Synthese und Charakterisierung von Polymethylmethacrylat (PMMA)-Silika-Komposit-Partikeln und fluorierten Nanopartikeln unter Verwendung des Miniemulsionsprozesses

In der vorliegenden Dissertation wurden zwei verschiedene Fragestellungen bearbeitet. Zum einen wurde im Rahmen des Schwerpunktprojektes „Kolloidverfahrenstechnik“ und in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Heike Schuchmann vom KIT in Karlsruhe die Verkapselung von Silika-Nanopartikeln in eine PMMA-Hülle durch Miniemulsionspolymerisation entwickelt und der Aufskalierungsprozess unter Verwendung von Hochdruckhomogenisatoren vorangetrieben. Zum anderen wurden verschiedene fluorierte Nanopartikel durch den Miniemulsionsprozess generiert und ihr Verhalten in Zellen untersucht.rnSilika-Partikel konnten durch Miniemulsionspolymerisation in zwei unterschiedlichen Prozessen erfolgreich verkapselt werden. Bei der ersten Methode wurden zunächst modifizierte Silika-Partikel in einer MMA-Monomerphase dispergiert und anschließend durch den normalen Miniemulsionsprozess Silika-beladene Tröpfchen generiert. Diese konnten zu Komposit-Partikeln polymerisiert werden. Bei der Verkapselung durch den Fission/Fusion Prozess wurden die hydrophobisierten Silika-Partikel durch Fission und Fusion Prozesse in schon vorhandene Monomertröpfchen eingebracht, welche hinterher polymerisiert wurden. Um hydrophiles Silika in einem hydrophoben Monomer zu dispergieren, musste zunächst eine Modifizierung der Silika-Partikel stattfinden. Dies geschah unter anderem über eine chemische Anbindung von 3-Methacryloxypropyltri-methoxysilan an der Oberfläche der Silika-Partikel. Des Weiteren wurden die hydrophilen Silika-Partikel durch Adsorption von CTMA-Cl physikalisch modifiziert. Unter anderem durch die Variation des Verkapselungsprozesses, der Silika-Menge, der Tensidart und –menge und der Comonomere konnten Komposit-Partikel mit unterschiedlichen Morphologien, Größen, und Füllgraden erhalten werden.rnFluorierte Nanopartikel wurden erfolgreich über den Prozess der Miniemulsionspolymerisation synthetisiert. Als Monomere dienten dabei fluorierte Acrylate, fluorierte Methacrylate und fluoriertes Styrol. Es war möglich aus jeder dieser drei Gruppen an Monomeren fluorierte Nanopartikel herzustellen. Für genauere Untersuchungen wurden 2,3,4,5,6-Pentafluorstyrol, 3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10-Heptadecafluorodecyl-methacrylat und 1H,1H,2H,2H-Perfluorodecylacrylat als Monomere ausgewählt. Als Hydrophob zur Unterdrückung der Ostwaldreifung wurde Perfluromethyldecalin eingesetzt. Die stabilsten Miniemulsionen wurden wiederum mit den ionischen Tensid SDS generiert. Mit steigendem Gehalt an SDS gelöst in der kontinuierlichen Phase, wurde eine Verkleinerung der Partikelgröße festgestellt. Neben den Homopolymerpartikeln wurden auch Copolymerpartikel mit Acrylsäure erfolgreich synthetisiert. Zudem wurde noch das Verhalten der fluorierten Partikel in Zellen überprüft. Die fluorierten Partikel wiesen ein nicht toxisches Verhalten vor. Die Adsorption von Proteinen aus Humanem Serum wurde über ITC Messungen untersucht. rnSomit konnte gezeigt werden, dass die Technik der Miniemulsionspolymerisation eine abwechslungsreiche und effektive Methode ist, um Hybridnanopartikel mit verschiedenen Morphologien und oberflächenfunktionalisierte Nanopartikel erfolgreich zu generieren.rn

