Historical contingency affects signaling strategies and competitive abilities in evolving populations of simulated robots.

One of the key innovations during the evolution of life on earth has been the emergence of efficient communication systems, yet little is known about the causes and consequences of the great diversity within and between species. By conducting experimental evolution in 20 independently evolving populations of cooperatively foraging simulated robots, we found that historical contingency in the occurrence order of novel phenotypic traits resulted in the emergence of two distinct communication strategies. The more complex foraging strategy was less efficient than the simpler strategy. However, when the 20 populations were placed in competition with each other, the populations with the more complex strategy outperformed the populations with the less complex strategy. These results demonstrate a tradeoff between communication efficiency and robustness and suggest that stochastic events have important effects on signal evolution and the outcome of competition between distinct populations.

Analysis of acute brain slices by electron microscopy: A correlative light-electron microscopy workflow based on Tokuyasu cryo-sectioning.

Acute brain slices are slices of brain tissue that are kept vital in vitro for further recordings and analyses. This tool is of major importance in neurobiology and allows the study of brain cells such as microglia, astrocytes, neurons and their inter/intracellular communications via ion channels or transporters. In combination with light/fluorescence microscopies, acute brain slices enable the ex vivo analysis of specific cells or groups of cells inside the slice, e.g. astrocytes. To bridge ex vivo knowledge of a cell with its ultrastructure, we developed a correlative microscopy approach for acute brain slices. The workflow begins with sampling of the tissue and precise trimming of a region of interest, which contains GFP-tagged astrocytes that can be visualised by fluorescence microscopy of ultrathin sections. The astrocytes and their surroundings are then analysed by high resolution scanning transmission electron microscopy (STEM). An important aspect of this workflow is the modification of a commercial cryo-ultramicrotome to observe the fluorescent GFP signal during the trimming process. It ensured that sections contained at least one GFP astrocyte. After cryo-sectioning, a map of the GFP-expressing astrocytes is established and transferred to correlation software installed on a focused ion beam scanning electron microscope equipped with a STEM detector. Next, the areas displaying fluorescence are selected for high resolution STEM imaging. An overview area (e.g. a whole mesh of the grid) is imaged with an automated tiling and stitching process. In the final stitched image, the local organisation of the brain tissue can be surveyed or areas of interest can be magnified to observe fine details, e.g. vesicles or gold labels on specific proteins. The robustness of this workflow is contingent on the quality of sample preparation, based on Tokuyasu's protocol. This method results in a reasonable compromise between preservation of morphology and maintenance of antigenicity. Finally, an important feature of this approach is that the fluorescence of the GFP signal is preserved throughout the entire preparation process until the last step before electron microscopy.

A finite-population revenue management model and a risk-ratio procedure for the joint estimation of population size and parameters

Many dynamic revenue management models divide the sale period into a finite number of periods T and assume, invoking a fine-enough grid of time, that each period sees at most one booking request. These Poisson-type assumptions restrict the variability of the demand in the model, but researchers and practitioners were willing to overlook this for the benefit of tractability of the models. In this paper, we criticize this model from another angle. Estimating the discrete finite-period model poses problems of indeterminacy and non-robustness: Arbitrarily fixing T leads to arbitrary control values and on the other hand estimating T from data adds an additional layer of indeterminacy. To counter this, we first propose an alternate finite-population model that avoids this problem of fixing T and allows a wider range of demand distributions, while retaining the useful marginal-value properties of the finite-period model. The finite-population model still requires jointly estimating market size and the parameters of the customer purchase model without observing no-purchases. Estimation of market-size when no-purchases are unobservable has rarely been attempted in the marketing or revenue management literature. Indeed, we point out that it is akin to the classical statistical problem of estimating the parameters of a binomial distribution with unknown population size and success probability, and hence likely to be challenging. However, when the purchase probabilities are given by a functional form such as a multinomial-logit model, we propose an estimation heuristic that exploits the specification of the functional form, the variety of the offer sets in a typical RM setting, and qualitative knowledge of arrival rates. Finally we perform simulations to show that the estimator is very promising in obtaining unbiased estimates of population size and the model parameters.

Comparison of the polynomial model against explicit measurements of noise components for different mammography systems.

Given the adverse impact of image noise on the perception of important clinical details in digital mammography, routine quality control measurements should include an evaluation of noise. The European Guidelines, for example, employ a second-order polynomial fit of pixel variance as a function of detector air kerma (DAK) to decompose noise into quantum, electronic and fixed pattern (FP) components and assess the DAK range where quantum noise dominates. This work examines the robustness of the polynomial method against an explicit noise decomposition method. The two methods were applied to variance and noise power spectrum (NPS) data from six digital mammography units. Twenty homogeneously exposed images were acquired with PMMA blocks for target DAKs ranging from 6.25 to 1600 µGy. Both methods were explored for the effects of data weighting and squared fit coefficients during the curve fitting, the influence of the additional filter material (2 mm Al versus 40 mm PMMA) and noise de-trending. Finally, spatial stationarity of noise was assessed.Data weighting improved noise model fitting over large DAK ranges, especially at low detector exposures. The polynomial and explicit decompositions generally agreed for quantum and electronic noise but FP noise fraction was consistently underestimated by the polynomial method. Noise decomposition as a function of position in the image showed limited noise stationarity, especially for FP noise; thus the position of the region of interest (ROI) used for noise decomposition may influence fractional noise composition. The ROI area and position used in the Guidelines offer an acceptable estimation of noise components. While there are limitations to the polynomial model, when used with care and with appropriate data weighting, the method offers a simple and robust means of examining the detector noise components as a function of detector exposure.

