge der Wölkerwanderung in der zweiten Hälfte des 3. Jahrhunderts. Ab diesem Zeitpunkt war Helvetien der Zugang zu den Versorgungsquellen des Nordens, besonders des Rheinlandes, verwehrt. Der Abbau von Silber ist ab dem Ende des La Tène nachgewiesen, nur wenig nach dem Auftreten dieses Metalls im Wallis. Über die Römerzeit können wegen dem Fehlen entsprechender Proben keine Aussagen gemacht werden. Eine erneute Abbauperiode ist ab dem 5. Jahrhundert nachgewiesen. Die Produktion der örtlichen Minen erreicht aber erst im Mittelalter eine gewisse Bedeutung mit der Prägung von Mnzen durch die Karolinger und die Walliser Bischöfe. Die Herkunft des Silbers ist abhängig von dessen Verwendung. Mit wenigen Ausnahmen in der Zeit des La Tène und der späteren Römerzeit wurde für Kunst- und Kult- Gegenstände rezykliertes Silber verwendet, für Münzprägungen neues Silber aus den örtlichen Minen. Von Einfluss auf die Herkunft war auch der Produktionsstandort: Die Objekte aus dem Wallis unterscheiden sich deutlich von jenen des Mittellandes.

Studien zu einer Poetik des Engels

In dieser Thèse "Studien zu einer Poetik des Engels" wird anhand verschiedener Texte aus verschiedenen Epochen, jedoch mit Akzent auf der zweiten Hàlfte des 20. Jahrhunderts, dem Erscheinen von Engeln in literarischen Texten nachgegangen, mit besonderem Augenmerk auf der poetologischen Dimension, die mit der Darstellung von Engelfiguren zusammenhàngt, und mit besonderer Beriicksichtigung der Konsequenzen fur die Texte, in denen sie erscheinen.¦Literarische Texte bieten nàmlich einen geeigneten Immanenzort fur diese Art Epi-phanie an, eine Erscheinungsmoglichkeit fur Engel. Die Art und Weise, wie Dichterinnen und Dichter sie in ihren Texten erscheinen lassen, steht im Zentrum des Interesses dieser Studien. Wie verkorpern sich Engel in diesen Texten? Wie sprechen sie und wie kann mit ihnen und von ihnen gesprochen werden? Welche poetischen Funktionen ubernehmen diese Figuren, von denen die Dichter sprechen und die sie sprechen lassen? Welche poetischen Dynamiken entstehen in diesen Texten durch die Engelserscheinungen?¦Der Engel, der traditionell als Bote (gr. angelos), als Vermittler oder Obermittler gilt, hat im Medium Literatur (oder Text) selbst auch eine mediale Funktion inne, sodass Engel und Literatur einander widerspiegeln und Engeltexte zu Orten werden, an denen eine sprachliche und poetologische Auseinandersetzung stattfinden kann, die sowohl der Lite¬ratur (und auch etwa dem Erzàhler) als auch dem Engel inhàrent ist und es mit dem Ver- mittlungs(un)vermogen zu tun hat.¦In diesen Studien geht es darum, die produktive und dynamische Leistung des Engels (oder der Engel) im Schreib- und im Leseprozess zu erfahren und nachzuzeichnen. Durch ihre Pràsenz im Text bringen Engel einen Perspektivenwechsel ins Spiel, der die Auseinandersetzung mit dem Text pràgt und den Text selbst beeinflusst, sodass die Engel diese Texte zur Schreib- und Leseerfahrung werden lassen.¦Engelsdichtungen erweisen sich als durch und durch relational, sie involvieren den Dichter sowie auch den Leser, der ihnen - lesend - begegnet, und beeinflussen den ganzen Text und seine Dynamik, da diese Figuren unmoglich von ihm abstrahiert werden konnen. Engel erweisen sich auch als àusserst subversiv, wenn sie dem nicht entsprechen, was man von ihnen erwartet, wenn sie sich den geltenden (sozialen, politischen, aber auch - im Medium Literatur - sprachlichen oder dichterischen) Regeln widersetzen.¦In einem einleitenden Kapitel wird die Fragestellung skizziert und anhand vieler Textbeispiele verfeinert, sowie auch die Methode veranschaulicht. Darin werden Texte von Wallace Stevens (The Necessary Angel), Jean Paul (Der Tod eines Engels), Wim Wenders und Peter Handke (Himmel über Berlin) betrachtet, sowie auch etwa von Goethe, Morike, Andersen, Tolstoi (Der Engel Gottes oder Wovon die Menschen leben), Pseudo- Strieker (Der König im Bade), Baudelaire.