MikroSISAK für die Chemie der schwersten Elemente

ZusammenfassungrnDie vorliegende Arbeit beschreibt Experimente mit einer Apparatur namens Mikro-rnSISAK, die in der Lage ist, eine Flüssig-Flüssig-Extraktion im Mikroliter-Maßstab durchzuführen. Dabei werden zwei nicht mischbare Flüssigkeiten in einer Mikrostruktur emulgiert und anschließend über eine Teflonmembran wieder entmischt.rnIn ersten Experimenten wurden verschiedene Extraktionssysteme für Elemente derrnGruppen 4 und 7 des Periodensystems der Elemente untersucht und die Ergebnisse mit denen aus Schüttelversuchen verglichen. Da die zunächst erreichten Extraktionsausbeuten nicht ausreichend waren, wurden verschiedene Maßnahmen zu deren Verbesserung herangezogen.rnZunächst hat man mit Hilfe eines an die MikroSISAK-Apparatur angelegten Heizelements die dort für die Extraktion herrschende Temperatur erhöht. Dies führte wie erhofft zu einer höheren Extraktionsausbeute.rnDes Weiteren wurde MikroSISAK vom Institut für Mikrotechnik Mainz, welches derrnEntwickler und Konstrukteur der Apparatur ist, durch eine Erweiterung modifiziert, um den Kontakt der beiden Phasen zwischen Mischer und Separationseinheit zu verlängern. Auch dies verbesserte der Extraktionsausbeute.rnNun erschienen die erzielten Ergebnisse als ausreichend, um die Apparatur für online-Experimente an den TRIGA-Reaktor Mainz zu koppeln. Hierfür wurden durch Kernreaktion erzeugte Spaltprodukte des Technetiums MikroSISAK zugeführt, um sie dort abzutrennen und anschließend über ihren Zerfall an einem Detektor nachzuweisen. Neben erfolgreichen Ergebnissen lieferten diese Experimente auch die Belege für die Funktionsfähigkeit eines neuen Entgasers und für die Möglichkeit sowohl diesen als auch ein adäquates Detektorsystem an die MikroSISAK-Apparatur anzuschließen.rnDies schafft die Voraussetzung für die eigentliche Anwendungsidee, die hinter der Entwicklung von MikroSISAK steckt: Die Untersuchung der chemischen Eigenschaften von kurzlebigen superschweren Elementen (SHE) an einem Schwerionenbeschleuniger. Es liegt nahe, solche Experimente für das schwere Homologe des Technetiums, Element 107, Bohrium, ins Auge zu fassen.

Low-temperature thermochronological evolution of the Menderes and Alanya massifs (Turkey)

The application of two low-temperature thermochronometers [fission-track analysis and (U-Th)/He analyses, both on apatite] to various tectonostratigraphic units of the Menderes and Alanya Massifs of Turkey has provided significant new constraints to the understanding of their structural evolution. The Menderes Massif of western Anatolia is one of the largest metamorphic core complexes on Earth. The integration of the geochronometric dataset presented in this dissertation with preexisting ones from the literature delineates three groups of samples within the Menderes Massif. In the northern and southern region the massif experienced a Late Oligocene-Early Miocene tectonic denudation and surface uplift; whereas data from the central region are younger, with most ages ranging between the Middle-Late Miocene. The results of this study are consistent with the interpretation for a symmetric exhumation of the Menderes Massif. The Alanya Massif of SW Anatolia presents a typical nappe pile consisting of thrust sheets with contrasting metamorphic histories. Petrological and geochronological data clearly indicate that the tectonometamorphic evolution Alanya started from Late Cretaceous with the northward subduction of an ‘Alanya ocean’ under the Tauride plate. As an effect of the closure of the İzmir–Ankara–Erzincan ocean, northward backthrusting during the Paleocene-Early Eocene created the present stacking order. Apatite fission-track ages from this study range from 31.8 to 26.8 Ma (Late Rupelian-Early Chattian) and point to a previously unrecognized mid-Oligocene cooling/exhumation episode. (U-Th)/He analysis on zircon crystals obtained from the island of Cyprus evidentiate that the Late Cretaceous trondhjemites of the Troodos Massif not recorded a significant cooling event. Instead results for the Late Triassic turbiditic sandstones of the Vlambouros Formation show that the Mamonia mélange was never buried enough to reach the closure temperature of the ZHe radiometric system (ca. 200°C), thus retaining the Paleozoic signature of a previous sedimentary cycle.