Waveform inversion of crosshole georadar data: influence of source wavelet variability and the suitability of a single wavelet assumption

Waveform-based tomographic imaging of crosshole georadar data is a powerful method to investigate the shallow subsurface because of its ability to provide images of electrical properties in near-surface environments with unprecedented spatial resolution. A critical issue with waveform inversion is the a priori unknown source signal. Indeed, the estimation of the source pulse is notoriously difficult but essential for the effective application of this method. Here, we explore the viability and robustness of a recently proposed deconvolution-based procedure to estimate the source pulse during waveform inversion of crosshole georadar data, where changes in wavelet shape with location as a result of varying near-field conditions and differences in antenna coupling may be significant. Specifically, we examine whether a single, average estimated source current function can adequately represent the pulses radiated at all transmitter locations during a crosshole georadar survey, or whether a separate source wavelet estimation should be performed for each transmitter gather. Tests with synthetic and field data indicate that remarkably good tomographic reconstructions can be obtained using a single estimated source pulse when moderate to strong variability exists in the true source signal with antenna location. Only in the case of very strong variability in the true source pulse are tomographic reconstructions clearly improved by estimating a different source wavelet for each transmitter location.

Enhanced radar precipitation estimates using a combined clutter and beam blockage correction technique

Weather radar observations are currently the most reliable method for remote sensing of precipitation. However, a number of factors affect the quality of radar observations and may limit seriously automated quantitative applications of radar precipitation estimates such as those required in Numerical Weather Prediction (NWP) data assimilation or in hydrological models. In this paper, a technique to correct two different problems typically present in radar data is presented and evaluated. The aspects dealt with are non-precipitating echoes - caused either by permanent ground clutter or by anomalous propagation of the radar beam (anaprop echoes) - and also topographical beam blockage. The correction technique is based in the computation of realistic beam propagation trajectories based upon recent radiosonde observations instead of assuming standard radio propagation conditions. The correction consists of three different steps: 1) calculation of a Dynamic Elevation Map which provides the minimum clutter-free antenna elevation for each pixel within the radar coverage; 2) correction for residual anaprop, checking the vertical reflectivity gradients within the radar volume; and 3) topographical beam blockage estimation and correction using a geometric optics approach. The technique is evaluated with four case studies in the region of the Po Valley (N Italy) using a C-band Doppler radar and a network of raingauges providing hourly precipitation measurements. The case studies cover different seasons, different radio propagation conditions and also stratiform and convective precipitation type events. After applying the proposed correction, a comparison of the radar precipitation estimates with raingauges indicates a general reduction in both the root mean squared error and the fractional error variance indicating the efficiency and robustness of the procedure. Moreover, the technique presented is not computationally expensive so it seems well suited to be implemented in an operational environment.

Towards a theory of the credit-risk balance sheet

This article designs what it calls a Credit-Risk Balance Sheet (the risk being that of default by customers), a tool which, in principle, can contribute to revealing, controlling and managing the bad debt risk arising from a company¿s commercial credit, whose amount can represent a significant proportion of both its current and total assets.To construct it, we start from the duality observed in any credit transaction of this nature, whose basic identity can be summed up as Credit = Risk. ¿Credit¿ is granted by a company to its customer, and can be ranked by quality (we suggest the credit scoring system) and ¿risk¿ can either be assumed (interiorised) by the company itself or transferred to third parties (exteriorised).What provides the approach that leads to us being able to talk with confidence of a real Credit-Risk Balance Sheet with its methodological robustness is that the dual vision of the credit transaction is not, as we demonstrate, merely a classificatory duality (a double risk-credit classification of reality) but rather a true causal relationship, that is, a risk-credit causal duality.Once said Credit-Risk Balance Sheet (which bears a certain structural similarity with the classic net asset balance sheet) has been built, and its methodological coherence demonstrated, its properties ¿static and dynamic¿ are studied.Analysis of the temporal evolution of the Credit-Risk Balance Sheet and of its applications will be the object of subsequent works.

