Environmental and biological controls on the geochemistry (δ18O, δ13C, Mg/Ca, and Sr/Ca) of living ostracods from Lake Geneva

ABSTRACT : Ostracods are benthic microcrustaceans enclosed in low-Mg calcite bivalves. Stable isotope compositions, Mg/Ca, and Sr/Ca ratios of ostracod fossil valves have proven useful to reconstruct past environmental conditions. Yet, several discrepancies persist and the influence of many factors remains unclear. It is the aim of this study to improve the use of ostracod valve geochemistry as palaeoenvironmental proxies by examining the extent of isotope fractionation and trace element partitioning during valve calcification. To achieve this, the environmental parameters (pH, temperature) and chemical composition of water (C-and O-isotope composition and calcium, magnesium, and strontium content) were measured at sites where living ostracods were sampled. The sampling was on a monthly basis over the course of one year at five different water depths (2, 5, 13, 33, and 70 m) in Lake Geneva, Switzerland. The one-year sampling enabled collection of environmental data for bottom and interstitial pore water. In littoral to sublittoral zones, C-isotope composition of DIC and the Mg/Ca and Sr/Ca ratios of water are found to vary concomitantly with water temperature. This is due to the precipitation of calcite, which is induced by higher photosynthetic activity as temperature and/or solar radiation intensify in summer. In deeper zones, environmental parameters remain largely constant throughout the year. Variations of pH, DIC concentrations and C-isotope compositions in interstitial water result from aerobic as well as anaerobic respiration, calcite dissolution and methanogenesis. Bathymetric distribution, life cycles, and habitats were derived for 15 ostracod species and are predominantly related to water temperature and sediment texture. O-isotope compositions of ostracod valves in Lake Geneva reflect that of water and temperature. However, offsets of up to 3 permil are observed in comparison with proposed inorganic calcite precipitation equilibrium composition. Deprotonation of HCO3- and/or salt effect at crystallisation sites may explain the disequilibrium observed for O-isotopic compositions. C-isotope compositions of ostracod valves are not as well constrained and appear to be controlled by a complex interaction between habitat preferences and seasonal as well as spatial variations of the DIC isotope composition. For infaunal forms, C-isotope compositions reflect mainly the variation of DIC isotope composition in interstitial pore waters. For epifaunal forms, C-isotope compositions reflect the seasonal variation of DIC isotope compositions. C-isotope compositions of ostracod valves is at equilibrium with DIC except for a small number of species (L. inopinata, L. sanctipatricii and possibly C. ophtalmica, and I. beauchampi). Trace element uptake differs considerably from species to species. For most epifaunal forms, trace element content follows the seasonal cycle, recording temperature increases and/or variations of Mg/Ca and Sr/Ca ratios of water. In contrast, infaunal forms are predominantly related to sediment pore water chemistry. RÉSUMÉ EN FRANÇAIS : Les ostracodes sont de petits crustacés benthiques qui possèdent une coquille faite de calcite à faible teneur en magnésium. La composition isotopique et les rapports Mg/Ca et Sr/Ca d'ostracodes fossiles ont été utilisés maintes fois avec succès pour effectuer des reconstructions paléoenvironnementales. Néanmoins, certains désaccords persistent sur l'interprétation de ces données. De plus, l'influence de certains facteurs pouvant biaiser le signal reste encore inconnue. Ainsi, le but de cette étude est de rendre plus performant l'emploi de la composition géochimique des ostracodes comme indicateur paléoenvironnemental. Pour réaliser cela, cinq sites situés dans le Léman à 2, 5, 13, 33 et 70 m de profondeur ont été choisis pour effectuer les échantillonnages. Chaque site a été visité une fois par mois durant une année. Les différents paramètres environnementaux (pH, température) ainsi que la composition géochimique de l'eau (composition isotopique de l'oxygène et du carbone ainsi que teneur en calcium, magnésium et strontium) ont été déterminés pour chaque campagne. Des ostracodes vivants ont été récoltés au cinq sites en même temps que les échantillons d'eau. Ce travail de terrain a permis de caractériser la géochimie de l'eau se trouvant juste au-dessus des sédiments ainsi que celle de l'eau se trouvant dans les interstices du sédiment. Dans les zones littorales à sublittorales, la composition isotopique du carbone inorganique dissout (CID) ainsi que les rapports Mg/Ca et Sr/Ca de l'eau varient linéairement avec la température. Ceci peut être expliqué par la précipitation de calcite qui est contrôlée par l'activité photosynthétique, variant elle même linéairement avec la température. Dans les zones plus profondes, les paramètres environnementaux restent relativement constants tout au long de l'année. Les variations du pH, de la concentration et de la composition isotopique du CID dans les sédiments résultent de la libération de carbone engendrée par la dégradation de la matière organique avec présence d'oxygène ou via réduction de nitrates et de sulfates, par la dissolution de carbonates, ainsi que par la méthanogenèse. La distribution bathymétrique, le cycle de vie ainsi que l'habitat de 15 espèces ont été déterminés. Ceux-ci sont principalement reliés à la température de l'eau et à la texture des sédiments. La composition isotopique de l'oxygène des valves d'ostracodes reflète celle de l'eau et la température qui régnait lors de la calcification. Néanmoins, des écarts pouvant aller jusqu'à 3 0/00 par rapport à l'équilibre théorique ont été obtenus. La déprotonation de HCO3 ou un 'effet de sel' pourrait être à l'origine du déséquilibre observé. La composition isotopique du carbone des valves d'ostracodes n'est