Rôle de la ghréline dans la régulation du coactivateur transcriptionnel PGC-1alpha

L’adaptation de l’organisme à son environnement est essentielle à sa survie. L’homéostasie énergétique permet l’équilibre entre les apports, les dépenses et le stockage d’énergie. Un surplus calorique important dérègle ce processus et mène au développement du syndrome métabolique caractérisé, entre autres, par une obésité, un diabète de type II, des maladies cardiovasculaires et des dyslipidémies. La ghréline participe au maintien de l’équilibre énergétique durant le jeûne en stimulant la production de glucose par le foie et le stockage lipidique dans le tissu adipeux. Le coactivateur transcriptionnel PGC-1alpha, surexprimé en situation de jeûne, est impliqué dans l’induction de la production de glucose par le foie et l’oxydation des acides gras. Notre hypothèse est que ces deux acteurs clés du métabolisme énergétique constituent un axe de régulation commun. Dans cette étude, nous montrons que la ghréline participe à la régulation de PGC-1alpha. Son récepteur GHS-R1a, possédant une forte activité constitutive, est également impliqué de façon indépendante au ligand. GHS-R1a réduit l’activité transcriptionnelle de PGC-1alpha tandis que l’ajout du ligand inverse modérément cette action. L’effet de GHS-R1a corrèle avec l’acétylation de PGC-1alpha qui est fortement augmentée de façon dose-dépendante. La stabilité de PGC-1alpha est également augmentée par le GHS-R1a indépendamment de l’ubiquitine. La ghréline diminue la capacité de PGC-1alpha à lier PPARbeta, un récepteur nucléaire partenaire de PGC-1alpha. De plus, la ghréline réduit, de façon ligand-dépendante, la capacité de coactivation de PGC-1alpha sur PPARbeta dans les hépatocytes. L’ensemble de ces résultats identifie PGC-1alpha comme cible du signal de la ghréline et suggère un axe de régulation ghréline/PGC-1alpha/PPARbeta.Une meilleure compréhension de cet axe de régulation va permettre la mise en évidence de nouvelles cibles thérapeutiques pour faire face aux pathologies associées au syndrome métabolique.

Les mécanismes de régulation du métabolisme lipidique par les peptides QRFP (pyroglutamylated RF-amide peptides)

Plusieurs cibles thérapeutiques dans le développement de médicaments contre l’obésité visent une diminution de l’appétit et de la masse adipeuse et à augmenter la dépense énergétique. L’appétit et le métabolisme énergétique sont régulés par certains neuropeptides qui agissent au niveau du système nerveux central, notamment dans l’hypothalamus. Parmi ces neuropeptides, les peptides RF-amide ou QRFP (pyroglutamylated RF-amide peptides), ainsi nommés par la présence du motif conservé Arg-Phe-NH2 dans le domaine C-terminal, induisent une hyperphagie et une augmentation de la masse adipeuse lorsqu’administrés par voie centrale. Les formes bioactives de ces peptides comprennent principalement 43 (QRFP-43) et 26 (QRFP-26) acides aminés. Outre les peptides QRFP, leurs récepteurs, les GPR103 de la famille des récepteurs à 7 passages transmembranaires couplés aux protéines G, sont exprimés dans l’hypothalamus. Plus récemment, des études ont montré la sécrétion de ces neuropeptides, et la présence du GPR103, dans le tissu adipeux. Cependant, le rôle de la voie signalétique (QRFP/GPR103) dans la régulation du métabolisme lipidique au niveau périphérique est peu connu. Les travaux de cette thèse ont porté sur la caractérisation des effets adipogéniques périphériques des neuropeptides QRFP. En premier lieu, nos travaux ont montré que les adipocytes 3T3-L1 et les adipocytes murins isolés des dépôts adipeux blancs expriment le prépro-QRFP et uniquement le récepteur GPR103B, un des deux sous-types de récepteurs présents chez la souris. De plus, nous avons montré que l’expression du récepteur est régulée par une diète riche en lipides réduisant l’expression du prépro-QRFP, mais augmentant celle du GPR103B dans les dépôts lipidiques. Chez l’humain, les adipocytes de l’omentum expriment autant le GPR103 que le prépro-QRFP. Nous avons de plus étudié la fonctionnalité du GPR103B dans les adipocytes 3T3-L1 par l’utilisation d’ARN interférents. Nous avons observé que ce récepteur médie les effets adipogéniques des QRFPs en augmentant l’expression du récepteur nucléaire PPAR-gamma (peroxisome proliferator-activated receptor gamma) et le facteur de transcription C/EBP-alpha (CCAAT-enhancer binding protein alpha) résultant en une accumulation des triglycérides. Nous avons aussi mis en évidence les effets anti-lipolytiques des QRFPs. En effet, les QRFP inhibent fortement la lipolyse induite avec l’isoprotérénol. L’étude des mécanismes moléculaires à l’origine des effets anti-lipolytiques du QRFP-43 a montré l’activation de la voie de signalisation PI3-K/PKB (phosphatidylinositol 3-kinase/protéine kinase B) en réponse à la stimulation du GPR103B. La réponse anti-lipolytique induite par le QRFP-43 est associée à une diminution de la phosphorylation de la périlipine A (PLIN1a) et de la lipase hormono-sensible (HSL). Nos études ont élucidé les mécanismes conduisant à l’inhibition de la phosphorylation de la PLIN1a en réponse à l’activation du GPR103B, impliquant l’inhibition de la migration de la cavéoline 1 et de la sous unité catalytique de la protéine kinase A (PKA) au niveau des gouttelettes lipidiques, ainsi que l’inhibition de l’activité des Src kinases et de la protéine kinase C (PKC). En conclusion, nos travaux ont montré que les QRFP-43 et -26 exercent un effet adipogénique et anti-lipolytique dans les adipocytes, mettant ainsi en évidence le rôle des neuropeptides QRFPs dans la régulation du métabolisme lipidique au niveau adipocytaire.