Towards a theory of the credit-risk balance sheet

This article designs what it calls a Credit-Risk Balance Sheet (the risk being that of default by customers), a tool which, in principle, can contribute to revealing, controlling and managing the bad debt risk arising from a company¿s commercial credit, whose amount can represent a significant proportion of both its current and total assets.To construct it, we start from the duality observed in any credit transaction of this nature, whose basic identity can be summed up as Credit = Risk. ¿Credit¿ is granted by a company to its customer, and can be ranked by quality (we suggest the credit scoring system) and ¿risk¿ can either be assumed (interiorised) by the company itself or transferred to third parties (exteriorised).What provides the approach that leads to us being able to talk with confidence of a real Credit-Risk Balance Sheet with its methodological robustness is that the dual vision of the credit transaction is not, as we demonstrate, merely a classificatory duality (a double risk-credit classification of reality) but rather a true causal relationship, that is, a risk-credit causal duality.Once said Credit-Risk Balance Sheet (which bears a certain structural similarity with the classic net asset balance sheet) has been built, and its methodological coherence demonstrated, its properties ¿static and dynamic¿ are studied.Analysis of the temporal evolution of the Credit-Risk Balance Sheet and of its applications will be the object of subsequent works.

On the consequences of misspecifing assumptions concerning residuals distribution in a repeated measures and nonlinear mixed modelling context

In this paper we describe the results of a simulation study performed to elucidate the robustness of the Lindstrom and Bates (1990) approximation method under non-normality of the residuals, under different situations. Concerning the fixed effects, the observed coverage probabilities and the true bias and mean square error values, show that some aspects of this inferential approach are not completely reliable. When the true distribution of the residuals is asymmetrical, the true coverage is markedly lower than the nominal one. The best results are obtained for the skew normal distribution, and not for the normal distribution. On the other hand, the results are partially reversed concerning the random effects. Soybean genotypes data are used to illustrate the methods and to motivate the simulation scenarios

Community Policing in Switzerland's Major Urban Areas: An Observational Study of the Implementation and Impact Using Geospatial Data Mining

