Fast and Rigorous Computation of Gene and Pathway Scores from SNP-Based Summary Statistics.

Integrating single nucleotide polymorphism (SNP) p-values from genome-wide association studies (GWAS) across genes and pathways is a strategy to improve statistical power and gain biological insight. Here, we present Pascal (Pathway scoring algorithm), a powerful tool for computing gene and pathway scores from SNP-phenotype association summary statistics. For gene score computation, we implemented analytic and efficient numerical solutions to calculate test statistics. We examined in particular the sum and the maximum of chi-squared statistics, which measure the strongest and the average association signals per gene, respectively. For pathway scoring, we use a modified Fisher method, which offers not only significant power improvement over more traditional enrichment strategies, but also eliminates the problem of arbitrary threshold selection inherent in any binary membership based pathway enrichment approach. We demonstrate the marked increase in power by analyzing summary statistics from dozens of large meta-studies for various traits. Our extensive testing indicates that our method not only excels in rigorous type I error control, but also results in more biologically meaningful discoveries.

Essays in equilibrium asset pricing

This thesis consists of four essays in equilibrium asset pricing. The main topic is investors' heterogeneity: I investigates the equilibrium implications for the financial markets when investors have different attitudes toward risk. The first chapter studies why expected risk and remuneration on the aggregate market are negatively related, even if intuition and standard theory suggest a positive relation. I show that the negative trade-off can obtain in equilibrium if investors' beliefs about economic fundamentals are procyclically biased and the market Sharpe ratio is countercyclical. I verify that such conditions hold in the real markets and I find empirical support for the risk-return dynamics predicted by the model. The second chapter consists of two essays. The first essay studies how het¬erogeneity in risk preferences interacts with other sources of heterogeneity and how this affects asset prices in equilibrium. Using perceived macroeconomic un¬certainty as source of heterogeneity, the model helps to explain some patterns of financial returns, even if heterogeneity is small as suggested by survey data. The second essay determines conditions such that equilibrium prices have analytical solutions when investors have heterogeneous risk attitudes and macroeconomic fundamentals feature latent uncertainty. This approach provides additional in-sights to the previous literature where models require numerical solutions. The third chapter studies why equity claims (i.e. assets paying a single future dividend) feature premia and risk decreasing with the horizon, even if standard models imply the opposite shape. I show that labor relations helps to explain the puzzle. When workers have bargaining power to exploit partial income insurance within the firm, wages are smoother and dividends are riskier than in a standard economy. Distributional risk among workers and shareholders provides a rationale to the equity short-term risk, which leads to downward sloping term structures of premia and risk for equity claim. Résumé Cette thèse se compose de quatre essais dans l'évaluation des actifs d'équilibre. Le sujet principal est l'hétérogénéité des investisseurs: J'étudie les implications d'équilibre pour les marchés financiers où les investisseurs ont des attitudes différentes face au risque. Le première chapitre étudie pourquoi attendus risque et la rémunération sur le marché global sont liées négativement, même si l'intuition et la théorie standard suggèrent une relation positive. Je montre que le compromis négatif peut obtenir en équilibre si les croyances des investisseurs sur les fondamentaux économiques sont procyclique biaisées et le ratio de Sharpe du marché est anticyclique. Je vérifier que ces conditions sont réalisées dans les marchés réels et je trouve un appui empirique à la dynamique risque-rendement prédites par le modèle. Le deuxième chapitre se compose de deux essais. Le première essai étudie com¬ment hétérogénéité dans les préférences de risque inter agit avec d'autres sources d'hétérogénéité et comment cela affecte les prix des actifs en équilibre. Utili¬sation de l'incertitude macroéconomique perù comme source d'hétérogénéité, le modèle permet d'expliquer certaines tendances de rendements financiers, même si l'hétérogénéité est faible comme suggéré par les données d'enquête. Le deuxième essai détermine des conditions telles que les prix d'équilibre disposer de solutions analytiques lorsque les investisseurs ont des attitudes des risques hétérogènes et les fondamentaux macroéconomiques disposent d'incertitude latente. Cette approche fournit un éclairage supplémentaire à la littérature antérieure où les modèles nécessitent des solutions numériques. Le troisième chapitre étudie pourquoi les equity-claims (actifs que paient un seul dividende futur) ont les primes et le risque décroissante avec l'horizon, mme si les modèles standards impliquent la forme opposée. Je montre que les relations de travail contribue à expliquer l'énigme. Lorsque les travailleurs ont le pouvoir de négociation d'exploiter assurance revenu partiel dans l'entreprise, les salaires sont plus lisses et les dividendes sont plus risqués que dans une économie standard. Risque de répartition entre les travailleurs et les actionnaires fournit une justification à le risque à court terme, ce qui conduit à des term-structures en pente descendante des primes et des risques pour les equity-claims.

