Environmental changes in the aftermath of Neoproterozoic glaciations: a biogeochemical study of sediments from SW-Gondwana

Abstract The late Neoproterozoic or Ediacaran period, (635 to -543 Ma) is a primordial time in the Earth history corresponding to the beginning of animal life and the most extreme ice ages on Earth. In this dissertation, palaeoenvironmental conditions were reconstructed for Ediacaran, post-Gaskiers shelf deposits in SW- Gondwana and their changes were evaluated according to the diversity of organisms. The present study addresses the question of interactions between biodiversity and environmental change by using the elemental and isotopic geochemistry of sedimentary rocks and associated organic matter, as well as the distribution of hydrocarbon biomarkers. The studied sedimentary sequences are from a large basin extended from the Paraguay belt to the Rio de la Plata craton, including the Corumbâ Group in SW-Brazil (Paraguay belt), the Arroyo del Soldado Group in Uruguay and the Sierras Bayas Group in Argentina (both in the Rio de la Plata craton). Several geochemical signatures of the sediments from Corumbâ and Sierras Bayas groups provides evidence for an euxinic setting in the Ediacaran Ocean: 1) The occurrence of syngenetic pyrite in the Corumbâ Group together with hydrocarbon biomarkers of an anoxic microbial consortium including traces of gammacerane, a distribution of hopanes with maxima at C29 as well as a low pristane/phytane (Pr/Ph) ratio; 2) the occurrence of 34S enrichments within sulfides of the Sierras Bayas Group exceeding the sulfur isotopic composition of coeval carbonate-associated sulfate. In the Arroyo del Soldado Group, an event of reducing conditions was revealed by higher concentrations of redox-sensitive trace elements and negative 513Ccar shifts in all sections. This event is extended to the whole unit in the deepest section and is restricted to tempestites in the two other shallow sections. The persistent negative. ôl3Ccar values recorded at the basinal setting implies strong isotopic gradient between shallow and deep water environments and therefore, a locus of deposition below the redox chemocline. In all studied sections, the excursions, the strong enrichment of authigenic trace-elements, the occurrence of longer chain «-alkanes, gammacerane and low Pr/Ph and Ph/>;-C]a ratios, combined with the previous sedimentological and paleontological observations indicate that the chemistry of the ocean was strongly controlled by the oxygen availability; waters being moderately oxic at the surface and anoxic at depth for much of the Neoproterozoic. This water column stratification was favourable to the storage of large amounts of nutrients in the deep ocean. During upwelling periods, the export of these nutrient-rich waters may have triggered an important bioproductivity in surface waters. Drops in Al3Cc,,.](Cr and positive ôl3Ccllr excursions highlight the increase in primary productivity. Preservation of organic carbon was ensured by reducing conditions at the bottom. The Al3ccar.kcr excursions could also reflect changes in the composition of the primary biomass. New geochemical evidence from SW-Gondwana sections supports a stratified Ediacaran ocean, outside restricted or hypersaline environments, in the aftermath of glaciations. The association of ocean stratification and the appearance of metazoans support the model that the evolution of eukaryotic life was related to the increase of oxygen levels in surface environments due to an efficient recycling of nutrients in the anoxic deep ocean. Résumé Le Néoprotérozoïque terminal, ou Édiacarien (635 à -543 Ma), est un période de première importance dans l'histoire de la Terre, car elle correspond a l'apparition des métazoaires pendant un intervalle de glaciations extrêmes. Le présent mémoire se propose de reconstituer les conditions paléoenvironnementales des dépôts de plateforme mis en place durant l'Édiacarien, au sud-ouest du Gondwana. Les interactions entre changements environnementaux et biodiversité sont évaluées en s'appuyant d'une part sur la composition élémentaire et isotopique des roches sédimentaires et de leur matière organique, et d'autre part sur la distribution moléculaire de biomarqueurs hydrocarbonés. Les séquences sédimentaires étudiées proviennent d'un grand bassin qui s'étend de la chaîne du Paraguay jusqu'au craton du Rio de la Plata. La séquence du Groupe Corumbâ au Sud Ouest du Brésil se situe dans la chaîne du Paraguay, tandis que le Groupe Arroyo del Soldado en Uruguay et le Groupe Sierras Bayas en Argentine sont situés sur le craton du Rio de la Plata. L'étude géochimique des sédiments des groupes Corumbâ et Sierras Bayas révèle de façon claire des conditions euxiniques dans l'océan édiacarien. On trouve ainsi, dans le Groupe Corumbâ, les biomarqueurs d'un cortège microbien anoxique et sulfurique comprenant des bactéries sulfato-réductrices, et dans les sulfures du Groupe Sierras Bayas, des enrichissements en Î4S excédant les rapports isotopiques du soufre dans le sulfate cogénétique associé aux carbonates. Dans la séquence de l'Arroyo del Soldado, un événement réducteur