La présente étude est à la fois une évaluation du processus de la mise en oeuvre et des impacts de la police de proximité dans les cinq plus grandes zones urbaines de Suisse - Bâle, Berne, Genève, Lausanne et Zurich. La police de proximité (community policing) est à la fois une philosophie et une stratégie organisationnelle qui favorise un partenariat renouvelé entre la police et les communautés locales dans le but de résoudre les problèmes relatifs à la sécurité et à l'ordre public. L'évaluation de processus a analysé des données relatives aux réformes internes de la police qui ont été obtenues par l'intermédiaire d'entretiens semi-structurés avec des administrateurs clés des cinq départements de police, ainsi que dans des documents écrits de la police et d'autres sources publiques. L'évaluation des impacts, quant à elle, s'est basée sur des variables contextuelles telles que des statistiques policières et des données de recensement, ainsi que sur des indicateurs d'impacts construit à partir des données du Swiss Crime Survey (SCS) relatives au sentiment d'insécurité, à la perception du désordre public et à la satisfaction de la population à l'égard de la police. Le SCS est un sondage régulier qui a permis d'interroger des habitants des cinq grandes zones urbaines à plusieurs reprises depuis le milieu des années 1980. L'évaluation de processus a abouti à un « Calendrier des activités » visant à créer des données de panel permettant de mesurer les progrès réalisés dans la mise en oeuvre de la police de proximité à l'aide d'une grille d'évaluation à six dimensions à des intervalles de cinq ans entre 1990 et 2010. L'évaluation des impacts, effectuée ex post facto, a utilisé un concept de recherche non-expérimental (observational design) dans le but d'analyser les impacts de différents modèles de police de proximité dans des zones comparables à travers les cinq villes étudiées. Les quartiers urbains, délimités par zone de code postal, ont ainsi été regroupés par l'intermédiaire d'une typologie réalisée à l'aide d'algorithmes d'apprentissage automatique (machine learning). Des algorithmes supervisés et non supervisés ont été utilisés sur les données à haute dimensionnalité relatives à la criminalité, à la structure socio-économique et démographique et au cadre bâti dans le but de regrouper les quartiers urbains les plus similaires dans des clusters. D'abord, les cartes auto-organisatrices (self-organizing maps) ont été utilisées dans le but de réduire la variance intra-cluster des variables contextuelles et de maximiser simultanément la variance inter-cluster des réponses au sondage. Ensuite, l'algorithme des forêts d'arbres décisionnels (random forests) a permis à la fois d'évaluer la pertinence de la typologie de quartier élaborée et de sélectionner les variables contextuelles clés afin de construire un modèle parcimonieux faisant un minimum d'erreurs de classification. Enfin, pour l'analyse des impacts, la méthode des appariements des coefficients de propension (propensity score matching) a été utilisée pour équilibrer les échantillons prétest-posttest en termes d'âge, de sexe et de niveau d'éducation des répondants au sein de chaque type de quartier ainsi identifié dans chacune des villes, avant d'effectuer un test statistique de la différence observée dans les indicateurs d'impacts. De plus, tous les résultats statistiquement significatifs ont été soumis à une analyse de sensibilité (sensitivity analysis) afin d'évaluer leur robustesse face à un biais potentiel dû à des covariables non observées. L'étude relève qu'au cours des quinze dernières années, les cinq services de police ont entamé des réformes majeures de leur organisation ainsi que de leurs stratégies opérationnelles et qu'ils ont noué des partenariats stratégiques afin de mettre en oeuvre la police de proximité. La typologie de quartier développée a abouti à une réduction de la variance intra-cluster des variables contextuelles et permet d'expliquer une partie significative de la variance inter-cluster des indicateurs d'impacts avant la mise en oeuvre du traitement. Ceci semble suggérer que les méthodes de géocomputation aident à équilibrer les covariables observées et donc à réduire les menaces relatives à la validité interne d'un concept de recherche non-expérimental. Enfin, l'analyse des impacts a révélé que le sentiment d'insécurité a diminué de manière significative pendant la période 2000-2005 dans les quartiers se trouvant à l'intérieur et autour des centres-villes de Berne et de Zurich. Ces améliorations sont assez robustes face à des biais dus à des covariables inobservées et covarient dans le temps et l'espace avec la mise en oeuvre de la police de proximité. L'hypothèse alternative envisageant que les diminutions observées dans le sentiment d'insécurité soient, partiellement, un résultat des interventions policières de proximité semble donc être aussi plausible que l'hypothèse nulle considérant l'absence absolue d'effet. Ceci, même si le concept de recherche non-expérimental mis en oeuvre ne peut pas complètement exclure la sélection et la régression à la moyenne comme explications alternatives. The current research project is both a process and impact evaluation of community policing in Switzerland's five major urban areas - Basel, Bern, Geneva, Lausanne, and Zurich. Community policing is both a philosophy and an organizational strategy that promotes a renewed partnership between the police and the community to solve problems of crime and disorder. The process evaluation data on police internal reforms were obtained through semi-structured interviews with key administrators from the five police departments as well as from police internal documents and additional public sources. The impact evaluation uses official crime records and census statistics as contextual variables as well as Swiss Crime Survey (SCS) data on fear of crime, perceptions of disorder, and public attitudes towards the police as outcome measures. The SCS is a standing survey instrument that has polled residents of the five urban areas repeatedly since the mid-1980s. The process evaluation produced a "Calendar of Action" to create panel data to measure community policing implementation progress over six evaluative dimensions in intervals of five years between 1990 and 2010. The impact evaluation, carried out ex post facto, uses an observational design that analyzes the impact of the different community policing models between matched comparison areas across the five cities. Using ZIP code districts as proxies for urban neighborhoods, geospatial data mining algorithms serve to develop a neighborhood typology in order to match the comparison areas. To this end, both unsupervised and supervised algorithms are used to analyze high-dimensional data on crime, the socio-economic and demographic structure, and the built environment in order to classify urban neighborhoods into clusters of similar type. In a first step, self-organizing maps serve as tools to develop a clustering algorithm that reduces the within-cluster variance in the contextual variables and simultaneously maximizes the between-cluster variance in survey responses. The random forests algorithm then serves to assess the appropriateness of the resulting neighborhood typology and to select the key contextual variables in order to build a parsimonious model that makes a minimum of classification errors. Finally, for the impact analysis, propensity score matching methods are used to match the survey respondents of the pretest and posttest samples on age, gender, and their level of education for each neighborhood type identified within each city, before conducting a statistical test of the observed difference in the outcome measures. Moreover, all significant results were subjected to a sensitivity analysis to assess the robustness of these findings in the face of potential bias due to some unobserved covariates. The study finds that over the last fifteen years, all five police departments have undertaken major reforms of their internal organization and operating strategies and forged strategic partnerships in order to implement community policing. The resulting neighborhood typology reduced the within-cluster variance of the contextual variables and accounted for a significant share of the between-cluster variance in the outcome measures prior to treatment, suggesting that geocomputational methods help to balance the observed covariates and hence to reduce threats to the internal validity of an observational design. Finally, the impact analysis revealed that fear of crime dropped significantly over the 2000-2005 period in the neighborhoods in and around the urban centers of Bern and Zurich. These improvements are fairly robust in the face of bias due to some unobserved covariate and covary temporally and spatially with the implementation of community policing. The alternative hypothesis that the observed reductions in fear of crime were at least in part a result of community policing interventions thus appears at least as plausible as the null hypothesis of absolutely no effect, even if the observational design cannot completely rule out selection and regression to the mean as alternative explanations.