Leptin modulation of locomotor and emotional behaviors : the role of STAT3 signaling in dopamine neurons

La leptine circule en proportion de la masse graisseuse du corps et la transduction de son signal à travers la forme longue de son récepteur via un certain nombre de voies neurales , y compris MAPK, PI3-K ,AMPK et JAK2 - STAT3 . Il faut noter que STAT3 constitue une voie clée au récepteur de la leptine par laquelle la leptine module l'expression des gènes impliqués dans la régulation du bilan énergétique. La plupart des recherches ont porté sur la fonction du récepteur de la leptine au sein de l' hypothalamus, en particulier la fonction du récepteur de la leptine dans le noyau arqué. Toutefois, les récepteurs de la leptine sont également exprimés sur les neurones dopaminergiques de l'aire tégmentale ventrale et la leptine agit sur cette région du cerveau pour influencer la prise alimentaire, la motivation, la locomotion, l'anxiété et la transmission de la dopamine. De plus, la leptine active la STAT3 dans les dopaminergiques et GABAergiques populations neuronales. Bien que ces résultats contribuent à notre compréhension des multiples actions de la leptine dans le système nerveux central, il reste à résoudre les cellules et la signalisation du récepteur de la leptine qui sont responsables des effets neurocomportementaux de la leptine dans le mésencéphale. Visant à déterminer la contribution de la voie de signalisation STAT3 dans les neurones dopaminergiques du mésencéphale, nous avons généré une lignée de souris knockout conditionnel dans lequel l'activation du gène de STAT3 sur son résidu tyrosine 705 ( Tyr 705 ) est absent spécifiquement dans les neurones dopaminergiques. Avec l'utilisation de ce modèle de souris génétique, nous avons évalué l'impact de l'ablation de la signalisation STAT3 dans les neurones dopaminergiques sur un certain nombre de fonctions liées à la dopamine, y compris l'alimentation, la locomotion, les comportements liés à la récompense, l'émotion et la libération de dopamine dans le noyau accumbens. Fait intéressant, nous avons observé un dimorphisme sexuel dans le phénotype des souris STAT3DAT-KO. L'activation de la voie de signalisation STAT3 dans les neurones dopaminergiques est responsable de l'action de la leptine dans la réduction de la locomotion, récompense liée à l'activité physique, et de l'augmentation de la libération et de la disponibilité de la dopamine chez les souris mâles. Cependant, il ne module pas le comportement émotionnel. D'autre part, les souris femelles STAT3DAT-KO augmentent les niveaux d'anxiété et les niveaux plasmatiques de corticostérone, sans provoquer de changements de la dépression. Cependant, la perte d'activation de STAT3 dans les neurones dopaminergiques ne module pas le comportement locomoteur chez les souris femelles. Notamment, les actions de la leptine dans le mésencéphale pour influencer le comportement alimentaire ne sont pas médiées par l'activation de STAT3 dans les neurones dopaminergiques, considérant que les souris mâles et femelles ont un comportement alimentaire normal. Nos résultats démontrent que la voie de signalisation STAT3 dans les neurones dopaminergiques est responsable des effets anxiolytiques de la leptine, et soutient l'hypothèse que la leptine communique l'état d'énergie du corps (i.e. la relation entre la dépense et les apports énergétiques) pour les régions mésolimbiques pour atténuer les effets de motivation et de récompense de plusieurs comportements qui servent à réhabiliter ou à épuiser les réserves d'énergie. En outre, ce travail souligne l'importance d'étudier la modulation de la signalisation de la leptine dans différente types de cellules, afin d'identifier les voies de signalisation et les mécanismes cellulaires impliqués dans les différentes fonctions neuro-comportementales de la leptine.