¦Die weiteren Kapitel sind als Fallstudien zu verstehen und setzen sich mit einzelnen Texten auseinander, die von verschiedenen Autoren und zu verschiedenen Zeiten geschrieben wurden und sich von der Gattung und der Lange her stark unterscheiden:¦- "Zwischen Lichterscheinung und Holzfigur": Zu einem Tagebucheintrag von Franz Kafka (25. Juni 1914).¦- "Schweigende Boten": Zu Heinrich Bolls Roman Der Engel schwieg [1949-1951 niedergeschrieben, erst 1992 posthum erschienen).¦- "Ein subversiver Engel - wider Willen": Zu Fridrich Dürrenmatts Komödie Ein Engel kommt nach Babylon (1. Fassung 1954, 2. Fassung 1957, Neufassung 1980).¦- Zu drei Engel-Texten von Ilse Aichinger:¦- "Ein errungenes Weihnachten - im Spiel": Zum Romankapitel Das grosse Spiel (6. Kapitel aus dem Roman Die grössere Hoffnung, 1948),¦- "»Habt ihr den Engel gesehen?« - Wenn sich mit den Engeln auf einmal jeder Sinn entzieht": Zur Erzählung Engel in der Nacht (1949; aus dem Band Der Gefesselte),¦- "Ober Verwirrung hinweg - Zur subversiven Poetik eines Engels": Zur Erzâhlung Der Engel (1963; aus dem Band Eliza Eliza).¦Im Schlusskapitel, in dem vergleichende Beobachtungen zu diesen Texten und ihren Analysen, Hervorhebungen der Gemeinsamkeiten und entscheidende poetische Merkmale dieser Texte erwähnt werden, wird nicht das Ziel angestrebt, eine Synthese aus dieser Vielfältigkeit zu machen, die in den verschiedenen Kapiteln zum Vorschein kommt. Vielmehr wird gezeigt, wie fruchtbar die Auseinandersetzung mit Engeln in diesen Texten ist und wie diese Texte sich von ihrem 'Gegenstand' berühren lassen, je auf unterschiedliche Weise.

Suchtprävention bei Jugendlichen : die Rolle der Polizei und der Jugendgerichte

[Inhaltsverzeichnis] Zusammenfassung. 1. Einleitung. 2. Methode. 3. Der rechtliche Rahmen auf Bundesebene. 4. Einblicke in zwei Beispiele der Zusammenarbeit aus dem Ausland. 5. Präsentation der Beispiele. 6. Kurzdarstellung der Interventionsmodelle. 7. Evaluationsfragen. 8. Schlussfolgerungen und Empfehlungen. 9. Anhänge.

Three-dimensional hydrodynamic numerical modelling of fold nappe formation, basement-cover deformation and slab detachment with applications to the helvetic nappe system (W Switzerland)

Many three-dimensional (3-D) structures in rock, which formed during the deformation of the Earth's crust and lithosphere, are controlled by a difference in mechanical strength between rock units and are often the result of a geometrical instability. Such structures are, for example, folds, pinch-and-swell structures (due to necking) or cuspate-lobate structures (mullions). These struc-tures occur from the centimeter to the kilometer scale and the related deformation processes con-trol the formation of, for example, fold-and-thrust belts and extensional sedimentary basins or the deformation of the basement-cover interface. The 2-D deformation processes causing these structures are relatively well studied, however, several processes during large-strain 3-D defor-mation are still incompletely understood. One of these 3-D processes is the lateral propagation of these structures, such as fold and cusp propagation in a direction orthogonal to the shortening direction or neck propagation in direction orthogonal to the extension direction. Especially, we are interested in fold nappes which are recumbent folds with amplitudes usually exceeding 10 km and they have been presumably formed by ductile shearing. They often exhibit a constant sense of shearing and a non-linear increase of shear strain towards their overturned limb. The fold axes of the Morcles fold nappe in western Switzerland plunges to the ENE whereas the fold axes in the more eastern Doldenhorn nappe plunges to the WSW. These opposite plunge direc-tions characterize the Rawil depression (Wildstrubel depression). The Morcles nappe is mainly the result of layer parallel contraction and shearing. During the compression the massive lime-stones were more competent than the surrounding marls and shales, which led to the buckling characteristics of the Morcles nappe, especially in the north-dipping normal limb. The Dolden-horn nappe exhibits only a minor overturned fold