Improving telecommunication security level by integrating quantum key distribution in communication protocols

Résumé La cryptographie classique est basée sur des concepts mathématiques dont la sécurité dépend de la complexité du calcul de l'inverse des fonctions. Ce type de chiffrement est à la merci de la puissance de calcul des ordinateurs ainsi que la découverte d'algorithme permettant le calcul des inverses de certaines fonctions mathématiques en un temps «raisonnable ». L'utilisation d'un procédé dont la sécurité est scientifiquement prouvée s'avère donc indispensable surtout les échanges critiques (systèmes bancaires, gouvernements,...). La cryptographie quantique répond à ce besoin. En effet, sa sécurité est basée sur des lois de la physique quantique lui assurant un fonctionnement inconditionnellement sécurisé. Toutefois, l'application et l'intégration de la cryptographie quantique sont un souci pour les développeurs de ce type de solution. Cette thèse justifie la nécessité de l'utilisation de la cryptographie quantique. Elle montre que le coût engendré par le déploiement de cette solution est justifié. Elle propose un mécanisme simple et réalisable d'intégration de la cryptographie quantique dans des protocoles de communication largement utilisés comme les protocoles PPP, IPSec et le protocole 802.1li. Des scénarios d'application illustrent la faisabilité de ces solutions. Une méthodologie d'évaluation, selon les critères communs, des solutions basées sur la cryptographie quantique est également proposée dans ce document. Abstract Classical cryptography is based on mathematical functions. The robustness of a cryptosystem essentially depends on the difficulty of computing the inverse of its one-way function. There is no mathematical proof that establishes whether it is impossible to find the inverse of a given one-way function. Therefore, it is mandatory to use a cryptosystem whose security is scientifically proven (especially for banking, governments, etc.). On the other hand, the security of quantum cryptography can be formally demonstrated. In fact, its security is based on the laws of physics that assure the unconditional security. How is it possible to use and integrate quantum cryptography into existing solutions? This thesis proposes a method to integrate quantum cryptography into existing communication protocols like PPP, IPSec and the 802.l1i protocol. It sketches out some possible scenarios in order to prove the feasibility and to estimate the cost of such scenarios. Directives and checkpoints are given to help in certifying quantum cryptography solutions according to Common Criteria.

Cardiovascular response to beta-adrenergic blockade or activation in 23 inbred mouse strains.

We report the characterisation of 27 cardiovascular-related traits in 23 inbred mouse strains. Mice were phenotyped either in response to chronic administration of a single dose of the beta-adrenergic receptor blocker atenolol or under a low and a high dose of the beta-agonist isoproterenol and compared to baseline condition. The robustness of our data is supported by high trait heritabilities (typically H(2)>0.7) and significant correlations of trait values measured in baseline condition with independent multistrain datasets of the Mouse Phenome Database. We then focused on the drug-, dose-, and strain-specific responses to beta-stimulation and beta-blockade of a selection of traits including heart rate, systolic blood pressure, cardiac weight indices, ECG parameters and body weight. Because of the wealth of data accumulated, we applied integrative analyses such as comprehensive bi-clustering to investigate the structure of the response across the different phenotypes, strains and experimental conditions. Information extracted from these analyses is discussed in terms of novelty and biological implications. For example, we observe that traits related to ventricular weight in most strains respond only to the high dose of isoproterenol, while heart rate and atrial weight are already affected by the low dose. Finally, we observe little concordance between strain similarity based on the phenotypes and genotypic relatedness computed from genomic SNP profiles. This indicates that cardiovascular phenotypes are unlikely to segregate according to global phylogeny, but rather be governed by smaller, local differences in the genetic architecture of the various strains.

Reliability of methods used for the risk assessment of mixture of micropollutants in aquatic enviromments : from theoretical concepts to field observations