Caractérisation et régulation du métabolisme des acides gras dans l’hypothalamus

Un déséquilibre de la balance énergétique constitue la principale cause du développement des pathologies métaboliques telles que l’obésité et le diabète de type 2. Au sein du cerveau, l’hypothalamus joue un rôle primordial dans le contrôle de la prise alimentaire et du métabolisme périphérique via le système nerveux autonome. Ce contrôle, repose sur l’existence de différentes populations neuronales au sein de l’hypothalamus médio-basal (MBH), neurones à neuropeptide Y (NPY)/Agouti-related peptide (AgRP), et neurones a proopiomelanocortine (POMC), dont l’activité est directement modulée par les variations des taux circulants des nutriments tels que le glucose et les acides gras (FA). Alors que les mécanismes de détection et le métabolisme intracellulaire du glucose ont été largement étudiés, l’implication du métabolisme intracellulaire des FA dans leurs effets centraux, est très peu comprise. De plus, on ignore si le glucose, module le métabolisme intracellulaire des acides gras à longue chaine (LCFA) dans le MBH. Le but de notre première étude est, de déterminer l'impact du glucose sur le métabolisme des LCFA, le rôle de l’AMP-activated protein kinase (AMPK), kinase détectrice du statut énergétique cellulaire, et d'établir s’il y a des changements dans le métabolisme des LCFA en fonction de leur structure, du type cellulaire et de la région cérébrale. Nos résultats montrent que le glucose inhibe l'oxydation du palmitate via l’AMPK dans les neurones et les astrocytes primaires hypothalamiques, in vitro, ainsi que dans les explants du MBH, ex vivo, mais pas dans les astrocytes et les explants corticaux. De plus, le glucose augmente l'estérification du palmitate et non de l’oléate dans les neurones et les explants du MBH, mais pas dans les astrocytes hypothalamiques. Ces résultats décrivent le devenir métabolique de différents LCFA dans le MBH, ainsi que, la régulation AMPK - dépendante de leur métabolisme par le glucose dans les astrocytes et les neurones, et démontrent pour la première fois que le métabolisme du glucose et des LCFA est couplé spécifiquement dans les noyaux du MBH, dont le rôle est critique pour le contrôle de l'équilibre énergétique. Le deuxième volet de cette thèse s’est intéressé à déterminer les mécanismes intracellulaires impliqués dans le rôle de la protéine de liaison ACBP dans le métabolisme central des FA. Nous avons démontré que le métabolisme de l’oléate et non celui du palmitate est dépendant de la protéine ACBP, dans les astrocytes hypothalamiques ainsi que dans les explants du MBH. Ainsi, nos résultats démontrent qu’ACBP, protéine identifiée originellement au niveau central, comme un modulateur allostérique des récepteurs GABA, agit comme un régulateur du métabolisme intracellulaire des FA. Ces résultats ouvrent de nouvelles pistes de recherche liées à la régulation du métabolisme des acides gras au niveau central, ainsi que, la nouvelle fonction de la protéine ACBP dans la régulation du métabolisme des FA au niveau du système nerveux central. Ceci aiderait à identifier des cibles moléculaires pouvant contribuer au développement de nouvelles approches thérapeutiques de pathologies telles que l’obésité et le diabète de type 2.