Devolatilization-induced pressure build-up: Implications for reaction front movement and breccia pipe formation

Generation of fluids during metamorphism can significantly influence the fluid overpressure, and thus the fluid flow in metamorphic terrains. There is currently a large focus on developing numerical reactive transport models, and with it follows the need for analytical solutions to ensure correct numerical implementation. In this study, we derive both analytical and numerical solutions to reaction-induced fluid overpressure, coupled to temperature and fluid flow out of the reacting front. All equations are derived from basic principles of conservation of mass, energy and momentum. We focus on contact metamorphism, where devolatilization reactions are particularly important owing to high thermal fluxes allowing large volumes of fluids to be rapidly generated. The analytical solutions reveal three key factors involved in the pressure build-up: (i) The efficiency of the devolatilizing reaction front (pressure build-up) relative to fluid flow (pressure relaxation), (ii) the reaction temperature relative to the available heat in the system and (iii) the feedback of overpressure on the reaction temperature as a function of the Clapeyron slope. Finally, we apply the model to two geological case scenarios. In the first case, we investigate the influence of fluid overpressure on the movement of the reaction front and show that it can slow down significantly and may even be terminated owing to increased effective reaction temperature. In the second case, the model is applied to constrain the conditions for fracturing and inferred breccia pipe formation in organic-rich shales owing to methane generation in the contact aureole.

Integrated application of geochemical and geophysical methods for hydrogeological impact assessment for tunneling in fractured rock