Ces dernières années, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques des micropolluants organiques pour les espèces de nos lacs et rivières. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, alors que les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange. Or les effets de ces cocktails ne sont pas négligeables. Cette thèse de doctorat s'est ainsi intéressée aux modèles permettant de prédire le risque environnemental de ces cocktails pour le milieu aquatique. Le principal objectif a été d'évaluer le risque écologique des mélanges de substances chimiques mesurées dans le Léman, mais aussi d'apporter un regard critique sur les méthodologies utilisées afin de proposer certaines adaptations pour une meilleure estimation du risque. Dans la première partie de ce travail, le risque des mélanges de pesticides et médicaments pour le Rhône et pour le Léman a été établi en utilisant des approches envisagées notamment dans la législation européenne. Il s'agit d'approches de « screening », c'est-à-dire permettant une évaluation générale du risque des mélanges. Une telle approche permet de mettre en évidence les substances les plus problématiques, c'est-à-dire contribuant le plus à la toxicité du mélange. Dans notre cas, il s'agit essentiellement de 4 pesticides. L'étude met également en évidence que toutes les substances, même en trace infime, contribuent à l'effet du mélange. Cette constatation a des implications en terme de gestion de l'environnement. En effet, ceci implique qu'il faut réduire toutes les sources de polluants, et pas seulement les plus problématiques. Mais l'approche proposée présente également un biais important au niveau conceptuel, ce qui rend son utilisation discutable, en dehors d'un screening, et nécessiterait une adaptation au niveau des facteurs de sécurité employés. Dans une deuxième partie, l'étude s'est portée sur l'utilisation des modèles de mélanges dans le calcul de risque environnemental. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés espèce par espèce, et non pour une évaluation sur l'écosystème en entier. Leur utilisation devrait donc passer par un calcul par espèce, ce qui est rarement fait dû au manque de données écotoxicologiques à disposition. Le but a été donc de comparer, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon une méthode rigoureuse, espèce par espèce, avec celui effectué classiquement où les modèles sont appliqués sur l'ensemble de la communauté sans tenir compte des variations inter-espèces. Les résultats sont dans la majorité des cas similaires, ce qui valide l'approche utilisée traditionnellement. En revanche, ce travail a permis de déterminer certains cas où l'application classique peut conduire à une sous- ou sur-estimation du risque. Enfin, une dernière partie de cette thèse s'est intéressée à l'influence que les cocktails de micropolluants ont pu avoir sur les communautés in situ. Pour ce faire, une approche en deux temps a été adoptée. Tout d'abord la toxicité de quatorze herbicides détectés dans le Léman a été déterminée. Sur la période étudiée, de 2004 à 2009, cette toxicité due aux herbicides a diminué, passant de 4% d'espèces affectées à moins de 1%. Ensuite, la question était de savoir si cette diminution de toxicité avait un impact sur le développement de certaines espèces au sein de la communauté des algues. Pour ce faire, l'utilisation statistique a permis d'isoler d'autres facteurs pouvant avoir une influence sur la flore, comme la température de l'eau ou la présence de phosphates, et ainsi de constater quelles espèces se sont révélées avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps. Fait intéressant, une partie d'entre-elles avait déjà montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. En conclusion, ce travail montre qu'il existe des modèles robustes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques, et qu'ils peuvent être utilisés pour expliquer le rôle des substances dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application. - Depuis plusieurs années, les risques que posent les micropolluants organiques pour le milieu aquatique préoccupent grandement les scientifiques ainsi que notre société. En effet, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques que peuvent avoir ces substances chimiques sur les espèces de nos lacs et rivières, quand elles se retrouvent exposées à des concentrations aiguës ou chroniques. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, c'est à dire considérées séparément. Actuellement, il en est de même dans les procédures de régulation européennes, concernant la partie évaluation du risque pour l'environnement d'une substance. Or, les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange, et les effets de ces "cocktails" ne sont pas négligeables. L'évaluation du risque écologique que pose ces mélanges de substances doit donc être abordé par de la manière la plus appropriée et la plus fiable possible. Dans la première partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux méthodes actuellement envisagées à être intégrées dans les législations européennes pour l'évaluation du risque des mélanges pour le milieu aquatique. Ces méthodes sont basées sur le modèle d'addition des concentrations, avec l'utilisation des valeurs de concentrations des substances estimées sans effet dans le milieu (PNEC), ou à partir des valeurs des concentrations d'effet (CE50) sur certaines espèces d'un niveau trophique avec la prise en compte de facteurs de sécurité. Nous avons appliqué ces méthodes à deux cas spécifiques, le lac Léman et le Rhône situés en Suisse, et discuté les résultats de ces applications. Ces premières étapes d'évaluation ont montré que le risque des mélanges pour ces cas d'étude atteint rapidement une valeur au dessus d'un seuil critique. Cette valeur atteinte est généralement due à deux ou trois substances principales. Les procédures proposées permettent donc d'identifier les substances les plus problématiques pour lesquelles des mesures de gestion, telles que la réduction de leur entrée dans le milieu aquatique, devraient être envisagées. Cependant, nous avons également constaté que le niveau de risque associé à ces mélanges de substances n'est pas négligeable, même sans tenir compte de ces substances principales. En effet, l'accumulation des substances, même en traces infimes, atteint un seuil critique, ce qui devient plus difficile en terme de gestion du risque. En outre, nous avons souligné un manque de fiabilité dans ces procédures, qui peuvent conduire à des résultats contradictoires en terme de risque. Ceci est lié à l'incompatibilité des facteurs de sécurité utilisés dans les différentes méthodes. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié la fiabilité de méthodes plus avancées dans la prédiction de l'effet des mélanges pour les communautés évoluant dans le système aquatique. Ces méthodes reposent sur le modèle d'addition des concentrations (CA) ou d'addition des réponses (RA) appliqués sur les courbes de distribution de la sensibilité des espèces (SSD) aux substances. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés pour être appliqués espèce par espèce, et non pas sur plusieurs espèces agrégées simultanément dans les courbes SSD. Nous avons ainsi proposé une procédure plus rigoureuse, pour l'évaluation du risque d'un mélange, qui serait d'appliquer d'abord les modèles CA ou RA à chaque espèce séparément, et, dans une deuxième étape, combiner les résultats afin d'établir une courbe SSD du mélange. Malheureusement, cette méthode n'est pas applicable dans la plupart des cas, car elle nécessite trop de données généralement indisponibles. Par conséquent, nous avons comparé, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon cette méthode plus rigoureuse, avec celle effectuée traditionnellement, afin de caractériser la robustesse de cette approche qui consiste à appliquer les modèles de mélange sur les courbes SSD. Nos résultats ont montré que l'utilisation de CA directement sur les SSDs peut conduire à une sous-estimation de la concentration du mélange affectant 5 % ou 50% des espèces, en particulier lorsque les substances présentent un grand écart- type dans leur distribution de la sensibilité des espèces. L'application du modèle RA peut quant à lui conduire à une sur- ou sous-estimations, principalement en fonction de la pente des courbes dose- réponse de chaque espèce composant les SSDs. La sous-estimation avec RA devient potentiellement importante lorsque le rapport entre