Adrenergic and muscarinic receptor subtypes functional regulation during diabetogenesis: Effect of curcumin and vitamin D3 pre-treatment

In the present study, the initial phase was directed to confirm the effects of curcumin and vitamin D3 in preventing or delaying diabetes onset by studying the blood glucose and insulin levels in the pre-treated and diabetic groups. Behavioural studies were conducted to evaluate the cognitive and motor function in experimental rats. The major focus of the study was to understand the cellular and neuronal mechanisms that ensure the prophylactic capability of curcumin and vitamin D3. To elucidate the mechanisms involved in conferring the antidiabetogenesis effect, we examined the DNA and protein profiles using radioactive incorporation studies for DNA synthesis, DNA methylation and protein synthesis. Furthermore the gene expression studies of Akt-1, Pax, Pdx-1, Neuro D1, insulin like growth factor-1 and NF-κB were done to monitor pancreatic beta cell proliferation and differentiation. The antioxidant and antiapoptotic actions of curcumin and vitamin D3 were examined by studying the expression of antioxidant enzymes - SOD and GPx, and apoptotic mediators like Bax, caspase 3, caspase 8 and TNF-α. In order to understand the signalling pathways involved in curcumin and vitamin D3 action, the second messengers, cAMP, cGMP and IP3 were studied along with the expression of vitamin D receptor in the pancreas. The neuronal regulation of pancreatic beta cell maintenance, proliferation and insulin release was studied by assessing the adrenergic and muscarinic receptor functional regulation in the pancreas, brain stem, hippocampus and hypothalamus. The receptor number and binding affinity of total muscarinic, muscarinic M1, muscarinic M3, total adrenergic, α adrenergic and β adrenergic receptor subtypes were studied in pancreas, brain stem and hippocampus of experimental rats. The mRNA expression of muscarinic and adrenergic receptor subtypes were determined using Real Time PCR. Immunohistochemistry studies using confocal microscope were carried out to confirm receptor density and gene expression results. Cell signalling alterations in the pancreas and brain regions associated with diabetogenesis and antidiabetogenesis were assessed by examining the gene expression profiles of vitamin D receptor, CREB, phospholipase C, insulin receptor and GLUT. This study will establish the anti-diabetogenesis activity of curcumin and vitamin D3 pre-treatment and will attempt to understand the cellular, molecular and neuronal control mechanism in the onset of diabetes.Administration of MLD-STZ to curcumin and vitamin D3 pre-treated rats induced only an incidental prediabetic condition. Curcumin and vitamin D3 pretreated groups injected with MLD-STZ exhibited improved circulating insulin levels and behavioural responses when compared to MLD-STZ induced diabetic group. Activation of beta cell compensatory response induces an increase in pancreatic insulin output and beta cell mass expansion in the pre-treated group. Cell signalling proteins that regulate pancreatic beta cell survival, insulin release, proliferation and differentiation showed a significant increase in curcumin and vitamin D3 pre-treated rats. Marked decline in α2 adrenergic receptor function in pancreas helps to relent sympathetic inhibition of insulin release. Neuronal stimulation of hyperglycemia induced beta cell compensatory response is mediated by escalated signalling through β adrenergic, muscarinic M1 and M3 receptors. Pre-treatment mediated functional regulation of adrenergic and cholinergic receptors, key cell signalling proteins and second messengers improves pancreatic glucose sensing, insulin gene expression, insulin secretion, cell survival and beta cell mass expansion in pancreas. Curcumin and vitamin D3 pre-treatment induced modulation of adrenergic and cholinergic signalling in brain stem, hippocampus and hypothalamus promotes insulin secretion, beta cell compensatory response, insulin sensitivity and energy balance to resist diabetogenesis. Pre-treatment improved second messenger levels and the gene expression of intracellular signalling molecules in brain stem, hippocampus and hypothalamus, to retain a functional neuronal response to hyperglycemia. Curcumin and vitamin D3 protect pancreas and brain regions from oxidative stress by their indigenous antioxidant properties and by their ability to stimulate cellular free radical defence system. The present study demonstrates the role of adrenergic and muscarinic receptor subtypes functional regulation in curcumin and vitamin D3 mediated anti-diabetogenesis. This will have immense clinical significance in developing effective strategies to delay or prevent the onset of diabetes.