The interaction of tunneling with groundwater is a problem both from an environmental and an engineering point of view. In fact, tunnel drilling may cause a drawdown of piezometric levels and water inflows into tunnels that may cause problems during excavation of the tunnel. While the influence of tunneling on the regional groundwater systems may be adequately predicted in porous media using analytical solutions, such an approach is difficult to apply in fractured rocks. Numerical solutions are preferable and various conceptual approaches have been proposed to describe and model groundwater flow through fractured rock masses, ranging from equivalent continuum models to discrete fracture network simulation models. However, their application needs many preliminary investigations on the behavior of the groundwater system based on hydrochemical and structural data. To study large scale flow systems in fractured rocks of mountainous terrains, a comprehensive study was conducted in southern Switzerland, using as case studies two infrastructures actually under construction: (i) the Monte Ceneri base railway tunnel (Ticino), and the (ii) San Fedele highway tunnel (Roveredo, Graubiinden). The chosen approach in this study combines the temporal and spatial variation of geochemical and geophysical measurements. About 60 localities from both surface and underlying tunnels were temporarily and spatially monitored during more than one year. At first, the project was focused on the collection of hydrochemical and structural data. A number of springs, selected in the area surrounding the infrastructures, were monitored for discharge, electric conductivity, pH, and temperature. Water samples (springs, tunnel inflows and rains) were taken for isotopic analysis; in particular the stable isotope composition (δ2Η, δ180 values) can reflect the origin of the water, because of spatial (recharge altitude, topography, etc.) and temporal (seasonal) effects on precipitation which in turn strongly influence the isotopic composition of groundwater. Tunnel inflows in the accessible parts of the tunnels were also sampled and, if possible, monitored with time. Noble-gas concentrations and their isotope ratios were used in selected locations to better understand the origin and the circulation of the groundwater. In addition, electrical resistivity and VLF-type electromagnetic surveys were performed to identify water bearing fractures and/or weathered areas that could be intersected at depth during tunnel construction. The main goal of this work was to demonstrate that these hydrogeological data and geophysical methods, combined with structural and hydrogeological information, can be successfully used in order to develop hydrogeological conceptual models of the groundwater flow in regions to be exploited for tunnels. The main results of the project are: (i) to have successfully tested the application of electrical resistivity and VLF-electromagnetic surveys to asses water-bearing zones during tunnel drilling; (ii) to have verified the usefulness of noble gas, major ion and stable isotope compositions as proxies for the detection of faults and to understand the origin of the groundwater and its flow regimes (direct rain water infiltration or groundwater of long residence time); and (iii) to have convincingly tested the combined application of a geochemical and geophysical approach to assess and predict the vulnerability of springs to tunnel drilling. - L'interférence entre eaux souterraines et des tunnels pose des problèmes environnementaux et de génie civile. En fait, la construction d'un tunnel peut faire abaisser le niveau des nappes piézométriques et faire infiltrer de l'eau dans le tunnel et ainsi créer des problème pendant l'excavation. Alors que l'influence de la construction d'un tunnel sur la circulation régionale de l'eau souterraine dans des milieux poreux peut être prédite relativement facilement par des solution analytiques de modèles, ceci devient difficile dans des milieux fissurés. Dans ce cas-là, des solutions numériques sont préférables et plusieurs approches conceptuelles ont été proposées pour décrire et modéliser la circulation d'eau souterraine à travers les roches fissurées, en allant de modèles d'équivalence continue à des modèles de simulation de réseaux de fissures discrètes. Par contre, leur application demande des investigations importantes concernant le comportement du système d'eau souterraine basées sur des données hydrochimiques et structurales. Dans le but d'étudier des grands systèmes de circulation d'eau souterraine dans une région de montagnes, une étude complète a été fait en Suisse italienne, basée sur deux grandes infrastructures actuellement en construction: (i) Le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri (Tessin) et (ii) le tunnel routière de San Fedele (Roveredo, Grisons). L'approche choisie dans cette étude est la combinaison de variations temporelles et spatiales des mesures géochimiques et géophysiques. Environs 60 localités situées à la surface ainsi que dans les tunnels soujacents ont été suiviès du point de vue temporel et spatial pendant plus de un an. Dans un premier temps le projet se focalisait sur la collecte de données hydrochimiques et structurales. Un certain nombre de sources, sélectionnées dans les environs des infrastructures étudiées ont été suivies pour