pas aussi bien cernée. Celle-ci semble être principalement contrôlée par une interaction complexe entre l'habitat des ostracodes et les variations saisonnières et spatiales de la composition isotopique du CID. Pour les espèces endofaunes, la composition isotopique du carbone reflète principalement la variation de la composition isotopique du CID à l'intérieur des sédiments. Pour les formes épifaunes, c'est la variation saisonnière de la composition du CID qui contrôle celle de la coquille des ostracodes. En général, la composition isotopique du carbone des valves d'ostracodes est en équilibre avec celle de CID, hormis pour quelques rares espèces (L. inopinata, L. sanctipatricii et peut-être C. ophtalmica et I. beauchampi). L'incorporation des éléments traces diffère passablement d'une espèce à l'autre. Pour la plupart des espèces épifaunes, la teneur en éléments traces des coquilles reflète les variations saisonnières. Ces espèces semblent enregistrer les variations soit de la température soit des rapports Mg/Ca et Sr/Ca de l'eau. La teneur en élément traces des formes infaunales, au contraire, est principalement reliée à la chimie de l'eau interstitielle. RÉSUMÉ GRAND-PUBLIC : La connaissance de l'évolution du climat dans le futur est primordiale pour notre société, car elle permet de développer différentes stratégies pour faire face aux problèmes engendrés pas le changement climatique : stratégies environnementale, humanitaire, ou encore économique. Cette problématique est actuellement, à juste titre, sujet d'une vive préoccupation. La géologie peut-elle contribuer à l'effort communautaire entrepris? Naturellement, ce sont les climatologues qui sont sur le devant de la scène. Il n'empêche que ces derniers, pour pouvoir prédire l'avenir, doivent s'appuyer sur le passé. La géologie est alors d'un grand intérêt car c'est effectivement la seule science qui permette d'estimer les variations climatiques à grande échelle sur de longues périodes. Ainsi, voulant moi-même contribuer aux recherches menées dans ce domaine, je me suis tourné à la fin de mes études vers la paléoclimatologie, science qui a pour but de reconstruire le climat des temps anciens. Nous nous sommes rendu compte que l'évolution climatique de la région où nous habitons n'avait pas encore fait le sujet d'études approfondies. Il est pourtant important de connaître la variation locale des changements climatiques pour obtenir des modèles climatiques fiables. En conséquence, un vaste projet a vu le jour : reconstruire, à l'aide des sédiments du lac Léman, les variations paléoclimatiques et paléo-environnementales depuis le retrait du Glacier de Rhône, il y a environ 15'000 ans, jusqu'à nos jours. Pour ce genre de travail, la géochimie, qui est une forme de chimie, utilisée en science de la terre regroupant la chimie classique et la chimie isotopique, est une alliée particulièrement efficace. Elle permet en effet, via différentes mesures faites sur des archives géologiques (par exemple des fossiles ou des sédiments) d'obtenir des informations, souvent quantitatives, sur les conditions (le climat, la flore ou encore la bio productivité, etc...) qui régnaient il y a fort longtemps. Les coquilles d'ostracodes, qui sont de petits animaux vivant au fond des lacs, sont une des archives les plus prometteuses. Ces animaux sont des petits crustacés s'entourant d'une coquille calcaire qu'ils sécrètent eux-mêmes. A la mort de l'animal, la coquille est intégrée dans les sédiments et reste intacte à travers les âges. Des études ont montré qu'en analysant la géochimie de ces coquilles fossiles, il est possible de reconstruire les conditions environnementales qui régnaient à l'époque de vie de ces fossiles. Cette démarche nécessite qu'une condition bien précise soit remplie: la composition géochimique de la coquille doit enregistrer de manière fidèle la chimie de l'eau et/ou la température de l'eau présentes au moment de la sécrétion de la coquille. Le but spécifique de notre recherche a précisément été d'étudier la façon dont la chimie de l'eau ainsi que sa température sont enregistrées dans la coquillé des ostracodes. Une fois les relations entre ces divers paramètres dans l'étant actuel du système établies, il sera alors possible de les utiliser pour interpréter des données issues de coquilles fossiles. Pour ce faire, nous avons mesuré la température de l'eau de manière continue et récolté mensuellement des échantillons d'eau et des ostracodes vivants pendant une année. Cinq sites situés à 2, 5, 13, 33 et 70 mètres de profondeur ont été choisis pour effectuer ces échantillonnages dans le Léman. Le travail de terrain nous a amené à étudier la biologie de 15 espèces. Nous avons pu établir la profondeur à laquelle vivent ces animaux, leur période de développement ainsi que leur habitat respectifs. Ces résultats ont permis de mieux cerner la relation qu'il existe entre la chimie de l'eau, sa température et la composition géochimique des coquilles d'ostracodes. Nous avons ainsi pu confirmer que les coquilles d'ostracodes enregistrent de manière fidèle la composition chimique et isotopique de l'eau. De même, nous avons pu établir de manière plus précise l'effet de la température sur la géochimie des coquilles. Néanmoins, les relations trouvées entre ces trois éléments sont plus complexes pour certaines espèces, cette complexité étant souvent liée à un caractère spécifique de leur écologie. Nous avons mis en lumière certains effets qui biaisent les résultats et défini précisément les conditions dans lesquelles on peut s'attendre à avoir des difficultés dans leur interprétation. Maintenant que nous avons établi les relations entre le climat actuel et la composition géochimique des coquilles d'ostracodes actuels, nous pouvons, sur la base de ce modèle, reconstruire le climat depuis le retrait du Glacier du Rhône jusqu'à nos jours à l'aide d'ostracodes fossiles. Mais cela est une autre histoire et fera, je l'espère, le sujet de nos futures recherches.