la EC50 et la EC10 de la courbe dose-réponse des espèces est plus petit que 100. Toutefois, la plupart des substances, selon des cas réels, présentent des données d' écotoxicité qui font que le risque du mélange calculé par la méthode des modèles appliqués directement sur les SSDs reste cohérent et surestimerait plutôt légèrement le risque. Ces résultats valident ainsi l'approche utilisée traditionnellement. Néanmoins, il faut garder à l'esprit cette source d'erreur lorsqu'on procède à une évaluation du risque d'un mélange avec cette méthode traditionnelle, en particulier quand les SSD présentent une distribution des données en dehors des limites déterminées dans cette étude. Enfin, dans la dernière partie de cette thèse, nous avons confronté des prédictions de l'effet de mélange avec des changements biologiques observés dans l'environnement. Dans cette étude, nous avons utilisé des données venant d'un suivi à long terme d'un grand lac européen, le lac Léman, ce qui offrait la possibilité d'évaluer dans quelle mesure la prédiction de la toxicité des mélanges d'herbicide expliquait les changements dans la composition de la communauté phytoplanctonique. Ceci à côté d'autres paramètres classiques de limnologie tels que les nutriments. Pour atteindre cet objectif, nous avons déterminé la toxicité des mélanges sur plusieurs années de 14 herbicides régulièrement détectés dans le lac, en utilisant les modèles CA et RA avec les courbes de distribution de la sensibilité des espèces. Un gradient temporel de toxicité décroissant a pu être constaté de 2004 à 2009. Une analyse de redondance et de redondance partielle, a montré que ce gradient explique une partie significative de la variation de la composition de la communauté phytoplanctonique, même après avoir enlevé l'effet de toutes les autres co-variables. De plus, certaines espèces révélées pour avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps, ont montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. On peut en conclure que la toxicité du mélange herbicide est l'un des paramètres clés pour expliquer les changements de phytoplancton dans le lac Léman. En conclusion, il existe diverses méthodes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques et celui-ci peut jouer un rôle dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application, avant d'utiliser leurs résultats pour la gestion des risques environnementaux. - For several years now, the scientists as well as the society is concerned by the aquatic risk organic micropollutants may pose. Indeed, several researches have shown the toxic effects these substances may induce on organisms living in our lakes or rivers, especially when they are exposed to acute or chronic concentrations. However, most of the studies focused on the toxicity of single compounds, i.e. considered individually. The same also goes in the current European regulations concerning the risk assessment procedures for the environment of these substances. But aquatic organisms are typically exposed every day simultaneously to thousands of organic compounds. The toxic effects resulting of these "cocktails" cannot be neglected. The ecological risk assessment of mixtures of such compounds has therefore to be addressed by scientists in the most reliable and appropriate way. In the first part of this thesis, the procedures currently envisioned for the aquatic mixture risk assessment in European legislations are described. These methodologies are based on the mixture model of concentration addition and the use of the predicted no effect concentrations (PNEC) or effect concentrations (EC50) with assessment factors. These principal approaches were applied to two specific case studies, Lake Geneva and the River Rhône in Switzerland, including a discussion of the outcomes of such applications. These first level assessments showed that the mixture risks for these studied cases exceeded rapidly the critical value. This exceeding is generally due to two or three main substances. The proposed procedures allow therefore the identification of the most problematic substances for which management measures, such as a reduction of the entrance to the aquatic environment, should be envisioned. However, it was also showed that the risk levels associated with mixtures of compounds are not negligible, even without considering these main substances. Indeed, it is the sum of the substances that is problematic, which is more challenging in term of risk management. Moreover, a lack of reliability in the procedures was highlighted, which can lead to contradictory results in terms of risk. This result is linked to the inconsistency in the assessment factors applied in the different methods. In the second part of the thesis, the reliability of the more advanced procedures to predict the mixture effect to communities in the aquatic system were investigated. These established methodologies combine the model of concentration addition (CA) or response addition (RA) with species sensitivity distribution curves (SSD). Indeed, the mixture effect predictions were shown to be consistent only when the mixture models are applied on a single species, and not on several species simultaneously aggregated to SSDs. Hence, A more stringent procedure for mixture risk assessment is proposed, that would be to apply first the CA or RA models to each species separately and, in a second step, to combine the results to build an SSD for a mixture. Unfortunately, this methodology is not applicable in most cases, because it requires large data sets usually not available. Therefore, the differences between the two methodologies were studied with datasets created artificially to characterize the robustness of the traditional approach applying models on species sensitivity distribution. The results showed that the use of CA on SSD directly might lead to underestimations of the mixture concentration affecting 5% or 50% of species, especially when substances present a large standard deviation of the distribution from the sensitivity of the species. The application of RA can lead to over- or underestimates, depending mainly on the slope of the dose-response curves of the individual species. The potential underestimation with RA becomes important when the ratio between the EC50 and the EC10 for the dose-response curve of the species composing the SSD are smaller than 100. However, considering common real cases of ecotoxicity data for substances, the mixture risk calculated by the methodology applying mixture models directly on SSDs remains consistent and would rather slightly overestimate the risk. These results can be used as a theoretical validation of the currently applied methodology. Nevertheless, when assessing the risk of mixtures, one has to keep in mind this source of error with this classical methodology, especially when SSDs present a distribution of the data outside the range determined in this study Finally, in the last part of this thesis, we confronted the mixture effect predictions with biological changes observed in the environment. In this study, long-term monitoring of a European great lake, Lake Geneva, provides the opportunity to assess to what extent the predicted toxicity of herbicide mixtures explains the changes in the composition of the phytoplankton community next to other classical limnology parameters such as nutrients. To reach this goal, the gradient of the mixture toxicity of 14 herbicides regularly detected in the lake was calculated, using concentration addition and response addition models. A decreasing temporal gradient of toxicity was observed from 2004 to 2009. Redundancy analysis and partial redundancy analysis showed that this gradient explains a significant portion of the variation in phytoplankton community composition, even when having removed the effect of all other co-variables. Moreover, some species that were revealed to be influenced positively or negatively, by the decrease of toxicity in the lake over time, showed similar behaviors in mesocosms studies. It could be concluded that the herbicide mixture toxicity is one of the key parameters to explain phytoplankton changes in Lake Geneva. To conclude, different methods exist to predict the risk of mixture in the ecosystems. But their reliability varies depending on the underlying hypotheses. One should therefore carefully consider these hypotheses, as well as the limits of the approaches, before using the results for environmental risk management