le débit, la conductivité électrique, le pH et la température. De l'eau (sources, infiltration d'eau de tunnel et pluie) a été échantillonnés pour des analyses isotopiques; ce sont surtout les isotopes stables (δ2Η, δ180) qui peuvent indiquer l'origine d'une eaux, à cause de la dépendance d'effets spatiaux (altitude de recharge, topographie etc.) ainsi que temporels (saisonaux) sur les précipitations météoriques , qui de suite influencent ainsi la composition isotopique de l'eau souterraine. Les infiltrations d'eau dans les tunnels dans les parties accessibles ont également été échantillonnées et si possible suivies au cours du temps. La concentration de gaz nobles et leurs rapports isotopiques ont également été utilisées pour quelques localités pour mieux comprendre l'origine et la circulation de l'eau souterraine. En plus, des campagnes de mesures de la résistivité électrique et électromagnétique de type VLF ont été menées afin d'identifier des zone de fractures ou d'altération qui pourraient interférer avec les tunnels en profondeur pendant la construction. Le but principal de cette étude était de démontrer que ces données hydrogéologiques et géophysiques peuvent être utilisées avec succès pour développer des modèles hydrogéologiques conceptionels de tunnels. Les résultats principaux de ce travail sont : i) d'avoir testé avec succès l'application de méthodes de la tomographie électrique et des campagnes de mesures électromagnétiques de type VLF afin de trouver des zones riches en eau pendant l'excavation d'un tunnel ; ii) d'avoir prouvé l'utilité des gaz nobles, des analyses ioniques et d'isotopes stables pour déterminer l'origine de l'eau infiltrée (de la pluie par le haut ou ascendant de l'eau remontant des profondeurs) et leur flux et pour déterminer la position de failles ; et iii) d'avoir testé d'une manière convainquant l'application combinée de méthodes géochimiques et géophysiques pour juger et prédire la vulnérabilité de sources lors de la construction de tunnels. - L'interazione dei tunnel con il circuito idrico sotterraneo costituisce un problema sia dal punto di vista ambientale che ingegneristico. Lo scavo di un tunnel puô infatti causare abbassamenti dei livelli piezometrici, inoltre le venute d'acqua in galleria sono un notevole problema sia in fase costruttiva che di esercizio. Nel caso di acquiferi in materiale sciolto, l'influenza dello scavo di un tunnel sul circuito idrico sotterraneo, in genere, puô essere adeguatamente predetta attraverso l'applicazione di soluzioni analitiche; al contrario un approccio di questo tipo appare inadeguato nel caso di scavo in roccia. Per gli ammassi rocciosi fratturati sono piuttosto preferibili soluzioni numeriche e, a tal proposito, sono stati proposti diversi approcci concettuali; nella fattispecie l'ammasso roccioso puô essere modellato come un mezzo discreto ο continuo équivalente. Tuttavia, una corretta applicazione di qualsiasi modello numerico richiede necessariamente indagini preliminari sul comportamento del sistema idrico sotterraneo basate su dati idrogeochimici e geologico strutturali. Per approfondire il tema dell'idrogeologia in ammassi rocciosi fratturati tipici di ambienti montani, è stato condotto uno studio multidisciplinare nel sud della Svizzera sfruttando come casi studio due infrastrutture attualmente in costruzione: (i) il tunnel di base del Monte Ceneri (canton Ticino) e (ii) il tunnel autostradale di San Fedele (Roveredo, canton Grigioni). L'approccio di studio scelto ha cercato di integrare misure idrogeochimiche sulla qualité e quantité delle acque e indagini geofisiche. Nella fattispecie sono state campionate le acque in circa 60 punti spazialmente distribuiti sia in superficie che in sotterraneo; laddove possibile il monitoraggio si è temporalmente prolungato per più di un anno. In una prima fase, il progetto di ricerca si è concentrato sull'acquisizione dati. Diverse sorgenti, selezionate nelle aree di possibile influenza attorno allé infrastrutture esaminate, sono state monitorate per quel che concerne i parametri fisico-chimici: portata, conduttività elettrica, pH e temperatura. Campioni d'acqua sono stati prelevati mensilmente su sorgenti, venute d'acqua e precipitazioni, per analisi isotopiche; nella fattispecie, la composizione in isotopi stabili (δ2Η, δ180) tende a riflettere l'origine delle acque, in quanto, variazioni sia spaziali (altitudine di ricarica, topografia, etc.) che temporali (variazioni stagionali) della composizione isotopica delle precipitazioni influenzano anche le acque sotterranee. Laddove possibile, sono state campionate le venute d'acqua in galleria sia puntualmente che al variare del tempo. Le concentrazioni dei gas nobili disciolti nell'acqua e i loro rapporti isotopici sono stati altresi utilizzati in alcuni casi specifici per meglio spiegare l'origine delle acque e le tipologie di circuiti idrici sotterranei. Inoltre, diverse indagini geofisiche di resistività elettrica ed elettromagnetiche a bassissima frequenza (VLF) sono state condotte al fine di individuare le acque sotterranee circolanti attraverso fratture dell'ammasso roccioso. Principale obiettivo di questo lavoro è stato dimostrare come misure idrogeochimiche ed indagini geofisiche possano essere integrate alio scopo di sviluppare opportuni modelli idrogeologici concettuali utili per lo scavo di opere sotterranee. I