est mis en évidence par des teneurs plus élevées en éléments traces sensibles aux conditions redox et par des excursions négatives du 613Ccardans toutes les coupes. Cet événement affecte la totalité de la section la plus profonde et n'apparaît que dans les tempestites dans les sections les moins profondes. La persistance de valeurs négatives du ô13Ccarau large implique un gradient isotopique prononcé entre les environnements superficiels et profonds, et donc, ta présence d'une chémocline redox. Les excursions du. ôBCcar, l'enrichissement authigène en éléments traces, la présence de gammacérane et de rt-alcanes à longue chaîne, ainsi que de faibles rapports Pr/Ph et Ph/«-Cl8, viennent s'ajouter aux observations préliminaires sur la sédimentologie et la paléontologie pour indiquer que la chimie de l'océan était fortement contrôlée par la disponibilité d'oxygène, les eaux étant modérément oxiques à la surface et anoxiques en profondeur pendant la plus grande partie du Néoprotérozoïque. La stratification de la colonne d'eau était favorable au stockage de grandes quantités de nutriments dans l'océan profond. Dans les zones d'upwelling, la migration d'eaux profondes riches en nutriment vers la surface a pu provoquer une bioproductivité prononcée dans les eaux de surface. La conservation du carbone organique était assurée par les conditions anoxiques prévalant au fond. Les excursions du A13Ccar.kt.r pourraient aussi refléter des changements dans la biomasse primaire. Le présent travail apporte donc de nouvelles preuves qu'un océan stratifié s'est maintenu à la suite des glaciations néoprotérozoïques dans le Sud Ouest du Gondwana. L'association d'un océan stratifié et de l'apparition de la vie animale est en accord avec le modèle stipulant que l'évolution de la vie est associée à une meilleure oxygénation des environnements de surface. Résumé pour le grand public La période Ediacarienne (635 à -543 Ma) à la fin du Précambrien est l'une de plus énigmatiques dans l'histoire de la Terre, car elle est caractérisée par la diversification de la vie multicellulaire (eucaryote) pendant un intervalle de glaciations extrêmes. Dans ce travail de thèse, nous cherchons à déceler l'existence éventuelle d'un lien entre ces changements environnementaux et l'évolution de la vie eucaryote à travers une étude biogéochimique. La biogéochimie est l'étude des activités biologiques dans la géosphère, telles que celles intervenant dans les cycles des éléments chimiques (y compris les isotopes stables) et celles de production de composés carbonés caractérisant certains groups d'organismes ou taxons. La recherche des signatures paléoenvironnementales dans les roches précambriennes a été fortement facilitée par l'utilisation des biomarqueurs ou fossiles moléculaires. Ces composés, provenant des lipides biologiques (molécules avec des fonctions spécifiques dans les organismes), peuvent être reliés à des taxons spécifiques ou à des voies métaboliques. La transformation d'un biolipide en fossile moléculaire intervient lorsque des restes organiques déposés dans un substrat subissent un enfouissement et une augmentation de la pression (diagenèse). Ce processus mène à la formation de kérogène, un grand agrégat chimique de matière organique insoluble dans des solvants organiques, et de bitume ou fraction soluble (extractible) de la matière organique. L'analyse intégrée du kérogène et du bitume fournit des indications précieuses pour les reconstitutions paléoenvironnementales. Des conditions paléoenvironnementales ont ainsi été déterminées pour une plateforme marine Ediacarienne située dans la partie sud-américaine du bloc occidental du paléocontinent Gondwana. Les séquences sédimentaires étudiées appartiennent au même bassin qui s'étend de la ceinture du Paraguay (Groupe Corumbâ, Brésil) au craton du Rio de la Plata (Groupes Arroyo del Soldado, Uruguay et Sierras Bayas, Argentina). Nous nous sommes intéressés aux isotopes stables de carbonates et de la matière organique associée (kérogène et bitume), aux éléments majeurs et traces, ainsi qu'aux biomarqueurs caractérisant ces roches. Les résultats de cette dissertation suggèrent qu'au cours de l'Édiacarien, suite aux glaciations néoprotérozoïques dans le bloc occidental du Gondwana, l'océan était stratifié en zones spécifiques d'eaux riches en sulfures et dépourvues d'oxygène (euxiniques). L'association d'un océan stratifié et de l'apparition de la vie animale est en accord avec le modèle stipulant que l'évolution de la vie est associée à une meilleure oxygénation des environnements de surface. Les excursions isotopiques (tendance à des valeurs positives ou négatives) en constante fluctuation pour le carbone et très positives pour le soufre des sulfures, l'enrichissement en éléments trace et la présence de certains composés (e.g. gammacerane; Pr/Ph et Ph/«-Ci8 en basse proportion) conjugués aux observations sédimentologiques et paléontologiques des différents profils étudiés indiquent que la chimie de l'océan était fortement contrôlée par la disponibilité d'oxygène, avec des eaux modérément oxygénées en surface et euxiniques en profondeur pour la plupart du Néoprotérozoïque.