Mg/Ca and Sr/Ca ratios of ostracod valves from living species of Lake Geneva

The Mg/Ca and Sr/Ca ratios of living ostracods belonging to 15 different species and sampled monthly over a one year-cycle at five sites (2, 5, 13, 33, and 70 m water depths) in western Lake Geneva (Switzerland) are compared to the oxygen and carbon isotope compositions measured on the same samples as well as to the temperature and chemical composition of the water (δ18OH2O, δ13CDIC, Mg/CaH2O, and Sr/CaH2O) at the time of ostracod calcification. The results indicate that trace element incorporation varied at the species level, mainly because of the ecological and biological differences between the different species (life-cycle, (micro-)habitat preference, biomineralisation processes) and the control thereof on trace element incorporation of the ostracods. In littoral zones, the Mg/Ca and Sr/Ca of ostracod valves increase as temperature and Mg/Ca and Sr/Ca of water increase during spring and summer, hence reflecting mainly seasonal variations. However, given that for Lake Geneva the Mg/Ca and Sr/Ca of water also vary with temperature, it is not possible to distinguish the effects of temperature from those of changes in chemical composition of water on the trace element content in ostracod valves. Results support that both water temperature and water Mg/Ca and Sr/Ca ratios control the final trace element content of Cyprididae valves. In contrast, the trace element content of species living in deeper zones of the basin is influenced by variations in the chemical composition of the pore water for the infaunal species. Trace element content measured for these specimens cannot, therefore, be used to reconstruct the compositions of the water lake bottom. In addition, incorporation of Mg and Sr into the shell differs from one family, sub-family, or even species to the other. This suggests that the distinctive Mg and Sr partition coefcients for the analysed taxa result from different valve calcification strategies that may be phylogenetic.

Enhanced excitation-coupled Ca(2+) entry induces nuclear translocation of NFAT and contributes to IL-6 release from myotubes from patients with central core disease.

Prolonged depolarization of skeletal muscle cells induces entry of extracellular calcium into muscle cells, an event referred to as excitation-coupled calcium entry. Skeletal muscle excitation-coupled calcium entry relies on the interaction between the 1,4-dihydropyridine receptor on the sarcolemma and the ryanodine receptor on the sarcoplasmic reticulum membrane. In this study, we directly measured excitation-coupled calcium entry by total internal reflection fluorescence microscopy in human skeletal muscle myotubes harbouring mutations in the RYR1 gene linked to malignant hyperthermia (MH) and central core disease (CCD). We found that excitation-coupled calcium entry is strongly enhanced in cells from patients with CCD compared with individuals with MH and controls. Furthermore, excitation-coupled calcium entry induces generation of reactive nitrogen species and enhances nuclear localization of NFATc1, which in turn may be responsible for the increased IL-6 released by myotubes from patients with CCD.

Opposite effect of counterions on the persistence length of nicked and non-nicked DNA.

Using cryo-electron microscopy we reconstructed the three-dimensional trajectories adopted in cryovitrified solutions by double-stranded DNA molecules in which the backbone of one strand lacked a phosphate at regular intervals of 20 nucleotides. The shape of such nicked DNA molecules was compared with that of DNA molecules with exactly the same sequence but without any single-stranded scissions. Upon changing the salt concentration we observed opposite effects of charge neutralization on nicked and non-nicked DNA. In low salt solutions (10 mM Tris-HCl, 10 mM NaCl) the applied dense nicking caused ca 3.5-fold reduction of the DNA persistence length as compared with non-nicked DNA. Upon increasing the salt concentration (to 150 mM NaCl and 10 mM MgCl2) the persistence length of non-nicked DNA appreciably decreased while that of nicked DNA molecules increased by a factor of 2.

Arthritis is linked to local and systemic activation of coagulation and fibrinolysis pathways.

BACKGROUND: Activation of coagulation and fibrinolysis play a role in the pathophysiology of experimental arthritis. Objective: To determine the extent of activation of the coagulation and fibrinolytic pathways in different joint diseases in humans and to ascertain the factors that may influence fibrin deposition within the joint. METHODS: Plasma from normal subjects (controls, n= 21) and plasma and synovial fluid samples from patients with rheumatoid arthritis (RA; n = 64), osteoarthritis (OA; n = 29), spondyloarthropathy (SpA; n = 22) and crystal arthritis (CA; n = 25) were analyzed for the levels of TF (tissue factor) and tissue factor pathway inhibitor (TFPI) activities, thrombin-antithrombin III (TAT) complexes, and F1 + 2 (thrombin fragment), fibrin d-dimer and thrombin-activated fibrinolysis inhibitor (TAFI) antigenic levels. The measurements were analyzed by pairwise correlation with each other as well as with standard parameters of inflammation [C-reactive protein (CRP), joint leukocyte count]. Inter-group comparisons were performed to look for disease-specific differences. RESULTS: Compared with healthy controls, patients with joint diseases had higher levels of TAT, F1 + 2 and d-dimers in their plasma. In the synovial fluid, TF activity, TAT, d-dimers, and TAFI were significantly higher in inflammatory arthritides than in OA. The levels were highest in RA patients. In the plasma, TF activity was correlated with TAT and d-dimer levels with CRP, TFPI, and TAT. In the synovial fluid, TF activity correlated with plasma CRP levels, synovial fluid leukocyte count, and synovial TAT and TAFI levels. In addition, synovial d-dimers correlated with CRP, and synovial TAFI levels were correlated with synovial F1 + 2 and TAT. CONCLUSIONS: Activation of the coagulation and fibrinolytic cascades in the joint and in the circulation is evident in both inflammatory and degenerative joint diseases. Within the joint, inflammatory mechanisms leading to TF-mediated activation of the coagulation pathway and subsequent fibrin deposition is the most likely explanation for the observed findings. In the plasma, the link between inflammation (CRP increase) and TF activation is weak, and a non-TF-mediated mechanism of coagulation activation could explain these findings. RA is characterized by significantly higher levels of TAT in the synovial fluid and plasma than other arthritides. Although fibrinolytic activity is linked to inflammation, the increased amounts of TAFI in the joint, particularly in RA, may explain why fibrin formation is so prominent in this condition compared with other joint diseases.