principali risultati ottenuti al termine di questa ricerca sono stati: (i) aver testato con successo indagini geofisiche (ERT e VLF-EM) per l'individuazione di acque sotterranee circolanti attraverso fratture dell'ammasso roccioso e che possano essere causa di venute d'acqua in galleria durante lo scavo di tunnel; (ii) aver provato l'utilità di analisi su gas nobili, ioni maggiori e isotopi stabili per l'individuazione di faglie e per comprendere l'origine delle acque sotterranee (acque di recente infiltrazione ο provenienti da circolazioni profonde); (iii) aver testato in maniera convincente l'integrazione delle indagini geofisiche e di misure geochimiche per la valutazione della vulnérabilité delle sorgenti durante lo scavo di nuovi tunnel. - "La NLFA (Nouvelle Ligne Ferroviaire à travers les Alpes) axe du Saint-Gothard est le plus important projet de construction de Suisse. En bâtissant la nouvelle ligne du Saint-Gothard, la Suisse réalise un des plus grands projets de protection de l'environnement d'Europe". Cette phrase, qu'on lit comme présentation du projet Alptransit est particulièrement éloquente pour expliquer l'utilité des nouvelles lignes ferroviaires transeuropéens pour le développement durable. Toutefois, comme toutes grandes infrastructures, la construction de nouveaux tunnels ont des impacts inévitables sur l'environnement. En particulier, le possible drainage des eaux souterraines réalisées par le tunnel peut provoquer un abaissement du niveau des nappes piézométriques. De plus, l'écoulement de l'eau à l'intérieur du tunnel, conduit souvent à des problèmes d'ingénierie. Par exemple, d'importantes infiltrations d'eau dans le tunnel peuvent compliquer les phases d'excavation, provoquant un retard dans l'avancement et dans le pire des cas, peuvent mettre en danger la sécurité des travailleurs. Enfin, l'infiltration d'eau peut être un gros problème pendant le fonctionnement du tunnel. Du point de vue de la science, avoir accès à des infrastructures souterraines représente une occasion unique d'obtenir des informations géologiques en profondeur et pour échantillonner des eaux autrement inaccessibles. Dans ce travail, nous avons utilisé une approche pluridisciplinaire qui intègre des mesures d'étude hydrogéochimiques effectués sur les eaux de surface et des investigations géophysiques indirects, tels que la tomographic de résistivité électrique (TRE) et les mesures électromagnétiques de type VLF. L'étude complète a été fait en Suisse italienne, basée sur deux grandes infrastructures actuellement en construction, qui sont le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri, une partie du susmentionné projet Alptransit, situé entièrement dans le canton Tessin, et le tunnel routière de San Fedele, situé a Roveredo dans le canton des Grisons. Le principal objectif était de montrer comment il était possible d'intégrer les deux approches, géophysiques et géochimiques, afin de répondre à la question de ce que pourraient être les effets possibles dû au drainage causés par les travaux souterrains. L'accès aux galeries ci-dessus a permis une validation adéquate des enquêtes menées confirmant, dans chaque cas, les hypothèses proposées. A cette fin, nous avons fait environ 50 profils géophysiques (28 imageries électrique bidimensionnels et 23 électromagnétiques) dans les zones de possible influence par le tunnel, dans le but d'identifier les fractures et les discontinuités dans lesquelles l'eau souterraine peut circuler. De plus, des eaux ont été échantillonnés dans 60 localités situées la surface ainsi que dans les tunnels subjacents, le suivi mensuelle a duré plus d'un an. Nous avons mesurés tous les principaux paramètres physiques et chimiques: débit, conductivité électrique, pH et température. De plus, des échantillons d'eaux ont été prélevés pour l'analyse mensuelle des isotopes stables de l'hydrogène et de l'oxygène (δ2Η, δ180). Avec ces analyses, ainsi que par la mesure des concentrations des gaz rares dissous dans les eaux et de leurs rapports isotopiques que nous avons effectués dans certains cas spécifiques, il était possible d'expliquer l'origine des différents eaux souterraines, les divers modes de recharge des nappes souterraines, la présence de possible phénomènes de mélange et, en général, de mieux expliquer les circulations d'eaux dans le sous-sol. Le travail, même en constituant qu'une réponse partielle à une question très complexe, a permis d'atteindre certains importants objectifs. D'abord, nous avons testé avec succès l'applicabilité des méthodes géophysiques indirectes (TRE et électromagnétiques de type VLF) pour prédire la présence d'eaux souterraines dans le sous-sol des massifs rocheux. De plus, nous avons démontré l'utilité de l'analyse des gaz rares, des isotopes stables et de l'analyses des ions majeurs pour la détection de failles et pour comprendre l'origine des eaux souterraines (eau de pluie par le haut ou eau remontant des profondeurs). En conclusion, avec cette recherche, on a montré que l'intégration des ces informations (géophysiques et géochimiques) permet le développement de modèles conceptuels appropriés, qui permettant d'expliquer comment l'eau souterraine circule. Ces modèles permettent de prévoir les infiltrations d'eau dans les tunnels et de prédire la vulnérabilité de sources et des autres ressources en eau lors de construction de tunnels.