Randzonenveränderung beim Bohren und ihre Auswirkung auf Folgebearbeitungsverfahren

In der Praxis kommt es bei der spanenden Bearbeitung immer wieder zu großen Standwegunterschieden identischer Werkzeuge bei vordergründig identischen Bearbeitungsrandbedingungen. Insbesondere bei Fertigungsschritten, die das Bohren als Vorbearbeitung erfordern, kommt es gelegentlich zu atypischen Verschleißerscheinungen, die auf das Entstehen einer Neuhärtezone an der Werkstückoberfläche beim Bohren zurückgeführt werden. Grundsätzlich sind Randzonenveränderungen eine Folge der mechanischen und thermischen Beanspruchung bei der Bearbeitung. Beim Eindringen des Schneidkeils kommt es zu Kornverzerrungen, welche die Werkstückhärte bis in eine Tiefe von 40 bis 80 µm erhöhen können. Überdies wird die Randzone des Werkstücks durch den Bearbeitungsvorgang und den Spantransport erhitzt und durch den Kühlschmierstoff bzw. die so genannte Selbstabschreckung im Anschluss sehr schnell abgekühlt. So kann es in Abhängigkeit der Randbedingungen zu Gefügeänderungen mit härtesteigernder (Sekundärabschreckung) oder härtemindernder (Anlasseffekte) Wirkung kommen. Nicht zuletzt beeinflussen beide Beanspruchungsarten auch das Ausmaß der Eigenspannungen in der Werkstückoberfläche. In dieser Arbeit werden die beim Kernlochbohren erzeugten Randzonenveränderungen sowie die Standzeit von Folgebearbeitungswerkzeugen, wie Gewindebohrern und Gewindeformern, und deren Abhängigkeit vom Verschleißzustand des Kernlochbohrers untersucht. Weiterhin werden mit Hilfe einer Energiebilanz die Anteile herausgefiltert, die primär die Eigenschaften der Bohrungsrandzone beeinflussen. Dies geschieht mit Hilfe einer mathematischen Modellierung des Bohrprozesses, in der die Einflüsse der Schneidkantengeometrie, der Schneidkantenverrundung, der Schneidkantenfase sowie des Freiflächenverschleißes berücksichtigt werden.