Interest of qualitative and quantitative profiling of endocannabinoids for evaluation of their implication in drug addiction process

Introduction: In the middle of the 90's, the discovery of endogenous ligands for cannabinoid receptors opened a new era in this research field. Amides and esters of arachidonic acid have been identified as these endogenous ligands. Arachidonoylethanolamide (anandamide or AEA) and 2-Arachidonoylglycerol (2-AG) seem to be the most important of these lipid messengers. In addition, virodhamine (VA), noladin ether (2-AGE), and N-arachidonoyl dopamine (NADA) have been shown to bind to CB receptors with varying affinities. During recent years, it has become more evident that the EC system is part of fundamental regulatory mechanisms in many physiological processes such as stress and anxiety responses, depression, anorexia and bulimia, schizophrenia disorders, neuroprotection, Parkinson disease, anti-proliferative effects on cancer cells, drug addiction, and atherosclerosis. Aims: This work presents the problematic of EC analysis and the input of Information Dependant Acquisition based on hybrid triple quadrupole linear ion trap (QqQLIT) system for the profiling of these lipid mediators. Methods: The method was developed on a LC Ultimate 3000 series (Dionex, Sunnyvale, CA, USA) coupled to a QTrap 4000 system (Applied biosystems, Concord, ON, Canada). The ECs were separated on an XTerra C18 MS column (50 × 3.0 mm i.d., 3.5 μm) with a 5 min gradient elution. For confirmatory analysis, an information-dependant acquisition experiment was performed with selected reaction monitoring (SRM) as survey scan and enhanced produced ion (EPI) as dependant scan. Results: The assay was found to be linear in the concentration range of 0.1-5 ng/mL for AEA, 0.3-5 ng/mL for VA, 2-AGE, and NADA and 1-20 ng/mL for 2-AG using 0.5 mL of plasma. Repeatability and intermediate precision were found less than 15% over the tested concentration ranges. Under non-pathophysiological conditions, only AEA and 2-AG were actually detected in plasma with concentration ranges going from 104 to 537 pg/mL and from 2160 to 3990 pg/mL respectively. We have particularly focused our scopes on the evaluation of EC level changes in biological matrices through drug addiction and atherosclerosis processes. We will present preliminary data obtained during pilot study after administration of cannabis on human patients. Conclusion: ECs have been shown to play a key role in regulation of many pathophysiological processes. Medical research in these different fields continues to growth in order to understand and to highlight the predominant role of EC in the CNS and peripheral tissues signalisation. The profiling of these lipids needs to develop rapid, highly sensitive and selective analytical methods.

Magma generation at the easternmost section of the Hellenic arc: Hf, Nd, Pb and Sr isotope geochemistry of Nisyros and Yali volcanoes (Greece)

Geochemical and petrographical studies of lavas and ignimbrites from the Quaternary Nisyros-Yali volcanic system in the easternmost part of the Hellenic arc (Greece) reveal insight into magma generating processes. A compositional gap between 61 and 68 wt.% SiO2 is recognized that coincides with the stratigraphic distinction between pre-caldera and postcaldera volcanic units. Trace element systematics support the subdivision of Nisyros and Yali volcanic units into two distinct suites of rocks. The variation of Nd and Hf present day isotope data and the fact that they are distinct from the isotope compositions of MORB rule out an origin by pure differentiation and require assimilation of a crustal component. Lead isotope ratios of Nisyros and Yali volcanic rocks support mixing of mantle material with a lower crust equivalent. However, Sr-87/Sr-86 ratios of 0.7036-0.7048 are incompatible with a simple binary mixing scenario and give low depleted mantle extraction ages (< 0.1 Ga), in contrast with Pb model ages of 0.3 Ga and Hf and Nd model ages of ca. 0.8 Ga. The budget of fluid-mobile elements Sr and Pb is likely to be dominated by abundant hydrous fluids characterised by mantle-like Sr isotope ratios. Late stage fluids probably were enriched in CO2, needed to explain the high Th concentrations. The occurrence of hydrated minerals (e.g., amphibole) in the first post-caldera unit with the lowermost Sr-87/Sr-86 ratio of 0.7036 +/- 2 can be interpreted as the result of the increased water activity in the source. The presence of two different plagioclase phenocryst generations in the first lava subsequent to the caldera-causing event is indicative for a longer storage time of this magma at a shallower level. A model capable of explaining these observations involves three evolutionary stages. First stage, assimilation of lower crustal material by a primitive magma of mantle origin (as modelled by Nd-Hf isotope systematics). This stage ended by an interruption in replenishment that led to an increase of crystallization and, hence, an increase in viscosity, suppressing eruption. During this time gap, differentiation by fractional crystallization led to enrichment of incompatible species, especially aqueous fluids, to silica depolymerisation and to a decrease in viscosity, finally enabling eruption again in the third stage. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Sulfur and strontium isotope composition of the Llobregat River (NE Spain): Tracers of natural and anthropogenic chemicals in stream waters