The evolution, maintenance and adaptive function of genetic colour polymorphism in birds.

The hypothesis that ornaments can honestly signal quality only if their expression is condition-dependent has dominated the study of the evolution and function of colour traits. Much less interest has been devoted to the adaptive function of colour traits for which the expression is not, or is to a low extent, sensitive to body condition and the environment in which individuals live. The aim of the present paper is to review the current theoretical and empirical knowledge of the evolution, maintenance and adaptive function of colour plumage traits for which the expression is mainly under genetic control. The finding that in many bird species the inheritance of colour morphs follows the laws of Mendel indicates that genetic colour polymorphism is frequent. Polymorphism may have evolved or be maintained because each colour morph facilitates the exploitation of alternative ecological niches as suggested by the observation that individuals are not randomly distributed among habitats with respect to coloration. Consistent with the hypothesis that different colour morphs are linked to alternative strategies is the finding that in a majority of species polymorphism is associated with reproductive parameters, and behavioural, life-history and physiological traits. Experimental studies showed that such covariations can have a genetic basis. These observations suggest that colour polymorphism has an adaptive function. Aviary and field experiments demonstrated that colour polymorphism is used as a criterion in mate-choice decisions and dominance interactions confirming the claim that conspecifics assess each other's colour morphs. The factors favouring the evolution and maintenance of genetic variation in coloration are reviewed, but empirical data are virtually lacking to assess their importance. Although current theory predicts that only condition-dependent traits can signal quality, the present review shows that genetically inherited morphs can reveal the same qualities. The study of genetic colour polymorphism will provide important and original insights on the adaptive function of conspicuous traits.

Inbreeding load, bet hedging, and the evolution of sex-biased dispersal

Inbreeding load affects not only the average fecundity of philopatric individuals but also its variance. From bet-hedging theory, this should add further dispersal pressures to those stemming from the mere avoidance of inbreeding. Pressures on both sexes are identical under monogamy or promiscuity. Under polygyny, by contrast, the variance in reproductive output decreases with dispersal rate in females but increases in males, which should induce a female-biased dispersal. To test this prediction, we performed individual-based simulations. From our results, a female-biased dispersal indeed emerges as both polygyny and inbreeding load increase. We conclude that sex-biased dispersal may be selected for as a bet-hedging strategy.