Immunologisches Reaktionsvermögen als Indikator für Belastungen bei der Milchkuh

Mit ansteigenden Jahresmilchleistungen werden die Kühe einer hohen metabolischen Belastung ausgesetzt, die bei einer suboptimalen Gestaltung der Lebensbedingungen mit einer Erhöhung der Inzidenzrate von Faktorenkrankheiten einhergehen kann. Im Vordergrund der Untersuchungen stand die Frage, inwieweit metabolische Belastungszustände von Milchkühen in der Phase des Puerperiums und in Abhängigkeit von der Milchleistung sowie Belastungen durch eine klinische Erkrankung zu Beginn der Laktation mit Hilfe von Parametern der immunologischen Abwehr und der Reaktion des Immunsystems auf eine Challenge dargestellt werden können. In die Untersuchung wurden insgesamt 68 klinisch gesunde sowie 20 klinisch erkrankte Milchkühe der Rasse Holstein Friesian einbezogen. Die Untersuchungen erfolgten in den Zeiträumen 10-21 Tage sowie 14-15 Wochen nach der Kalbung. Dazu wurden an jeweils drei Untersuchungstagen (Tag 0, 2, 7) Blutproben aus der Vena jugularis entnommen. Zur Stimulierung des unspezifischen Immunsystems wurde in beiden Versuchszeiträumen an den Untersuchungstagen 0 und 2 der Paramunitätsinducer Zylexis® appliziert. Ferner wurde den Kühen zu Beginn der Laktation der Tollwutimpfstoff Rabisin® verabreicht. Für die Auswertung wurden die untersuchten Milchkühe in Gruppen unterteilt. Die klinisch gesunden Kühe wurden anhand der nach Fett und Eiweiß korrigierten 305-Tage-Leistung in die Gruppe M = mittleres Leistungsniveau (Milchmengenleistung 6.500-8.990 kg) und die Gruppe H = hohes Leistungsniveau (Milchmengenleistung 9.000-12.500 kg) aufgeteilt. Die klinisch erkrankten Kühe wurden in der Gruppe K zusammengefasst. Zur Beurteilung der Immunabwehr wurden die Parameter Phagozytoseaktivität der isolierten Neutrophilen Granulozyten, die Vollblutbakterizidie, die Lymphozytenproliferation mit den Mitogenen ConA, PHA und PWM sowie die spezifische Antikörperbildung gegen Tollwut untersucht. Anhand der Parameter Phagozytoseaktivität, Vollblutbakterizidie und Lymphozytenproliferation wurde zusätzlich die Reaktion auf die Challenge mit dem Paramunitätsinducer Zylexis® überprüft. Zur Erfassung der metabolischen Belastungszustände wurden verschiedene Stoffwechselparameter und hämatologische Parameter erfasst. Zu Beginn der Laktation konnten bei den Kühen in der mittleren und hohen Leistungsgruppe signifikant höhere Konzentrationen an ß-Hydroxybuttersäure und Freien Fettsäuren im Vergleich zu der Laktationsmitte festgestellt werden. Die Kühe mit einem hohen Leistungsniveau zeigten darüber hinaus eine signifikant höhere Bilirubinkonzentration am Laktationsanfang gegenüber der Laktationsmitte. Die mittlere Konzentration der freien Fettsäuren lag bei den Kühen in beiden Leistungsgruppen oberhalb des Referenzbereiches und wies auf eine negative Energiebilanz zu Laktationsbeginn hin. Die mittleren Konzentrationen bzw. Enzymaktivitäten der Parameter Cholesterol, Harnstoff, AST, GLDH, γ-GT, Gesamtprotein, Kalzium und Phosphor wiesen in der Laktationsmitte signifikant höhere Werte als am Laktationsanfang auf. Dabei lagen die mittleren Enzymaktivitäten von AST und GLDH sowie die Konzentrationen von Harnstoff und Gesamtprotein in der Laktationsmitte oberhalb des Referenzbereiches. Die untersuchten Stoffwechselparameter wurden durch die Challenge mit einem Paramunitätsinducer nicht signifikant beeinflusst. Hinsichtlich der Immunparameter zeigten die Milchkühe mit einem mittleren Leistungsniveau in Abhängigkeit vom Laktationszeitpunkt zu Beginn der Laktation eine signifikant höhere Phagozytoseaktivität gegenüber der Laktationsmitte (p < 0,05). Die Gruppe mit einem hohen Leistungsniveau wies dagegen keine signifikanten Unterschiede in der Phagozytoseaktivität zwischen den beiden Untersuchungszeiträumen auf. Bei den Immunparametern Vollblutbakterizidie und Lymphozytenproliferation konnten bei den Kühen beider Gruppen keine signifikanten Unterschiede in Abhängigkeit vom Laktationszeitpunkt festgestellt werden. Im Hinblick auf die Milchleistung wiesen die Kühe in den beiden Leistungsgruppen am Untersuchungstag 0 weder zu Beginn noch in der Mitte der Laktation signifikante Unterschiede bezüglich der untersuchten Immunparameter auf. Nach der Challenge durch den Paramunitätsinducer reagierten einzig die Kühe mit einer mittleren Leistung zu Beginn der Laktation auf die Challenge mit einer signifikanten Reduzierung der mittleren Phagozytoseaktivität von Tag 0 zu Tag 2 (p < 0,05). Bei den weiteren untersuchten Immunparametern konnten weder bei den Kühen mit einer mittleren noch mit einer hohen Leistung eine signifikante Reaktion auf die Challenge nachgewiesen werden. Die klinisch erkrankten Kühe zeigten im Vergleich zu den klinisch gesunden Kühen keine unterschiedlichen Konzentrationen bzw. Aktivitäten der untersuchten Stoffwechselparameter. Auch konnten anhand der immunologischen Parameter und der Reaktion auf die Challenge keine Unterschiede zwischen den klinisch gesunden Kühen festgestellt werden. Die in der vorliegenden Untersuchung geprüften metabolischen Belastungen konnten weder anhand der Immunparameter noch durch die Reaktion der Immunparameter auf eine Challenge dargestellt werden. Es wird geschlussfolgert, dass das immunologische Reaktionsvermögen nicht geeignet ist, um als Indikator für Belastungszustände bei der Milchkuh herangezogen zu werden.