The use of sulfur and strontium isotopes as tracers for the source/s of water contaminants have been applied to the water of the Llobregat River system (NE Spain). Surface water samples from June 1997 were collected from the Llobregat River and its main tributaries and creeks. The chemistry of most stream waters are controlled mainly by the weathering of Tertiary chemical sediments within the drainage basin. The largest variation in delta(34)S values were found in the small creeks with values ranging from -9.9 to 15parts per thousand, whilst in the main river channels values ranged from 6.3 to 12.4parts per thousand. The Sr-87/Sr-86 ratio for dissolved strontium ranged from 0.70795 for a non-polluted site to 0.70882 for a polluted one. Most of the waters with high NO3 and low Ca/Na ratio converge to the same Sr-87/Sr-86 value, pointing to dominant pollutant end member contribution or a mixing of pollutants with an isotopic composition around 0.7083-0.7085. Although the concentration of the natural inputs in the river for sulfate and strontium are high, as a result of the sulfate outcrops within the geology of the basin, their isotopic characteristics suggest that they can be used as a discriminating device in water pollution problems. However to establish the detailed characteristics of the isotopes as geochemical tools, specific high-resolution case studies are necessary in small areas, where the inputs are well known.

Characterization of modern and fossil mineral dust transported to high altitude in the Western Alps: Saharan sources and transport patterns

Mineral dust aerosols recently collected at the high-altitude Jungfraujoch research station (46 degrees 33'51 `' N, 7 degrees 59'06 `' E; 3580 m a.s.l.) were compared to mineral dust deposited at the Colle Gnifetti glacier (45 degrees 52'50 `' N, 7 degrees 52'33 `' E; 4455 m a.s.l.) over the last millennium. Radiogenic isotope signatures and backward trajectories analyses indicate that major dust sources are situated in the north-central to north-western part of the Saharan desert. Less radiogenic Sr isotopic compositions of PM10 aerosols and of mineral particles deposited during periods of low dust transfer likely result from the enhancement of the background chemically-weathered Saharan source. Saharan dust mobilization and transport were relatively reduced during the second part of the Little Ice Age (ca. 1690-1870) except within the greatest Saharan dust event deposited around 1770. After ca. 1870, sustained dust deposition suggests that increased mineral dust transport over the Alps during the last century could be due to stronger spring/summer North Atlantic southwesterlies and drier winters in North Africa. On the other hand, increasing carbonaceous particle emissions from fossil fuel combustion combined to a higher lead enrichment factor point to concomitant anthropogenic sources of particulate pollutants reaching high-altitude European glaciers during the last century.

Phylogenetic analyses of C4 photosynthesis evolution in grasses: genetics of convergence and convergence of genes