Mitochondrial DNA rearrangements during human aging: a study on liver, muscle and adipose tissue

Aging is characterized by a chronic, low-grade inflammatory state called “inflammaging”. Mitochondria are the main source of reactive oxygen species (ROS), which trigger the production of pro-inflammatory molecules. We are interested in studying the age-related modifications of the mitochondrial DNA (mtDNA), which can be affected by the lifelong exposure to ROS and are responsible of mitochondrial dysfunction. Moreover, increasing evidences show that telomere shortening, naturally occurring with aging, is involved in mtDNA damage processes and thus in the pathogenesis of age-related disorders. Thus the primary aim of this thesis was the analysis of mtDNA copy number, deletion level and integrity in different-age human biopsies from liver, vastus lateralis skeletal muscle of healthy subjects and patients with limited mobility of lower limbs (LMLL), as well as adipose tissue. The telomere length and the expression of nuclear genes related to mitobiogenesis, fusion and fission, mitophagy, mitochondrial protein quality control system, hypoxia, production and protection from ROS were also evaluated. In liver the decrease in mtDNA integrity with age is accompanied with an increase in mtDNA copy number, suggesting the existence of a “compensatory mechanism” able to maintain the functionality of this organ. Different is the case of vastus lateralis muscle, where any “compensatory pathway” is activated and mtDNA integrity and copy number decrease with age, both in healthy subjects and in patients. Interestingly, mtDNA rearrangements do not incur in adipose tissue with advancing age. Finally, in all tissues a marked gender difference appears, suggesting that aging and also gender diversely affect mtDNA rearrangements and telomere length in the three human tissues considered, likely depending on their different metabolic needs and inflammatory status.

Molecular plating of thin lanthanide layers with improved material properties for nuclear applications