Pure water vapor continuum measurements between 3100 and 4400 cm1: Evidence for water dimer absorption in near atmospheric conditions

Despite the potentially important role that water dimers may play in the Earth’s energy balance, there is still a lack of firm evidence for absorption of radiation by dimers in near-atmospheric conditions. We present results of the first high-resolution laboratory measurements of the water vapor continuum absorption within the 3100–4400 cm1 spectral region at a range of near-room temperatures. The analysis indicates a large contribution of dimer absorption to the water vapor continuum, significantly in excess of that predicted by other modern representations of the continuum. The temperature dependence agrees well with that expected for dimers.

A Bayesian approach to estimate sensible and latent heat over vegetated land surface

Sensible and latent heat fluxes are often calculated from bulk transfer equations combined with the energy balance. For spatial estimates of these fluxes, a combination of remotely sensed and standard meteorological data from weather stations is used. The success of this approach depends on the accuracy of the input data and on the accuracy of two variables in particular: aerodynamic and surface conductance. This paper presents a Bayesian approach to improve estimates of sensible and latent heat fluxes by using a priori estimates of aerodynamic and surface conductance alongside remote measurements of surface temperature. The method is validated for time series of half-hourly measurements in a fully grown maize field, a vineyard and a forest. It is shown that the Bayesian approach yields more accurate estimates of sensible and latent heat flux than traditional methods.

Observations of changes in marine boundary layer clouds

Recent research outlined by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) highlights the response of marine boundary layer (MBL) clouds to warming associated with increasing greenhouse gases as a major contributor to uncertainties in model projections of climate change. Understanding how MBL clouds respond to increasing temperatures is hampered by the relative scarcity of marine surface observations and the difficulty of retrieving accurate parameters remotely from satellites. In this study we combine data from surface observations with that from the International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP), CloudSat and CALIPSO, with a view to investigating the spatial distribution and variations in MBL cloud fraction and cloud liquid water path (LWP). These results are then compared with the treatment of MBL clouds in the UK Met Office HadGEM models. Future work will assess how variations in LWP impact the top of atmosphere radiative energy balance using data from the Geostationary Earth Radiation Budget (GERB), in order to quantify the response of MBL clouds on interannual timescales to a changing climate

Moving towards a more mechanistic approach in the determination of soil heat flux from remote measurements - I. A universal approach to calculate thermal inertia

In this paper we pledge that physically based equations should be combined with remote sensing techniques to enable a more theoretically rigorous estimation of area-average soil heat flux, G. A standard physical equation (i.e. the analytical or exact method) for the estimation of G, in combination with a simple, but theoretically derived, equation for soil thermal inertia (F), provides the basis for a more transparent and readily interpretable method for the estimation of G; without the requirement for in situ instrumentation. Moreover, such an approach ensures a more universally applicable method than those derived from purely empirical studies (employing vegetation indices and albedo, for example). Hence, a new equation for the estimation of Gamma(for homogeneous soils) is discussed in this paper which only requires knowledge of soil type, which is readily obtainable from extant soil databases and surveys, in combination with a coarse estimate of moisture status. This approach can be used to obtain area-averaged estimates of Gamma(and thus G, as explained in paper II) which is important for large-scale energy balance studies that employ aircraft or satellite data. Furthermore, this method also relaxes the instrumental demand for studies at the plot and field scale (no requirement for in situ soil temperature sensors, soil heat flux plates and/or thermal conductivity sensors). In addition, this equation can be incorporated in soil-vegetation-atmosphere-transfer models that use the force restore method to update surface temperatures (such as the well-known ISBA model), to replace the thermal inertia coefficient.

Carbon dioxide induced stomatal closure increases radiative forcing of climate via a rapid reduction in low cloud

We performed an ensemble of twelve five-year experiments using a coupled climate-carbon-cycle model with scenarios of prescribed atmospheric carbon dioxide concentration; CO2 was instantaneously doubled or quadrupled at the start of the experiments. Within these five years, climate feedback is not significantly influenced by the effects of climate change on the carbon system. However, rapid changes take place, within much less than a year, due to the physiological effect of CO2 on plant stomatal conductance, leading to adjustment in the shortwave cloud radiative effect over land, due to a reduction in low cloud cover. This causes a 10% enhancement to the radiative forcing due to CO2, which leads to an increase in the equilibrium warming of 0.4 and 0.7 K for doubling and quadrupling. The implications for calibration of energy-balance models are discussed.