limb. There are still no 3-D numerical studies which investigate the fundamental dynamics of the formation of the large-scale 3-D structure including the Morcles and Doldenhorn nappes and the related Rawil depression. We study the 3-D evolution of geometrical instabilities and fold nappe formation with numerical simulations based on the finite element method (FEM). Simulating geometrical instabilities caused by sharp variations of mechanical strength between rock units requires a numerical algorithm that can accurately resolve material interfaces for large differences in material properties (e.g. between limestone and shale) and for large deformations. Therefore, our FE algorithm combines a nu-merical contour-line technique and a deformable Lagrangian mesh with re-meshing. With this combined method it is possible to accurately follow the initial material contours with the FE mesh and to accurately resolve the geometrical instabilities. The algorithm can simulate 3-D de-formation for a visco-elastic rheology. The viscous rheology is described by a power-law flow law. The code is used to study the 3-D fold nappe formation, the lateral propagation of folding and also the lateral propagation of cusps due to initial half graben geometry. Thereby, the small initial geometrical perturbations for folding and necking are exactly followed by the FE mesh, whereas the initial large perturbation describing a half graben is defined by a contour line inter-secting the finite elements. Further, the 3-D algorithm is applied to 3-D viscous nacking during slab detachment. The results from various simulations are compared with 2-D resulats and a 1-D analytical solution. -- On retrouve beaucoup de structures en 3 dimensions (3-D) dans les roches qui ont pour origines une déformation de la lithosphère terrestre. Ces structures sont par exemple des plis, des boudins (pinch-and-swell) ou des mullions (cuspate-lobate) et sont présentés de l'échelle centimétrique à kilométrique. Mécaniquement, ces structures peuvent être expliquées par une différence de résistance entre les différentes unités de roches et sont généralement le fruit d'une instabilité géométrique. Ces différences mécaniques entre les unités contrôlent non seulement les types de structures rencontrées, mais également le type de déformation (thick skin, thin skin) et le style tectonique (bassin d'avant pays, chaîne d'avant pays). Les processus de la déformation en deux dimensions (2-D) formant ces structures sont relativement bien compris. Cependant, lorsque l'on ajoute la troisiéme dimension, plusieurs processus ne sont pas complètement compris lors de la déformation à large échelle. L'un de ces processus est la propagation latérale des structures, par exemple la propagation de plis ou de mullions dans la direction perpendiculaire à l'axe de com-pression, ou la propagation des zones d'amincissement des boudins perpendiculairement à la direction d'extension. Nous sommes particulièrement intéressés les nappes de plis qui sont des nappes de charriage en forme de plis couché d'une amplitude plurikilométrique et étant formées par cisaillement ductile. La plupart du temps, elles exposent un sens de cisaillement constant et une augmentation non linéaire de la déformation vers la base du flanc inverse. Un exemple connu de nappes de plis est le domaine Helvétique dans les Alpes de l'ouest. Une de ces nap-pes est la Nappe de Morcles dont l'axe de pli plonge E-NE tandis que de l'autre côté de la dépression du Rawil (ou dépression du Wildstrubel), la nappe du Doldenhorn (équivalent de la nappe de Morcles) possède un axe de pli plongeant O-SO. La forme particulière de ces nappes est due à l'alternance de couches calcaires mécaniquement résistantes et de couches mécanique-ment faibles constituées de schistes et de marnes. Ces différences mécaniques dans les couches permettent d'expliquer les plissements internes à la nappe, particulièrement dans le flanc inver-se de la nappe de Morcles. Il faut également noter que le développement du flanc inverse