Summary : During the evolutionary diversification of organisms, similar ecological constraints led to the recurrent appearances of the same traits (phenotypes) in distant lineages, a phenomenon called convergence. In most cases, the genetic origins of the convergent traits remain unknown, but recent studies traced the convergent phenotypes to recurrent alterations of the same gene or, in a few cases, to identical genetic changes. However, these cases remain anecdotal and there is a need for a study system that evolved several times independently and whose genetic determinism is well resolved and straightforward, such as C4 photosynthesis. This adaptation to warm environments, possibly driven by past atmospheric CO2 decreases, consists in a CO2-concentrating pump, created by numerous morphological and biochemical novelties. All genes encoding C4 enzymes already existed in C3 ancestors, and are supposed to have been recruited through gene duplication followed by neo-functionalization, to acquire the cell specific expression pattern and altered kinetic properties that characterize Ca-specific enzymes. These predictions have so far been tested only in species-poor and ecologically marginal C4 dicots. The monocots, and especially the grass family (Poaceae), the most important C4 family in terms of species number, ecological dominance and economical importance, have been largely under-considered as suitable study systems. This thesis aimed at understanding the evolution of the C4 trait in grasses at a molecular level and to use the genetics of C4 photosynthesis to infer the evolutionary history of the C4 phenotype and its driving selective pressures. A molecular phylogeny of grasses and affiliated monocots identified 17 to 18 independent acquisitions of the C4 pathway in the grass family. A relaxed molecular clock was used to date these events and the first C4 evolution was estimated in the Chloridoideae subfamily, between 32-25 million years ago, at a period when atmospheric CO2 abruptly declined. Likelihood models showed that after the COZ decline the probability of evolving the C4 pathway strongly increased, confirming low CO2 as a likely driver of C4 photosynthesis evolution. In order to depict the genetic changes linked to the numerous C4 origins, genes encoding phopshoenolpyruvate carboxylase (PEPC), the key-enzyme responsible for the initial fixation of atmospheric CO2 in the C4 pathway, were isolated from a large sample of C3 and C4 grasses. Phylogenetic analyses were used to reconstruct the evolutionary history of the PEPC multigene family and showed that the evolution of C4-specific PEPC had been driven by positive selection on 21 codons simultaneously in up to eight C4 lineages. These selective pressures led to numerous convergent genetic changes in many different C4 clades, highlighting the repeatability of some evolutionary processes, even at the molecular level. PEPC C4-adaptive changes were traced and used to show multiple appearances of the C, pathway in clades where species tree inferences were unable to differentiate multiple C4 appearances and a single appearance followed by C4 to C3 reversion. Further investigations of genes involved in some of the C4 subtypes only (genes encoding decarboxylating enzymes NADP-malic enzyme and phosphoenolpyruvate carboxykinase) showed that these C4-enzymes also evolved through strong positive selection and underwent parallel genetic changes during the different Ca origins. The adaptive changes on these subtype-specific C4 genes were used to retrace the history of the C4-subtypes phenotypes, which revealed that the evolution of C4-PEPC and C4-decarboxylating enzymes was in several cases disconnected, emphasizing the multiplicity of the C4 trait and the gradual acquisition of the features that create the CO2-pump. Finally, phylogenetic analyses of a gene encoding the Rubisco (the enzyme responsible for the fixation of CO2 into organic compounds in all photosynthetic organisms) showed that C4 evolution switched the selective pressures on this gene. Five codons were recurrently mutated to adapt the enzyme kinetics to the high CO2 concentrations of C4 photosynthetic cells. This knowledge could be used to introgress C4-like Rubisco in C3 crops, which could lead to an increased yield under predicted future high CO2 atmosphere. Globally, the phylogenetic framework adopted during this thesis demonstrated the widespread occurrence of genetic convergence on C4-related enzymes. The genetic traces of C4 photosynthesis evolution allowed reconstructing events that happened during the last 30 million years and proved the usefulness of studying genes directly responsible for phenotype variations when inferring evolutionary history of a given trait. Résumé Durant la diversification évolutive des organismes, des pressions écologiques similaires ont amené à l'apparition récurrente de certains traits (phénotypes) dans des lignées distantes, un phénomène appelé évolution convergente. Dans la plupart des cas, l'origine génétique des traits convergents reste inconnue mais des études récentes ont montré qu'ils étaient dus dans certains cas à des changements répétés du même gène ou, dans de rares cas, à des changements génétiques identiques. Malgré tout, ces cas restent anecdotiques et il y a un réel besoin d'un système d'étude qui ait évolué indépendamment de nombreuses fois et dont le déterminisme génétique soit clairement identifié. La photosynthèse dite en Ça répond à ces critères. Cette adaptation aux environnements chauds, dont l'évolution a pu être encouragé par des baisses passées de la concentration atmosphérique en CO2, est constituée de nombreuses nouveautés morphologiques et biochimiques qui créent une pompe à CO2. La totalité des gènes codant les enzymes Ç4 étaient déjà présents dans les ancêtres C3. Leur recrutement pour la photosynthèse Ç4 est supposé s'être fait par le biais de duplications géniques suivies par une néo-fonctionnalisation pour leur conférer l'expression cellule-spécifique et les propriétés cinétiques qui caractérisent les enzymes C4. Ces prédictions n'ont jusqu'à présent été testées que dans des familles C4 contenant peu d'espèces et ayant un rôle écologique marginal. Les graminées (Poaceae), qui sont la famille C4 la plus importante, tant en termes de nombre d'espèces que de dominance écologique et d'importance économique, ont toujours été considérés comme un système d'étude peu adapté et ont fait le sujet de peu d'investigations évolutives. Le but de cette thèse était de comprendre l'évolution de la photosynthèse en C4 chez les graminées au niveau génétique et d'utiliser les gènes pour inférer l'évolution du phénotype C4 ainsi que les pressions de sélection responsables de son évolution. Une phylogénie moléculaire de la famille des graminées et des monocotylédones apparentés a identifié 17 à 18 acquisitions indépendantes de la photosynthèse chez les graminées. Grâce à une méthode d'horloge moléculaire relâchée, ces évènements ont été datés et la première apparition C4 a été estimée dans la sous-famille des Chloridoideae, il y a 32 à 25 millions d'années, à une période où les concentrations atmosphériques de CO2 ont décliné abruptement. Des modèles de maximum de vraisemblance ont montré qu'à la suite du déclin de CO2, la probabilité d'évoluer la photosynthèse C4 a fortement augmenté, confirmant ainsi qu'une faible concentration de CO2 est une cause potentielle de l'évolution de la photosynthèse C4. Afin d'identifier les mécanismes génétiques responsables des évolutions répétées de la photosynthèse C4, un segment des gènes codant pour la phosphoénolpyruvate carboxylase (PEPC), l'enzyme responsable de la fixation initiale du CO2 atmosphérique chez les plantes C4, ont été séquencés dans une centaine de graminées C3 et C4. Des analyses phylogénétiques ont permis de reconstituer l'histoire évolutive de la famille multigénique des PEPC et ont montré que l'évolution de PEPC spécifiques à la photosynthèse Ça a été causée par de la sélection positive agissant sur 21 codons, et ce simultanément dans huit lignées C4 différentes. Cette sélection positive a conduit à un grand nombre de changements génétiques convergents dans de nombreux clades différents, ce qui illustre la répétabilité de certains phénomènes évolutifs, et ce même au niveau génétique. Les changements sur la PEPC liés au C4 ont été utilisés pour confirmer des évolutions indépendantes du phénotype C4 dans des clades où l'arbre des espèces était incapable de différencier des apparitions indépendantes d'une seule apparition suivie par une réversion de C4 en C3. En considérant des gènes codant des protéines impliquées uniquement dans certains sous-types C4 (deux décarboxylases, l'enzyme malique à NADP et la phosphoénolpyruvate carboxykinase), des études ultérieures ont montré que ces enzymes C4 avaient elles-aussi évolué sous forte sélection positive et subi des changements génétiques parallèles lors des différentes origines de la photosynthèse C4. Les changements adaptatifs sur ces gènes liés seulement à certains sous-types C4 ont été utilisés pour retracer l'histoire des phénotypes de sous-types C4, ce qui a révélé que les caractères formant le trait C4 ont, dans certains cas, évolué de manière déconnectée. Ceci souligne la multiplicité du trait C4 et l'acquisition graduelle de composants participant à la pompe à CO2 qu'est la photosynthèse C4. Finalement, des analyses phylogénétiques des gènes codant pour la Rubisco (l'enzyme responsable de la fixation du CO2 en carbones organiques dans tous les organismes photosynthétiques) ont montré que l'évolution de la photosynthèse Ça a changé les pressions de sélection sur ce gène. Cinq codons ont été mutés de façon répétée afin d'adapter les propriétés cinétiques de la Rubisco aux fortes concentrations de CO2 présentes dans les cellules photosynthétiques des plantes C4. Globalement, l'approche phylogénétique adoptée durant cette thèse de doctorat a permis de démontré des phénomène fréquents de convergence génétique sur les enzymes liées à la photosynthèse C4. Les traces génétiques de l'évolution de la photosynthèse C4 ont permis de reconstituer des évènements qui se sont produits durant les derniers 30 millions d'années et ont prouvé l'utilité d'étudier des gènes directement responsables des variations phénotypiques pour inférer l'histoire évolutive d'un trait donné.