The Hydrophobic interaction: modeling hydrophobic interactions and aggregation of non-polar particles in aqueous solutions

Malgré son importance dans notre vie de tous les jours, certaines propriétés de l?eau restent inexpliquées. L'étude des interactions entre l'eau et les particules organiques occupe des groupes de recherche dans le monde entier et est loin d'être finie. Dans mon travail j'ai essayé de comprendre, au niveau moléculaire, ces interactions importantes pour la vie. J'ai utilisé pour cela un modèle simple de l'eau pour décrire des solutions aqueuses de différentes particules. Récemment, l?eau liquide a été décrite comme une structure formée d?un réseau aléatoire de liaisons hydrogènes. En introduisant une particule hydrophobe dans cette structure à basse température, certaines liaisons hydrogènes sont détruites ce qui est énergétiquement défavorable. Les molécules d?eau s?arrangent alors autour de cette particule en formant une cage qui permet de récupérer des liaisons hydrogènes (entre molécules d?eau) encore plus fortes : les particules sont alors solubles dans l?eau. A des températures plus élevées, l?agitation thermique des molécules devient importante et brise les liaisons hydrogènes. Maintenant, la dissolution des particules devient énergétiquement défavorable, et les particules se séparent de l?eau en formant des agrégats qui minimisent leur surface exposée à l?eau. Pourtant, à très haute température, les effets entropiques deviennent tellement forts que les particules se mélangent de nouveau avec les molécules d?eau. En utilisant un modèle basé sur ces changements de structure formée par des liaisons hydrogènes j?ai pu reproduire les phénomènes principaux liés à l?hydrophobicité. J?ai trouvé une région de coexistence de deux phases entre les températures critiques inférieure et supérieure de solubilité, dans laquelle les particules hydrophobes s?agrègent. En dehors de cette région, les particules sont dissoutes dans l?eau. J?ai démontré que l?interaction hydrophobe est décrite par un modèle qui prend uniquement en compte les changements de structure de l?eau liquide en présence d?une particule hydrophobe, plutôt que les interactions directes entre les particules. Encouragée par ces résultats prometteurs, j?ai étudié des solutions aqueuses de particules hydrophobes en présence de co-solvants cosmotropiques et chaotropiques. Ce sont des substances qui stabilisent ou déstabilisent les agrégats de particules hydrophobes. La présence de ces substances peut être incluse dans le modèle en décrivant leur effet sur la structure de l?eau. J?ai pu reproduire la concentration élevée de co-solvants chaotropiques dans le voisinage immédiat de la particule, et l?effet inverse dans le cas de co-solvants cosmotropiques. Ce changement de concentration du co-solvant à proximité de particules hydrophobes est la cause principale de son effet sur la solubilité des particules hydrophobes. J?ai démontré que le modèle adapté prédit correctement les effets implicites des co-solvants sur les interactions de plusieurs corps entre les particules hydrophobes. En outre, j?ai étendu le modèle à la description de particules amphiphiles comme des lipides. J?ai trouvé la formation de différents types de micelles en fonction de la distribution des regions hydrophobes à la surface des particules. L?hydrophobicité reste également un sujet controversé en science des protéines. J?ai défini une nouvelle échelle d?hydrophobicité pour les acides aminés qui forment des protéines, basée sur leurs surfaces exposées à l?eau dans des protéines natives. Cette échelle permet une comparaison meilleure entre les expériences et les résultats théoriques. Ainsi, le modèle développé dans mon travail contribue à mieux comprendre les solutions aqueuses de particules hydrophobes. Je pense que les résultats analytiques et numériques obtenus éclaircissent en partie les processus physiques qui sont à la base de l?interaction hydrophobe.<br/><br/>Despite the importance of water in our daily lives, some of its properties remain unexplained. Indeed, the interactions of water with organic particles are investigated in research groups all over the world, but controversy still surrounds many aspects of their description. In my work I have tried to understand these interactions on a molecular level using both analytical and numerical methods. Recent investigations describe liquid water as random network formed by hydrogen bonds. The insertion of a hydrophobic particle at low temperature breaks some of the hydrogen bonds, which is energetically unfavorable. The water molecules, however, rearrange in a cage-like structure around the solute particle. Even stronger hydrogen bonds are formed between water molecules, and thus the solute particles are soluble. At higher temperatures, this strict ordering is disrupted by thermal movements, and the solution of particles becomes unfavorable. They minimize their exposed surface to water by aggregating. At even higher temperatures, entropy effects become dominant and water and solute particles mix again. Using a model based on these changes in water structure I have reproduced the essential phenomena connected to hydrophobicity. These include an upper and a lower critical solution temperature, which define temperature and density ranges in which aggregation occurs. Outside of this region the solute particles are soluble in water. Because I was able to demonstrate that the simple mixture model contains implicitly many-body interactions between the solute molecules, I feel that the study contributes to an important advance in the qualitative understanding of the hydrophobic effect. I have also studied the aggregation of hydrophobic particles in aqueous solutions in the presence of cosolvents. Here I have demonstrated that the important features of the destabilizing effect of chaotropic cosolvents on hydrophobic aggregates may be described within the same two-state model, with adaptations to focus on the ability of such substances to alter the structure of water. The relevant phenomena include a significant enhancement of the solubility of non-polar solute particles and preferential binding of chaotropic substances to solute molecules. In a similar fashion, I have analyzed the stabilizing effect of kosmotropic cosolvents in these solutions. Including the ability of kosmotropic substances to enhance the structure of liquid water, leads to reduced solubility, larger aggregation regime and the preferential exclusion of the cosolvent from the hydration shell of hydrophobic solute particles. I have further adapted the MLG model to include the solvation of amphiphilic solute particles in water, by allowing different distributions of hydrophobic regions at the molecular surface, I have found aggregation of the amphiphiles, and formation of various types of micelle as a function of the hydrophobicity pattern. I have demonstrated that certain features of micelle formation may be reproduced by the adapted model to describe alterations of water structure near different surface regions of the dissolved amphiphiles. Hydrophobicity remains a controversial quantity also in protein science. Based on the surface exposure of the 20 amino-acids in native proteins I have defined the a new hydrophobicity scale, which may lead to an improvement in the comparison of experimental data with the results from theoretical HP models. Overall, I have shown that the primary features of the hydrophobic interaction in aqueous solutions may be captured within a model which focuses on alterations in water structure around non-polar solute particles. The results obtained within this model may illuminate the processes underlying the hydrophobic interaction.<br/><br/>La vie sur notre planète a commencé dans l'eau et ne pourrait pas exister en son absence : les cellules des animaux et des plantes contiennent jusqu'à 95% d'eau. Malgré son importance dans notre vie de tous les jours, certaines propriétés de l?eau restent inexpliquées. En particulier, l'étude des interactions entre l'eau et les particules organiques occupe des groupes de recherche dans le monde entier et est loin d'être finie. Dans mon travail j'ai essayé de comprendre, au niveau moléculaire, ces interactions importantes pour la vie. J'ai utilisé pour cela un modèle simple de l'eau pour décrire des solutions aqueuses de différentes particules. Bien que l?eau soit généralement un bon solvant, un grand groupe de molécules, appelées molécules hydrophobes (du grecque "hydro"="eau" et "phobia"="peur"), n'est pas facilement soluble dans l'eau. Ces particules hydrophobes essayent d'éviter le contact avec l'eau, et forment donc un agrégat pour minimiser leur surface exposée à l'eau. Cette force entre les particules est appelée interaction hydrophobe, et les mécanismes physiques qui conduisent à ces interactions ne sont pas bien compris à l'heure actuelle. Dans mon étude j'ai décrit l'effet des particules hydrophobes sur l'eau liquide. L'objectif était d'éclaircir le mécanisme de l'interaction hydrophobe qui est fondamentale pour la formation des membranes et le fonctionnement des processus biologiques dans notre corps. Récemment, l'eau liquide a été décrite comme un réseau aléatoire formé par des liaisons hydrogènes. En introduisant une particule hydrophobe dans cette structure, certaines liaisons hydrogènes sont détruites tandis que les molécules d'eau s'arrangent autour de cette particule en formant une cage qui permet de récupérer des liaisons hydrogènes (entre molécules d?eau) encore plus fortes : les particules sont alors solubles dans l'eau. A des températures plus élevées, l?agitation thermique des molécules devient importante et brise la structure de cage autour des particules hydrophobes. Maintenant, la dissolution des particules devient défavorable, et les particules se séparent de l'eau en formant deux phases. A très haute température, les mouvements thermiques dans le système deviennent tellement forts que les particules se mélangent de nouveau avec les molécules d'eau. A l'aide d'un modèle qui décrit le système en termes de restructuration dans l'eau liquide, j'ai réussi à reproduire les phénomènes physiques liés à l?hydrophobicité. J'ai démontré que les interactions hydrophobes entre plusieurs particules peuvent être exprimées dans un modèle qui prend uniquement en compte les liaisons hydrogènes entre les molécules d'eau. Encouragée par ces résultats prometteurs, j'ai inclus dans mon modèle des substances fréquemment utilisées pour stabiliser ou déstabiliser des solutions aqueuses de particules hydrophobes. J'ai réussi à reproduire les effets dûs à la présence de ces substances. De plus, j'ai pu décrire la formation de micelles par des particules amphiphiles comme des lipides dont la surface est partiellement hydrophobe et partiellement hydrophile ("hydro-phile"="aime l'eau"), ainsi que le repliement des protéines dû à l'hydrophobicité, qui garantit le fonctionnement correct des processus biologiques de notre corps. Dans mes études futures je poursuivrai l'étude des solutions aqueuses de différentes particules en utilisant les techniques acquises pendant mon travail de thèse, et en essayant de comprendre les propriétés physiques du liquide le plus important pour notre vie : l'eau.