des nappes n'est pas le même des deux côtés de la dépression de Rawil. Ainsi la nappe de Morcles possède un important flanc inverse alors que la nappe du Doldenhorn en est presque dépour-vue. A l'heure actuelle, aucune étude numérique en 3-D n'a été menée afin de comprendre la dynamique fondamentale de la formation des nappes de Morcles et du Doldenhorn ainsi que la formation de la dépression de Rawil. Ce travail propose la première analyse de l'évolution 3-D des instabilités géométriques et de la formation des nappes de plis en utilisant des simulations numériques. Notre modèle est basé sur la méthode des éléments finis (FEM) qui permet de ré-soudre avec précision les interfaces entre deux matériaux ayant des propriétés mécaniques très différentes (par exemple entre les couches calcaires et les couches marneuses). De plus nous utilisons un maillage lagrangien déformable avec une fonction de re-meshing (production d'un nouveau maillage). Grâce à cette méthode combinée il nous est possible de suivre avec précisi-on les interfaces matérielles et de résoudre avec précision les instabilités géométriques lors de la déformation de matériaux visco-élastiques décrit par une rhéologie non linéaire (n>1). Nous uti-lisons cet algorithme afin de comprendre la formation des nappes de plis, la propagation latérale du plissement ainsi que la propagation latérale des structures de type mullions causé par une va-riation latérale de la géométrie (p.ex graben). De plus l'algorithme est utilisé pour comprendre la dynamique 3-D de l'amincissement visqueux et de la rupture de la plaque descendante en zone de subduction. Les résultats obtenus sont comparés à des modèles 2-D et à la solution analytique 1-D. -- Viele drei dimensionale (3-D) Strukturen, die in Gesteinen vorkommen und durch die Verfor-mung der Erdkruste und Litosphäre entstanden sind werden von den unterschiedlichen mechani-schen Eigenschaften der Gesteinseinheiten kontrolliert und sind häufig das Resulat von geome-trischen Istabilitäten. Zu diesen strukturen zählen zum Beispiel Falten, Pich-and-swell Struktu-ren oder sogenannte Cusbate-Lobate Strukturen (auch Mullions). Diese Strukturen kommen in verschiedenen Grössenordungen vor und können Masse von einigen Zentimeter bis zu einigen Kilometer aufweisen. Die mit der Entstehung dieser Strukturen verbundenen Prozesse kontrol-lieren die Entstehung von Gerbirgen und Sediment-Becken sowie die Verformung des Kontaktes zwischen Grundgebirge und Stedimenten. Die zwei dimensionalen (2-D) Verformungs-Prozesse die zu den genannten Strukturen führen sind bereits sehr gut untersucht. Einige Prozesse wäh-rend starker 3-D Verformung sind hingegen noch unvollständig verstanden. Einer dieser 3-D Prozesse ist die seitliche Fortpflanzung der beschriebenen Strukturen, so wie die seitliche Fort-pflanzung von Falten und Cusbate-Lobate Strukturen senkrecht zur Verkürzungsrichtung und die seitliche Fortpflanzung von Pinch-and-Swell Strukturen othogonal zur Streckungsrichtung. Insbesondere interessieren wir uns für Faltendecken, liegende Falten mit Amplituden von mehr als 10 km. Faltendecken entstehen vermutlich durch duktile Verscherung. Sie zeigen oft einen konstanten Scherungssinn und eine nicht-lineare zunahme der Scherverformung am überkipp-ten Schenkel. Die Faltenachsen der Morcles Decke in der Westschweiz fallen Richtung ONO während die Faltenachsen der östicher gelegenen Doldenhorn Decke gegen WSW einfallen. Diese entgegengesetzten Einfallrichtungen charakterisieren die Rawil Depression (Wildstrubel Depression). Die Morcles Decke ist überwiegend das Resultat von Verkürzung und Scherung parallel zu den Sedimentlagen. Während der Verkürzung verhielt sich der massive Kalkstein kompetenter als der Umliegende Mergel und Schiefer, was zur Verfaltetung Morcles Decke führ-te, vorallem in gegen Norden eifallenden überkippten Schenkel. Die Doldenhorn Decke weist dagegen einen viel kleineren überkippten Schenkel und eine stärkere Lokalisierung der Verfor-mung auf. Bis heute gibt es keine 3-D numerischen Studien, die