Dislocation jamming and Andrade creep

We simulate the glide motion of an assembly of interacting dislocations under the action of an external shear stress and show that the associated plastic creep relaxation follows Andrades law. Our results indicate that Andrade creep in plastically deforming crystals involves the correlated motion of dislocation structures near a dynamic transition separating a flowing from a jammed phase. Simulations in the presence of dislocation multiplication and noise confirm the robustness of this finding and highlight the importance of metastable structure formation for the relaxation process.

Modelling the influence of change in fire regime on the local distribution of a Mediterranean pyrophytic plant species (Cistus salviifolius) at its northern range limit

Aims: To assess the potential distribution of an obligate seeder and active pyrophyte, Cistus salviifolius, a vulnerable species in the Swiss Red List; to derive scenarios by changing the fire return interval; and to discuss the results from a conservation perspective. A more general aim is to assess the impact of fire as a natural factor influencing the vegetation of the southern slopes of the Alps. Locations: Alps, southern Switzerland. Methods: Presence-absence data to fit the model were obtained from the most recent field mapping of C. salviifolius. The quantitative environmental predictors used in this study include topographic, climatic and disturbance (fire) predictors. Models were fitted by logistic regression and evaluated by jackknife and bootstrap approaches. Changes in fire regime were simulated by increasing the time-return interval of fire (simulating longer periods without fire). Two scenarios were considered: no fire in the past 15 years; or in the past 35 years. Results: Rock cover, slope, topographic position, potential evapotranspiration and time elapsed since the last fire were selected in the final model. The Nagelkerke R-2 of the model for C. salviifolius was 0.57 and the Jackknife area under the curve evaluation was 0.89. The bootstrap evaluation revealed model robustness. By increasing the return interval of fire by either up to 15 years, or 35 years, the modelled C. salviifolius population declined by 30-40%, respectively. Main conclusions: Although fire plays a significant role, topography and rock cover appear to be the most important predictors, suggesting that the distribution of C. salviifolius in the southern Swiss Alps is closely related to the availability of supposedly competition-free sites, such as emerging bedrock, ridge locations or steep slopes. Fire is more likely to play a secondary role in allowing C. salviifolius to extend its occurrence temporarily, by increasing germination rates and reducing the competition from surrounding vegetation. To maintain a viable dormant seed bank for C. salviifolius, conservation managers should consider carrying out vegetation clearing and managing wild fire propagation to reduce competition and ensure sufficient recruitment for this species.