Intervention précoce dans la phase initiale des troubles psychotiques à Lausanne: quels problèmes et quelles solutions [Early intervention for the initial phase of psychotic disorders in Lausanne: what problems and what solutions?]

Schizophrenia has long been considered with pessimism, but the recent interest in the early phase of psychotic disorders has modified this often unjustified perception. Literature has demonstrated the benefit of the development of programs specialised in the treatment of early psychosis, which tend to be developed in many countries. It is however important to match them to local needs as well as to the structure of local health services. This paper reviews elements that justify such a development in Lausanne, Switzerland, and describe its various elements.

Quantifying rates of landscape evolution and tectonic processes by thermochronology and numerical modeling of crustal heat transport using PECUBE

PECUBE is a three-dimensional thermal-kinematic code capable of solving the heat production-diffusion-advection equation under a temporally varying surface boundary condition. It was initially developed to assess the effects of time-varying surface topography (relief) on low-temperature thermochronological datasets. Thermochronometric ages are predicted by tracking the time-temperature histories of rock-particles ending up at the surface and by combining these with various age-prediction models. In the decade since its inception, the PECUBE code has been under continuous development as its use became wider and addressed different tectonic-geomorphic problems. This paper describes several major recent improvements in the code, including its integration with an inverse-modeling package based on the Neighborhood Algorithm, the incorporation of fault-controlled kinematics, several different ways to address topographic and drainage change through time, the ability to predict subsurface (tunnel or borehole) data, prediction of detrital thermochronology data and a method to compare these with observations, and the coupling with landscape-evolution (or surface-process) models. Each new development is described together with one or several applications, so that the reader and potential user can clearly assess and make use of the capabilities of PECUBE. We end with describing some developments that are currently underway or should take place in the foreseeable future. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