die fundamentale Dynamik der Entstehung von grossen stark verformten 3-D Strukturen wie den Morcles und Doldenhorn Decken sowie der damit verbudenen Rawil Depression untersuchen. Wir betrachten die 3-D Ent-wicklung von geometrischen Instabilitäten sowie die Entstehung fon Faltendecken mit Hilfe von numerischen Simulationen basiert auf der Finite Elemente Methode (FEM). Die Simulation von geometrischen Instabilitäten, die aufgrund von Änderungen der Materialeigenschaften zwischen verschiedenen Gesteinseinheiten entstehen, erfortert einen numerischen Algorithmus, der in der Lage ist die Materialgrenzen mit starkem Kontrast der Materialeigenschaften (zum Beispiel zwi-schen Kalksteineinheiten und Mergel) für starke Verfomung genau aufzulösen. Um dem gerecht zu werden kombiniert unser FE Algorithmus eine numerische Contour-Linien-Technik und ein deformierbares Lagranges Netz mit Re-meshing. Mit dieser kombinierten Methode ist es mög-lich den anfänglichen Materialgrenzen mit dem FE Netz genau zu folgen und die geometrischen Instabilitäten genügend aufzulösen. Der Algorithmus ist in der Lage visko-elastische 3-D Ver-formung zu rechnen, wobei die viskose Rheologie mit Hilfe eines power-law Fliessgesetzes beschrieben wird. Mit dem numerischen Algorithmus untersuchen wir die Entstehung von 3-D Faltendecken, die seitliche Fortpflanzung der Faltung sowie der Cusbate-Lobate Strukturen die sich durch die Verkürzung eines mit Sediment gefüllten Halbgraben bilden. Dabei werden die anfänglichen geometrischen Instabilitäten der Faltung exakt mit dem FE Netz aufgelöst wäh-rend die Materialgranzen des Halbgrabens die Finiten Elemente durchschneidet. Desweiteren wird der 3-D Algorithmus auf die Einschnürung während der 3-D viskosen Plattenablösung und Subduktion angewandt. Die 3-D Resultate werden mit 2-D Ergebnissen und einer 1-D analyti-schen Lösung verglichen.

Zins-Spreads als Einnahmequelle für Kantone : Die Abhängigkeit des Passivzinssatzes von den Bruttoschulden und damit einhergehende Renditemöglichkeiten am Kapitalmarkt

Über eine längere Zeitdauer betrachtet, weisen staatliche Schulden tendenziell tiefere Zinssätze respektive Renditen auf als andere auf dem Markt gehandelte papiere, was teilweise durch das geringere Risiko erklärt werden kann (Mehra & Prescott, 2003: S.892). Indem die Abhängigkeit der Schuldzinssätze von den Schuldenquoten der Schweizer Kantone modelliert und in Beziehung zu einer adäquaten Marktrendite gebracht wird, zeigt diese Arbeit, welches Einnahmepotential sich aus diesem Zins-Spread für die Schweizer Kantone ergibt. Zur Schätzung der Zinskurve wird vom Marktgleichgewicht ausgegangen, bei welchem die investoren mit einem Default Premium für einen möglichen Ausfall des Kantons als Schuldner, im Vergleich zu einer risikolosen Anlage, abgegolten werden müssen (Bayoumi, Goldstein und Woglom, 1995: S. 1048-1051). Dazu werden die für den Schweizer Kontext spezifischen Determinanten für die Ausfallswahrscheinlichkeit identifiziert (Daldoss und Foraita, 2003: S. 87). Empirisch überprüft wird dieses Modell anhand eines quantitativen Ansatzes, wobei in erster Linie die Generalisierte Momenten-Methode (GMM) angewandt wird. Als Datenbasis dient hauptsächlich die Finanzstatistik der Eidgenössischen Finanzverwaltung (EFV), wobei alle 26 Schweizer Kantone im Zeitraum von 1981 bis 2011 betrachtet werden. Als Marktrendite wird die durchschnittliche Rendite der Schweizer Pensionskassen verwendet. Mit den verwendeten Daten und Modellen kann die Form der Zinskurve jedoch nicht eindeutig bestimmt werden, was grösstenteils auf die Endogenitätsproblematik zurückzuführen ist. Diese kann aufgrund ungenügender und mangelhafter Instrumente ohne zusätzliche Daten nicht überwunden werden. Folglich kann auch keine optimale Schuldenquote bestimmt werden. Die quantitativen Resultate deuten dennoch auf ein gewisses Einnahmepotential hin. Wie das Fallbeispiel Kanton Aargau zeigt, kann dieses punktuell auch gebraucht werden und findet in der Praxis Anwendung (Anonymer Interviewpartner, 2013).