In der vorliegenden Arbeit werden Experimente beschrieben, die zu einem vertieften Verständnis fundamentaler Prozesse bei der elektrochemischen Herstellung von Dünnschichten, sog. Targets, für kernphysikalische und -chemische Studien führten. Targets wurden mittels 'Molecular Plating' (MP) hergestellt, indem eine Elektrodeposition aus organischem Medium in der Regel bei konstantem Strom in Zwei-Elektroden-Zellen. Die Resultate erlaubten, optimierte Herstellungs-bedingungen zu ermitteln, welche die Produktion deutlich verbesserter Targets erlaubten. MP bei konstantem Strom ist ein massentransportkontrollierter Prozess. Der angelegte Strom wird durch einen konstanten Fluss elektroaktiver Spezies zur Kathode – auf der die Schicht wächst – und Anode aufrechterhalten. Die Untersuchungen zeigten, dass das Zellenpotential des Elektrodepositionsystems immer durch den Ohm'schen Spannungsabfall auf Grund des Widerstandes der verwendeten Lösung dominiert wurde. Dies erlaubte die Herleitung einer Beziehung zwischen dem Zellenpotential und der Konzentration der elektroaktiven Spezies. Die Beziehung erlaubt die Erklärung des gemessenen zeitlichen Verlaufs des Zellenpotentials während der Abscheidung als Funktion der Elektrolytkonzentration. Dies dient als Basis, auf der nun ein umfassenderes Bild der Prozesse, die für die charakteristischen Minima im Potentialverlauf einer Abscheidung verantwortlich sind, gewonnen werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass die Minima mit der fast vollständigen Entfernung (durch Abscheidung) der aus einem gelösten Salz erzeugten Nd-Ionen korrespondieren. Die abgeschiedene Spezies wurde als Nd3+ identifiziert, vermutlich als Carboxylat, Oxid oder Hydroxid, was auf Grund der hohen negative Werte des Standardredoxpotentials der Lanthanide verständlich erscheint. Von den vorliegenden elektroaktiven Spezies tragen die Nd3+ Ionen nur zu knapp 20% zum Gesamtstrom bei. Durch Elektrolyse tragen auch die Lösungsmittelkomponenten zu diese Strom bei. Die Gegenwart von elektrolysiertem Lösungsmittel wurde in Analysen der Dünnschichten bestätigt. Diese waren immer mit chemi- und physisorbierten Lösungsmittelmolekülen bedeckt. Die Analyse der Dünnschichten zeigte, dass die Oberflächen von einem furchenartiges Netz durchzogen waren, und dass diese während des Trocknen der Schichten nach dem MP entstanden. Ob die Schichten an Luft oder in inerter Atmosphäre trockneten, hatte keinen Einfluss. Es wurden Experimente mit mehreren Lösungsmitteln durchgeführt, die sich deutlich in ihren physikalischen Eigenschaften, v.a. dem Siedepunkt, unterschieden. Furchenfreie Dünnschichten konnten insbesondere bei MP in N,N-dimethylformamide (DMF) erzeugt werden. Die Verwendung von DMF in Kombination mit einer Abscheidung auf sehr glatten Substraten erlaubte die Produktion von sehr homogenen, glatten und defektfreien Schichten. Diese waren vermutlich geringeren inneren Spannungen während des Trocknens ausgesetzt, als Schichten auf raueren Substraten oder solche, die aus flüchtigeren Lösungsmitteln hergestellt wurden. Die Oberflächenrauigkeit des Substrats und das gewählte Lösungsmittel wurden so als Schlüsselfaktoren für die Produktion hochqualitativer Schichten identifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass mit MP eine sehr effiziente Methode zur Herstellung homogener Schichten mit exzellenter Ausbeute ist. In weiteren Experimenten mit dem primordialen Alpha-Emitter 147Sm als Modellisotop wurde die Eignung solcher Schichten als Alpha-Quelle untersucht. Sowohl die Energieauflösung als auch der Anteil der Alpha-Teilchen, die den Detektor erreichten, waren von den Quelleneigenschaften abhängig. Die Effekte wurden verschiedenen Variablen der Dünnschicht zugeordnet, welche die Alpha-Spektren beeinflussten. Dominant war die Wahl des Lösungsmittels und die Rauigkeit des Substrats. Dies beeinflusste Schichtdicke und -morphologie sowie die Art des Schichtwachstums und veränderte die Detektionseffizienz in Alpha-Messungen bis zu 15%. Nur homogene, ebene Schichten, die aus DMF auf glatten Substraten abgeschieden wurden, eignen sich optimal als Alpha-Quelle. Die gewonnenen Ergebnisse erlauben die optimierte Herstellung nuklearer Targets durch MP. Künftige Anwendungen beinhalten insbesondere die Herstellung von Targets für neutroneninduzierte Spaltexperimente und untergrundarmeAlpha-Messungen sehr kleiner Aktivitäten.