Geochemical evolution of active porphyry copper tailings impoundments : from alkaline deposition towards acidification

J. Smuda: Geochemical evolution of active porphyry copper tailings impoundments Thesis abstract Mine waste is the largest volume of materials handled in the world. The oxidation of sulfidic mine waste may result in the release of acid mine drainage (AMD) rich in heavy metals and arsenic to the environment, one of the major problems the mining industry is facing today. To control and reduce this environmental impact, it is crucial to identify the main geochemical and hydrological processes influencing contaminant liberation, transport, and retention. This thesis presents the results of a geochemical, mineralogical and stable isotope study (δ2H, δ18O, δ34S) from two active porphyry copper tailings impoundments in Mediterranean (Carén tailings impoundment, El Teniente mine, Central Chile) and hyper-arid climate (Talabre tailings impoundment, Chuquicamata, Northern Chile) from the deposition in alkaline environment (pH 10.5) towards acidification after several years of exposure. The major hydrological results were the identification of vertical contaminant and water transport in the uppermost, not water-saturated zone, triggered by capillary rise due to evaporation, and infiltration downwards due to new tailings deposition, and of horizontal transport in the groundwater zone. At the surface of the sedimented tailings, evaporation of pore water led to the precipitation of Na-Ca-Mg sulfates (e.g., gypsum, tenorite), in hyper-arid climate also halite. At the Carén tailings impoundment, renewed deposition in a 4-week interval inhibited a pH decrease below neutral values and the formation of an efflorescent salt crust. At the Talabre tailings impoundment, deposition breaks of several years resulted in the formation of acidic oxidation zones in the timeframe of less than 4 years. This process enabled the transport of liberated Cu, Zn, and Fe via capillary rise to the surface, where these metals precipitated as heavy-metal sulfates (e.g., devilline, krohnkite) and chlorides (eriochalcite, atacamite). Renewed depositing may dissolve efflorescent salts and transport liberated elements towards the groundwater zone. This zone was found to be highly dynamic due to infiltration and mixing with water from different sources, like groundwater, catchment water, and infiltration from superficial waters. There, Cu was found to be partially mobile due to complexation with Cl (in Cl-rich groundwater, Talabre) and dissolved organic matter (in zones with infiltration of catchment water rich in dissolved organic matter, Carén). A laboratory study on the isotopic fractionation of sulfur and oxygen of sulfate in different minerals groups (water-soluble sulfates, low- and high-crystalline Fe(III) oxyhydroxides) contributed to the use of stable isotopes as tracer of geochemical and transport processes for environmental studies. The results highlight that a detailed geochemical, stable isotope and mineralogical study permits the identification of contamination processes and pathways already during the deposition of mine tailings. This knowledge allows the early planning of adequate actions to reduce and control the environmental impact during tailings deposition and after the closing of the impoundment. J. Smuda: Geochemical evolution of active porphyry copper tailings impoundments Résumé de these Les déchets miniers constituent les plus grands volumes de matériel gérés dans