High-resolution numerical modelling of flow-vegetation interactions

In this paper, we present and apply a new three-dimensional model for the prediction of canopy-flow and turbulence dynamics in open-channel flow. The approach uses a dynamic immersed boundary technique that is coupled in a sequentially staggered manner to a large eddy simulation. Two different biomechanical models are developed depending on whether the vegetation is dominated by bending or tensile forces. For bending plants, a model structured on the Euler-Bernoulli beam equation has been developed, whilst for tensile plants, an N-pendula model has been developed. Validation against flume data shows good agreement and demonstrates that for a given stem density, the models are able to simulate the extraction of energy from the mean flow at the stem-scale which leads to the drag discontinuity and associated mixing layer.

Application of a roughness-length representation to parameterize energy loss in 3-D numerical simulations of large rivers

Recent technological advances in remote sensing have enabled investigation of the morphodynamics and hydrodynamics of large rivers. However, measuring topography and flow in these very large rivers is time consuming and thus often constrains the spatial resolution and reach-length scales that can be monitored. Similar constraints exist for computational fluid dynamics (CFD) studies of large rivers, requiring maximization of mesh-or grid-cell dimensions and implying a reduction in the representation of bedform-roughness elements that are of the order of a model grid cell or less, even if they are represented in available topographic data. These ``subgrid'' elements must be parameterized, and this paper applies and considers the impact of roughness-length treatments that include the effect of bed roughness due to ``unmeasured'' topography. CFD predictions were found to be sensitive to the roughness-length specification. Model optimization was based on acoustic Doppler current profiler measurements and estimates of the water surface slope for a variety of roughness lengths. This proved difficult as the metrics used to assess optimal model performance diverged due to the effects of large bedforms that are not well parameterized in roughness-length treatments. However, the general spatial flow patterns are effectively predicted by the model. Changes in roughness length were shown to have a major impact upon flow routing at the channel scale. The results also indicate an absence of secondary flow circulation cells in the reached studied, and suggest simpler two-dimensional models may have great utility in the investigation of flow within large rivers. Citation: Sandbach, S. D. et al. (2012), Application of a roughness-length representation to parameterize energy loss in 3-D numerical simulations of large rivers, Water Resour. Res., 48, W12501, doi: 10.1029/2011WR011284.

Copper, selenium, zinc, and thiamine balances during continuous venovenous hemodiafiltration in critically ill patients.

BACKGROUND: Acute renal failure is a serious complication in critically ill patients and frequently requires renal replacement therapy, which alters trace element and vitamin metabolism. OBJECTIVE: The objective was to study trace element balances during continuous renal replacement therapy (CRRT) in intensive care patients. DESIGN: In a prospective randomized crossover trial, patients with acute renal failure received CRRT with either sodium bicarbonate (Bic) or sodium lactate (Lac) as a buffering agent over 2 consecutive 24-h periods. Copper, selenium, zinc, and thiamine were measured with highly sensitive analytic methods in plasma, replacement solutions, and effluent during 8-h periods. Balances were calculated as the difference between fluids administered and effluent losses and were compared with the recommended intakes (RI) from parenteral nutrition. RESULTS: Nineteen sessions were conducted in 11 patients aged 65 +/- 10 y. Baseline plasma concentrations of copper were normal, whereas those of selenium and zinc were below reference ranges; glutathione peroxidase was in the lower range of normal. The replacement solutions contained no detectable copper, 0.01 micromol Se/L (Bic and Lac), and 1.42 (Bic) and 0.85 (Lac) micromol Zn/L. Micronutrients were detectable in all effluents, and losses were stable in each patient; no significant differences were found between the Bic and Lac groups. The 24-h balances were negative for selenium (-0.97 micromol, or 2 times the daily RI), copper (-6.54 micromol, or 0.3 times the daily RI), and thiamine (-4.12 mg, or 1.5 times the RI) and modestly positive for zinc (20.7 micromol, or 0.2 times the RI). CONCLUSIONS: CRRT results in significant losses and negative balances of selenium, copper, and thiamine, which contribute to low plasma concentrations. Prolonged CRRT is likely to result in selenium and thiamine depletion despite supplementation at recommended amounts.