Migration von Technetium in natürlichem Tongestein

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Verbundprojektes „Rückhaltung endlagerrelevanter Radionuklide im natürlichen Tongestein und salinaren Systemen“ (Förderkennzeichen: 02E10981), welches durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert wurde, angefertigt. Ziel war es, erstmals Erkenntnisse zur Wechselwirkung zwischen dem Spaltprodukt Technetium und einem natürlichen Tongestein im Hinblick auf ein Endlager für wärmeentwickelnde radioaktive Abfälle zu erlangen. Hierfür wurde der in der Nordschweiz vorkommende Opalinuston aus Mont Terri als Referenzmaterial verwendet. Das Nuklid Technetium-99 liefert auf Grund seiner langen Halbwertszeit einen signifikanten Beitrag zur Radiotoxizität abgebrannter Brennelemente für mehr als tausend Jahre. Im Falle einer Freisetzung aus den Lagerbehältern wird die Geochemie des Technetiums von seiner Oxidationsstufe bestimmt, wobei lediglich die Oxidationsstufen +IV und +VII von Relevanz sind. Auf Grund seiner hohen Löslichkeit und geringen Affinität zur Sorption an Oberflächen von Mineralien ist Tc(VII) die mobilste und somit auch gefährlichste Spezies. Entsprechend lag der Fokus dieser Arbeit auf Diffusionsexperimenten dieser mobilen Spezies sowie auf dem Einfluss von Eisen(II) auf die Mobilität und die Speziation des Technetiums.rnDie Wechselwirkung zwischen Technetium und Opalinuston wurde in Sorptions- und Diffusionsexperimenten unter Variation verschiedener Parameter (pH-Wert, Zusatz verschiedener Reduktionsmittel, Einfluss von Sauerstoff, Diffusionsweg) untersucht. Im Zuge dieser Arbeit wurden erstmals ortsaufgelöste Untersuchungen zur Speziation des Technetiums an Dünnschliffen und Bohrkernen durchgeführt. Dabei konnten ergänzend zur Speziation auch Informationen über die Elementverteilung und die kristallinen Mineralphasen nahe lokaler Anreicherungen des Radionuklides gewonnen werden. Zusätzlich erlaubten Untersuchungen an Pulverproben die Bestimmung der molekularen Struktur des Technetiums an der Tonoberfläche.rnSowohl die Kombination der oben aufgeführten Sorptionsexperimente mit spektroskopischen Untersuchungen als auch die Diffusionsexperimente zeigten unter Sauerstoffausschluss eine Reduktion von Tc(VII) zu immobilen Tc(IV)-Spezies. Weiterhin konnte die Bildung eines Tc(IV)-Sorptionskomplexes an der Tonoberfläche gezeigt werden. Im Hinblick auf ein Endlager in Tongestein sind diese Ergebnisse positiv zu bewerten.

Non-aqueous dispersions of particles and their applications

In the current work, three studies about non-aqueous dispersions of particles were carried out by using an amphiphilic block copolymer poly(isoprene)-block-poly(methyl methacrylate) (PI-b-PMMA) as stabilizer:rn1. Dispersions of polyurethane and polyurea porous particles for polymer compositesrn2. Dispersions of PMMA and PU particles with PDI dye for study of Single Molecule Spectroscopy Detectionrn3. Dispersions of graphene nanosheets for polymer compositesrnrnIn the first study, highly porous polyurethane and polyurea particles were prepared in a non-aqueous emulsion. The preparation of porous particles consisted of two parts: At first, a system was developed where the emulsion had high stability for the polymerization among diisocyanate, diol and water. In the second part, porous particles were prepared by using two methods fission/fusion and combination by which highly porous particles were obtained. In this study, the applications of porous particles were also investigated where polyurethane particles were tested as filling material for polymer composites and as catalyst carrier for polyethylene polymerization. rnrnIn the second study, PMMA and PU particles from one non-aqueous emulsion were investigated via single molecule fluorescence detection. At first the particles were loaded with PDI dye, which were detected by fluorescence microscopy. The distribution and orientation of the PDI molecules in the particles were successfully observed by Single Molecule Fluorescence Detection. The molecules were homogenously distributed inside of the particles. In addition they had random orientation, meaning that no aggregations of dye molecules were formed. With the results, it could be supposed that the polymer chains were also homogenously distributed in the particles, and that the conformation was relatively flexible. rnrnIn the third part of the study, graphene nanosheets with high surface area were dispersed in an organic solvent with low boiling point and low toxicity, THF, stabilized with a block copolymer PI-b-PMMA. The dispersion was used to prepare polymer composites. It was shown that the modified graphene nanosheets had good compatibility with the PS and PMMA matrices. rn

Mitochondrial dysfunction and Purkinje cell loss in autosomal recessive spastic ataxia of Charlevoix-Saguenay (ARSACS)