The importance of the diurnal and annual cycle of air traffic for contrail radiative forcing

Air traffic condensation trails, or contrails, are believed to have a net atmospheric warming effect(1), although one that is currently small compared to that induced by other sources of human emissions. However, the comparably large growth rate of air traffic requires an improved understanding of the resulting impact of aircraft radiative forcing on climate(2). Contrails have an effect on the Earth's energy balance similar to that of high thin ice clouds(3). Their trapping of outgoing longwave radiation emitted by the Earth and atmosphere (positive radiative forcing) is partly compensated by their reflection of incoming solar radiation (negative radiative forcing). On average, the longwave effect dominates and the net contrail radiative forcing is believed to be positive(1,2,4). Over daily and annual timescales, varying levels of air traffic, meteorological conditions, and solar insolation influence the net forcing effect of contrails. Here we determine the factors most important for contrail climate forcing using a sophisticated radiative transfer model(5,6) for a site in southeast England, located in the entrance to the North Atlantic flight corridor. We find that night-time flights during winter (December to February) are responsible for most of the contrail radiative forcing. Night flights account for only 25 per cent of daily air traffic, but contribute 60 to 80 per cent of the contrail forcing. Further, winter flights account for only 22 per cent of annual air traffic, but contribute half of the annual mean forcing. These results suggest that flight rescheduling could help to minimize the climate impact of aviation.

A comparative evaluation of functions for partitioning nitrogen and amino acid intake between maintenance and growth in broilers

The results from three types of study with broilers, namely nitrogen (N) balance, bioassays and growth experiments, provided the data used herein. Sets of data on N balance and protein accretion (bioassay studies) were used to assess the ability of the monomolecular equation to describe the relationship between (i) N balance and amino acid (AA) intake and (ii) protein accretion and AA intake. The model estimated the levels of isoleucine, lysine, valine, threonine, methionine, total sulphur AAs and tryptophan resulting in zero balance to be 58, 59, 80, 96, 23, 85 and 32 mg/kg live weight (LW)/day, respectively. These estimates show good agreement with those obtained in previous studies. For the growth experiments, four models, specifically re-parameterized for analysing energy balance data, were evaluated for their ability to determine crude protein (CP) intake at maintenance and efficiency of utilization of CP intake for producing gain. They were: a straight line, two equations representing diminishing returns behaviour (monomolecular and rectangular hyperbola) and one equation describing smooth sigmoidal behaviour with a fixed point of inflexion (Gompertz). The estimates of CP requirement for maintenance and efficiency of utilization of CP intake for producing gain varied from 5.4 to 5.9 g/kg LW/day and 0.60 to 0.76, respectively, depending on the models.

A comparative evaluation of functions for the analysis of growth in male broilers

Data from six studies with male broilers fed diets covering a wide range of energy and protein were used in the current two analyses. In the first analysis, five models, specifically re-parameterized for analysing energy balance data, were evaluated for their ability to determine metabolizable energy intake at maintenance and efficiency of utilization of metabolizable energy intake for producing gain. In addition to the straight line, two types of functional form were used. They were forms describing (i) diminishing returns behaviour (monomolecular and rectangular hyperbola) and (ii) sigmoidal behaviour with a fixed point of inflection (Gompertz and logistic). These models determined metabolizable energy requirement for maintenance to be in the range 437-573 kJ/kg of body weight/day depending on the model. The values determined for average net energy requirement for body weight gain varied from 7(.)9 to 11(.)2 kJ/g of body weight. These values show good agreement with previous studies. In the second analysis, three types of function were assessed as candidates for describing the relationship between body weight and cumulative metabolizable energy intake. The functions used were: (a) monomolecular (diminishing returns behaviour), (b) Gompertz (smooth sigmoidal behaviour with a fixed point of inflection) and (c) Lopez, France and Richards (diminishing returns and sigmoidal behaviour with a variable point of inflection). The results of this analysis demonstrated that equations capable of mimicking the law of diminishing returns describe accurately the relationship between body weight and cumulative metabolizable energy intake in broilers.