le monde. L'oxydation des déchets miniers sulfuriques peut conduire à la libération de drainages miniers acides (DMA) riches en métaux et arsenic dans l'environnement, ce qui est l'un des principaux problèmes de l'industrie minière aujourd'hui. Pour contrôler et réduire ces impacts sur l'environnement, il est crucial d'identifier les principaux processus géochimiques et hydrologiques influençant la libération, le transport et la rétention des contaminants. Cette thèse présente les résultats d'une étude géochimique, minéralogique et des isotopes stables (δ2H, δ18O, δ34S) sur des déchets miniers de 2 sites de dépôt actifs en climat méditerranéen (Dépôt de déchets de Carén, mine de El Teniente, Centre du Chili) et en climat hyper-aride (Dépôt de déchets de Talabre, mine de Chuquicamata, Nord du Chili). L'objectif était d'étudier l'évolution des déchets de la déposition en milieu alcalin (pH = 10.5) vers l'acidification après plusieurs années d'exposition. Le principal résultat hydrologique a été l'identification de 2 types de transport : un transport vertical de l'eau et des contaminants dans la zone non saturée en surface, induit par la montée capillaire due à l'évaporation et par l'infiltration subséquente de la déposition de sédiments frais ; et un transport horizontal dans la zone des eaux souterraines. À la surface des déchets, l'évaporation de l'eau interstitielle conduit à la précipitation de sulfates de Na-Ca-Mg (ex. gypse, ténorite) et halite en climat hyper-aride. Dans le site de Carén, une nouvelle déposition de déchets frais à 4 semaines intervalle a empêché la baise du pH en deçà des valeurs neutres et la formation d'une croûte de sels efflorescentes en surface. Dans le site de Talabre, les fentes de dessiccation des dépôts ont entraîné la formation d'une zone d'oxydation à pH acide en moins de 4 ans. Ce processus a permis la libération et le transport par capillarité de Cu, Zn, Fe vers la surface, où ces éléments précipitent sous forme de sulfates de métaux lourds (ex., dévilline, krohnkite) de chlorures (ex. ériochalcite, atacamite). Une nouvelle déposition de sédiments frais pourrait dissoudre ces sels et les transporter vers la zone des eaux souterraines. Cette dernière zone était très dynamique en raison du mélange d'eaux provenant de différentes sources, comme les eaux souterraines, l'eau de captage et l'infiltration des eaux superficielles. Egalement dans cette zone, le cuivre était partiellement mobile à cause de la formation de complexe avec le chlore (dans les zone riche en Cl, Talabre) et avec la matière organique dissoute (dans les zones où s'infiltre l'eau de captage riche en matière organique, Carén). Une étude en laboratoire sur le fractionnement des isotopes stables de sulfure et d'oxygène des sulfates dans différents groupes de minéraux (sulfates hydrosolubles, sulfures de oxy-hydroxyde de Fe(III) faiblement ou fortement cristallins) a permis d'apporter une contribution à leur utilisation comme traceurs dans l'étude des processus géochimiques et de transport lors d'études environnementales. Les résultats montrent qu'une étude détaillée de la géochimie, des isotopes stables et de la minéralogie permet d'identifier les processus et les voies de contamination déjà pendant la période de dépôt des déchets miniers. Cette connaissance permet de planifier, dès le début de l'exploitation, des mesures adéquates pour réduire et contrôler l'impact sur l'environnement pendant la période de dépôts de déchets miniers et après la fermeture du site.