Autosomal recessive spastic ataxia of Charlevoix-Saguenay (ARSACS) is a childhood-onset neurological disease resulting from mutations in the SACS gene encoding sacsin, a 4,579-aa protein of unknown function. Originally identified as a founder disease in Québec, ARSACS is now recognized worldwide. Prominent features include pyramidal spasticity and cerebellar ataxia, but the underlying pathology and pathophysiological mechanisms are unknown. We have generated an animal model for ARSACS, sacsin knockout mice, that display age-dependent neurodegeneration of cerebellar Purkinje cells. To explore the pathophysiological basis for this observation, we examined the cell biological properties of sacsin. We show that sacsin localizes to mitochondria in non-neuronal cells and primary neurons and that it interacts with dynamin-related protein 1, which participates in mitochondrial fission. Fibroblasts from ARSACS patients show a hyperfused mitochondrial network, consistent with defects in mitochondrial fission. Sacsin knockdown leads to an overly interconnected and functionally impaired mitochondrial network, and mitochondria accumulate in the soma and proximal dendrites of sacsin knockdown neurons. Disruption of mitochondrial transport into dendrites has been shown to lead to abnormal dendritic morphology, and we observe striking alterations in the organization of dendritic fields in the cerebellum of knockout mice that precedes Purkinje cell death. Our data identifies mitochondrial dysfunction/mislocalization as the likely cellular basis for ARSACS and indicates a role for sacsin in regulation of mitochondrial dynamics.

The end1 gene of Schizosaccharomyces pombe coding for a DNase is identical with the pnu1 gene coding for an RNase

The DNA nuclease activity encoded by the end1 gene, and its inactivation by mutation, was described in connection with the characterization of DNA topoisomerases in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe (Uemura and Yanagida, 1984). Subsequently, end1 mutant strains were used for the preparation of cell extracts for the study of enzymes and intermediates involved in DNA metabolism. The molecular identification of the end1 gene and its identity with the pnu1 gene is presented. The end1-458 mutation alters glycine to glutamate in the conserved motif TGPYLP. The pnu1 gene codes for an RNase that is induced by nitrogen starvation (Nakashima et al., 2002b). Thus, the End1/Pnu1 protein, like related mitochondrial proteins in other organisms, is an example of a sugar-non-specific nuclease. The analysis of strains carrying a pnu1 deletion revealed no defects in meiotic recombination and spore viability.

Phylogeny of horse chromosome 5q in the genus Equus and centromere repositioning

Horses, asses and zebras belong to the genus Equus and are the only extant species of the family Equidae in the order Perissodactyla. In a previous work we demonstrated that a key factor in the rapid karyotypic evolution of this genus was evolutionary centromere repositioning, that is, the shift of the centromeric function to a new position without alteration of the order of markers along the chromosome. In search of previously undiscovered evolutionarily new centromeres, we traced the phylogeny of horse chromosome 5, analyzing the order of BAC markers, derived from a horse genomic library, in 7 Equus species (E. caballus, E. hemionus onager, E. kiang, E. asinus, E. grevyi, E. burchelli and E. zebra hartmannae). This analysis showed that repositioned centromeres are present in E. asinus (domestic donkey, EAS) chromosome 16 and in E. burchelli (Burchell's zebra, EBU) chromosome 17, confirming that centromere repositioning is a strikingly frequent phenomenon in this genus. The observation that the neocentromeres in EAS16 and EBU17 are in the same chromosomal position suggests that they may derive from the same event and therefore, E. asinus and E. burchelli may be more closely related than previously proposed; alternatively, 2 centromere repositioning events, involving the same chromosomal region, may have occurred independently in different lineages, pointing to the possible existence of hot spots for neocentromere formation. Our comparative analysis also showed that, while E. caballus chromosome 5 seems to represent the ancestral configuration, centric fission followed by independent fusion events gave rise to 3 different submetacentric chromosomes in other Equus lineages.

Dating brittle tectonic movements with cleft monazite: Fluid-rock interaction and formation of REE minerals