Characterization of PHO1 and PHO1;H1 gene function in Arabidopsis thaliana

Summary Phosphorus is one of the major macronutrients required for plant growth and development. Plant roots acquire phosphorus as inorganic phosphate (Pi), which is further distributed to the shoot, via the transpiration stream and root pressure, where Pi is imported again into cells. PHO1 in Arabidopsis has been identified as a protein involved in the loading of Pi into the root xylem. PHO1 does not have any homology to described Pi transporters including the Pht1 family of H+/ Pi cotransporters. PHO1 bears two domains, SPX and EXS domains, previously identified in Saccharomyces cerevisiae proteins involved in Pi transport and/or sensing, or in sorting proteins to endomembranes. Phylogenetic analysis of the PHO1 gene family revealed the presence of three clusters, with PHO1 and PHO1;H1 forming one cluster. The biological significance behind this cluster was demonstrated by the complementation of the pho1 mutant with only PHO1 and PHO1;H1, of all the PHO1 family members, when expressed under the PHO1 promoter. PHO1 has been shown to be expressed mostly in the root vascular cylinder and at low level in the shoot. PHO1;H1 had a different expression pattern, being expressed in both root and shoot vascular cylinder to the same level, with the levels in leaves increasing with the leaf maturity, suggesting additional role of PHO1;H1 in the Pi mobilization in leaves. In order to further explore the role of PHO1, Pi dynamics was studied on plants expressing PHO1 at different levels compared to the wild type: PHO1 overexpressors, PHO1 underexpressors and the pho1 mutant. Overexpression of the PHO1 protein in the shoot vascular tissue was shown to lead to increased Pi efflux out of the leaf cells and Pi accumulation in the shoot xylem apoplast compared to wild type, confirming the hypothesized role of PHO1 in xylem loading with Pi. The overexpression of PHO1 in the shoot was responsible far both changed Pi dynamic and stunted growth of PHO1 overexpressors, as shown by grafting experiments between wild type and PHO1 overexpressor. We found a ca. 2 fold decrease of shoot phosphorus and a 5-10 fold decrease in vacuolar Pi content in the PHO1 underexpressors and the pho1 null mutant compared to wild type, consistent with the role of PHO1 in the transfer of Pi from the root to the shoot. Shoot Pi deficiency results in a poor growth of the pho1 mutant. Grafting experiments between pho1 and wild type confirmed that both Pi deficiency and stunt growth of the pho1 mutant were dependent on the pho1 root, further supporting the importance of PHO1 in the root xylem loading with Pi. The pho1 mutant and the PHO1 underexpressors accumulated 8-15 fold more Pi in the root relative to wild type. In contrast to the pho1 mutant, the growth of PHO1 underexpressors was not impaired by the low shoat Pi content. This finding suggests that either PHO1 protein or root Pi concentration is important in Pi signaling and development of Pi deficiency symptoms leading to reduced growth. Résumé Le phosphore est l'un des nutriments essentiels à la croissance et au développement des plantes. Les racines absorbent le phosphore sous forme de phosphate inorganique (Pi) qui est dirigé, par la transpiration et la pression de la racine, vers les feuilles où le phosphate est acquis par les cellules. La protéine PHO1 a été démontrée indispensable au chargement du Pi dans le xylème des racines d'Arabidopsis. PHO1 ne démontre pas d'homologie aux transporteurs de Pi connus, incluant la famille Pht1 de cotransporteurs H+/Pi qui ont comme fonction le transport du phosphate à l'intérieur de la cellule. PHO1 contient deux domaines, SPX et EXS, aussi présents dans des protéines de Saccharomyces cerevisiae impliquées dans le transport ou la perception du phosphate, ou dans la localisation des protéines vers différentes membranes. Le génome d'Arabidopsis contient onze gènes homologues à PHO1. Neuf de ces homologues sont répartis en trois groupes. PHO1 et PHO1;H1 forment un de ces groupes. Nos travaux ont démontré que seuls PHO1;H1 et PHO1, sous contrôle du promoteur PHO1, peuvent complémenter le mutant pho1. PHO1 est exprimé principalement dans le cylindre vasculaire de la racine et faiblement dans la partie aérienne. Le degré d'expression de PHO1;H1 est similaire dans le cylindre vasculaire de la racine et des feuilles. Ceci suggère que PHO1;H1 est aussi impliqué dans la mobilisation du Pi dans les feuilles, en plus de son rôle dans le transfert du Pi dans le xylème des racines. Afin de mieux explorer le rôle de PHO1, la dynamique du phosphate a été observée dans trois lignées de plantes transgéniques: un sur-expresseur de PHO1, un sous-expresseur de PHO1 et le mutant pho1. La sur-expression de PHO1 dans le tissue vasculaire des feuilles a provoqué l'efflux du Pi vers l'espace apoplastic du xylème, ce qui confirme le rôle de PHO1 dans le chargement du Pi dans le xylème. La sur-expressìon de PHO1 dans la rosette est responsable d'un changement de la dynamique du Pi et de la diminution de la croissance, ce qui fut démontré par une expérience de greffe de la rosette du sur-expresseur de PHO1 sur les racines du sauvage. On a observé pour le sous-expresseur de PHO1 et le mutant pho1 une diminution du phosphore d'environ 2 fais au niveau des feuilles, et une diminution de 5-10 fois du Pi dans les vacuoles des feuilles, par rapport au sauvage. Ceci confirme le rôle proposé de PHO1 dans le transfert du Pi des racines aux feuilles. La carence de Pi chez pho1 implique une diminution de la taille de la rosette. Pour expliquer ce phénotype une autre expérience de greffe démontra que la cause de ce changement provenait des racines. Ceci renforce l'hypothèse de l'importance du rôle de PHO1 dans le xylème de la racine pour le chargement du Pi. Le mutant phot et le sous-expresseur de PHO1 accumulent 8-15 fois plus de Pi dans leurs racines comparé au sauvage. Cependant, contrairement au phot mutant, le sous-expresseur de PHO1 avait une croissance comparable au sauvage malgré le niveau bas du Pi dans les feuilles. Ceci suggère que la taille de la rosette lors d'une carence en Pi chez Arabidopsis serait la conséquence d'un changement de concentration de Pi dans les racines ou d'une influence de la protéine PHO1.