Is our heart a well-designed pump? The heart along animal evolution.

A carrier system for gases and nutrients became mandatory when primitive animals grew larger and developed different organs. The first circulatory systems are peristaltic tubes pushing slowly the haemolymph into an open vascular tree without capillaries (worms). Arthropods developed contractile bulges on the abdominal aorta assisted by accessory hearts for wings or legs and by abdominal respiratory motions. Two-chamber heart (atrium and ventricle) appeared among mollusks. Vertebrates have a multi-chamber heart and a closed circulation with capillaries. Their heart has two chambers in fishes, three chambers (two atria and one ventricle) in amphibians and reptiles, and four chambers in birds and mammals. The ventricle of reptiles is partially divided in two cavities by an interventricular septum, leaving only a communication of variable size leading to a variable shunt. Blood pressure increases progressively from 15 mmHg (worms) to 170/70 mmHg (birds) according to the increase in metabolic rate. When systemic pressure exceeds 50 mmHg, a lower pressure system appears for the circulation through gills or lungs in order to improve gas exchange. A four-chamber heart allows a complete separation of systemic and pulmonary circuits. This review describes the circulatory pumping systems used in the different classes of animals, their advantages and failures, and the way they have been modified with evolution.

Social evolution: war of the worms.

The discovery of a non-reproductive soldier caste in a clonally reproducing trematode greatly extends the taxonomic distribution of eusociality and reaffirms the importance of relatedness in the evolution of reproductive altruism.

Evolution of the neurochemical profile after transient focal cerebral ischemia in the mouse brain.

Evolution of the neurochemical profile consisting of 19 metabolites after 30 mins of middle cerebral artery occlusion was longitudinally assessed at 3, 8 and 24 h in 6 to 8 microL volumes in the striatum using localized 1H-magnetic resonance spectroscopy at 14.1 T. Profound changes were detected as early as 3 h after ischemia, which include elevated lactate levels in the presence of significant glucose concentrations, decreases in glutamate and a transient twofold glutamine increase, likely to be linked to the excitotoxic release of glutamate and conversion into glial glutamine. Interestingly, decreases in N-acetyl-aspartate (NAA), as well as in taurine, exceeded those in neuronal glutamate, suggesting that the putative neuronal marker NAA is rather a sensitive marker of neuronal viability. With further ischemia evolution, additional, more profound concentration decreases were detected, reflecting a disruption of cellular functions. We conclude that early changes in markers of energy metabolism, glutamate excitotoxicity and neuronal viability can be detected with high precision non-invasively in mice after stroke. Such investigations should lead to a better understanding and insight into the sequential early changes in the brain parenchyma after ischemia, which could be used for identifying new targets for neuroprotection.

Evolution of Coordination in Social Networks: A Numerical Study

Coordination games are important to explain efficient and desirable social behavior. Here we study these games by extensive numerical simulation on networked social structures using an evolutionary approach. We show that local network effects may promote selection of efficient equilibria in both pure and general coordination games and may explain social polarization. These results are put into perspective with respect to known theoretical results. The main insight we obtain is that clustering, and especially community structure in social networks has a positive role in promoting socially efficient outcomes.

The evolution of the thyroid hormone distributor protein transthyretin in the order insectivora, class mammalia.

Thyroid hormones are involved in the regulation of growth and metabolism in all vertebrates. Transthyretin is one of the extracellular proteins with high affinity for thyroid hormones which determine the partitioning of these hormones between extracellular compartments and intracellular lipids. During vertebrate evolution, both the tissue pattern of expression and the structure of the gene for transthyretin underwent characteristic changes. The purpose of this study was to characterize the position of Insectivora in the evolution of transthyretin in eutherians, a subclass of Mammalia. Transthyretin was identified by thyroxine binding and Western analysis in the blood of adult shrews, hedgehogs, and moles. Transthyretin is synthesized in the liver and secreted into the bloodstream, similar to the situation for other adult eutherians, birds, and diprotodont marsupials, but different from that for adult fish, amphibians, reptiles, monotremes, and Australian polyprotodont marsupials. For the characterization of the structure of the gene and the processing of mRNA for transthyretin, cDNA libraries were prepared from RNA from hedgehog and shrew livers, and full-length cDNA clones were isolated and sequenced. Sections of genomic DNA in the regions coding for the splice sites between exons 1 and 2 were synthesized by polymerase chain reaction and sequenced. The location of splicing was deduced from comparison of genomic with cDNA nucleotide sequences. Changes in the nucleotide sequence of the transthyretin gene during evolution are most pronounced in the region coding for the N-terminal region of the protein. Both the derived overall amino sequences and the N-terminal regions of the transthyretins in Insectivora were found to be very similar to those in other eutherians but differed from those found in marsupials, birds, reptiles, amphibians, and fish. Also, the pattern of transthyretin precursor mRNA splicing in Insectivora was more similar to that in other eutherians than to that in marsupials, reptiles, and birds. Thus, in contrast to the marsupials, with a different pattern of transthyretin gene expression in the evolutionarily "older" polyprotodonts compared with the evolutionarily "younger" diprotodonts, no separate lineages of transthyretin evolution could be identified in eutherians. We conclude that transthyretin gene expression in the liver of adult eutherians probably appeared before the branching of the lineages leading to modern eutherian species.