Analysis of micro- and nano-structures of the corneal surface of Drosophila and its mutants by atomic force microscopy and optical diffraction.

Drosophila melanogaster is a model organism instrumental for numerous biological studies. The compound eye of this insect consists of some eight hundred individual ommatidia or facets, ca. 15 µm in cross-section. Each ommatidium contains eighteen cells including four cone cells secreting the lens material (cornea). High-resolution imaging of the cornea of different insects has demonstrated that each lens is covered by the nipple arrays--small outgrowths of ca. 200 nm in diameter. Here we for the first time utilize atomic force microscopy (AFM) to investigate nipple arrays of the Drosophila lens, achieving an unprecedented visualization of the architecture of these nanostructures. We find by Fourier analysis that the nipple arrays of Drosophila are disordered, and that the seemingly ordered appearance is a consequence of dense packing of the nipples. In contrast, Fourier analysis confirms the visibly ordered nature of the eye microstructures--the individual lenses. This is different in the frizzled mutants of Drosophila, where both Fourier analysis and optical imaging detect disorder in lens packing. AFM reveals intercalations of the lens material between individual lenses in frizzled mutants, providing explanation for this disorder. In contrast, nanostructures of the mutant lens show the same organization as in wild-type flies. Thus, frizzled mutants display abnormal organization of the corneal micro-, but not nano-structures. At the same time, nipples of the mutant flies are shorter than those of the wild-type. We also analyze corneal surface of glossy-appearing eyes overexpressing Wingless--the lipoprotein ligand of Frizzled receptors, and find the catastrophic aberration in nipple arrays, providing experimental evidence in favor of the major anti-reflective function of these insect eye nanostructures. The combination of the easily tractable genetic model organism and robust AFM analysis represents a novel methodology to analyze development and architecture of these surface formations.

An ultra-sensitive impedimetric immunosensor for detection of the serum oncomarker CA-125 in ovarian cancer patients.

Effective treatment of ovarian cancer depends upon the early detection of the malignancy. Here, we report on the development of a new nanostructured immunosensor for early detection of cancer antigen 125 (CA-125). A gold electrode was modified with mercaptopropionic acid (MPA), and then consecutively conjugated with silica coated gold nanoparticles (AuNP@SiO2), CdSe quantum dots (QDs) and anti-CA-125 monoclonal antibody (mAb). The engineered MPA|AuNP@SiO2|QD|mAb immunosensor was characterised using transmission electron microscopy (TEM), atomic force microscopy (AFM), cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Successive conjugation of AuNP@SiO2, CdSe QD and anti-CA-125 mAb onto the gold electrode resulted in sensitive detection of CA-125 with a limit of detection (LOD) of 0.0016 U mL(-1) and a linear detection range (LDR) of 0-0.1 U mL(-1). Based on the high sensitivity and specificity of the immunosensor, we propose this highly stable and reproducible biosensor for the early detection of CA-125.

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.

Pathophysiological mechanisms of catecholamine and cocaine-mediated cardiotoxicity.

Overactivation of the sympatho-adrenergic system is an essential mechanism providing short-term adaptation to the stressful conditions of critical illnesses. In the same way, the administration of exogenous catecholamines is mandatory to support the failing circulation in acutely ill patients. In contrast to these short-term benefits, prolonged adrenergic stress is detrimental to the cardiovascular system by initiating a series of adverse effects triggering significant cardiotoxicity, whose pathophysiological mechanisms are complex and only partially elucidated. In addition to the development of myocardial oxygen supply/demand imbalance induced by the sustained activation of adrenergic receptors, catecholamines can damage cardiomyocytes by fostering mitochondrial dysfunction, via two main mechanisms. The first one is calcium overload, consecutive to β-adrenergic receptor-mediated activation of protein kinase A and subsequent phosphorylation of multiple Ca(2+)-cycling proteins. The second one is oxidative stress, primarily related to the transformation of catecholamines into "aminochromes," which undergo redox cycling in mitochondria to generate copious amounts of oxygen-derived free radicals. In turn, calcium overload and oxidative stress promote mitochondrial permeability transition and cardiomyocyte cell death, both via the apoptotic and necrotic pathways. Comparable mechanisms of myocardial toxicity, including marked oxidative stress and mitochondrial dysfunction, have been reported with the use of cocaine, a common recreational drug with potent sympathomimetic activity. The aim of the current review is to present in detail the pathophysiological processes underlying the development of catecholamine and cocaine-induced cardiomyopathy, as such conditions may be frequently encountered in the clinical practice of cardiologists and ICU specialists.