[1] Two millimeter-sized hydrothermal monazites from an open fissure (cleft) that developed late during a dextral transpressional deformation event in the Aar Massif, Switzerland, have been investigated using electron microprobe and ion probe. The monazites are characterized by high Th/U ratios typical of other hydrothermal monazites. Deformation events in the area have been subdivided into three phases: (D1) main thrusting including formation of a new schistosity, (D2) dextral transpression, and (D3) local crenulation including development of a new schistosity. The two younger deformational structures are related to a subvertically oriented intermediate stress axis, which is characteristic for strike slip deformation. The inferred stress environment is consistent with observed kinematics and the opening of such clefts. Therefore, the investigated monazite-bearing cleft formed at the end of D2 and/or D3, and during dextral movements along NNW dipping planes. Interaction of cleft-filling hydrothermal fluid with wall rock results in rare earth element (REE) mineral formation and alteration of the wall rock. The main newly formed REE minerals are Y-Si, Y-Nb-Ti minerals, and monazite. Despite these mineralogical changes, the bulk chemistry of the system remains constant and thus these mineralogical changes require redistribution of elements via a fluid over short distances (centimeter). Low-grade alteration enables local redistribution of REE, related to the stability of the accessory phases. This allows high precision isotope dating of cleft monazite. 232Th/208Pb ages are not affected by excess Pb and yield growth domain ages between 8.03 ± 0.22 and 6.25 ± 0.60 Ma. Monazite crystallization in brittle structures is coeval or younger than 8 Ma zircon fission track data and hence occurred below 280°C.

Deciphering the driving forces of erosion rates on millennial to million-year timescales in glacially impacted landscapes: An example from the Western Alps

In many regions, tectonic uplift is the main driver of erosion over million-year (Myr) timescales, but climate changes can markedly affect the link between tectonics and erosion, causing transient variations in erosion rates. Here we study the driving forces of millennial to Myr-scale erosion rates in the French Western Alps, as estimated from in situ produced cosmogenic 10Be and a newly developed approach integrating detrital and bedrock apatite fission-track thermochronology. Millennial erosion rates from 10Be analyses vary between ~0.27 and ~1.33 m/kyr, similar to rates measured in adjacent areas of the Alps. Significant positive correlations of millennial erosion rates with geomorphic measures, in particular with the LGM ice thickness, reveal a strong transient morphological and erosional perturbation caused by repeated Quaternary glaciations. The perturbation appears independent of Myr-scale uplift and erosion gradients, with the effect that millennial erosion rates exceed Myr-scale erosion rates only in the internal Alps where the latter are low (<0.4 km/Myr). These areas, moreover, exhibit channels that clearly plot above a general linear positive relation between Myr-scale erosion rates and normalized steepness index. Glacial erosion acts irrespective of rock uplift and thus not only leads to an overall increase in erosion rates but also regulates landscape morphology and erosion rates in regions with considerable spatial gradients in Myr-scale tectonic uplift. Our study demonstrates that climate change, e.g., through occurrence of major glaciations, can markedly perturb landscape morphology and related millennial erosion rate patterns, even in regions where Myr-scale erosion rates are dominantly controlled by tectonics.

Bias associated with detrital zircon geochronology and thermochronometry

Detrital studies that utilize zircon U–Pb geochronology and fission-track (FT) thermochronometry are subject to a range of potential sources of bias that should be properly evaluated and minimized. Some of them are common to any single-grain mineral analysis (e.g., variable bedrock mineral fertility, hydraulic sorting during transport, selective grain loss during sample processing), whereas others are intrinsic to zircon, and are related to radiation damage and age discordance. In this article, we quantify the impact of intrinsic bias on detrital studies thanks to the analysis of modern detritus shed from the European Alps, and illustrate the general implications on geological interpretations. We show that detrital zircon U–Pb age distributions based on statistically robust datasets are highly reproducible and representative of the parent bedrock ages in the catchment. Arbitrary or selective removal of discordant grain ages can be minimized by using the Kolmogorov–Smirnov test to identify an appropriate cutoff level. Loss of metamict (α-damaged) zircon has a minor impact on data representativeness, and is mainly controlled by regional metamorphism rather than by mechanical abrasion during river transport. Zircon FT grain-age distributions were found to have poor reproducibility, although age spectra are consistent with bedrock data. However, unlike the U–Pb datasets, U-rich zircon grains (> 1000 ppm) are systematically missed, and undatable grains may exceed 50%. We identify two major sources of distribution bias specific to zircon FT datasets: (i) sediment sources dominated by U-rich zircon grains are markedly underrepresented in the detrital record, because such grains often have uncountable high densities of fission tracks (“U concentration bias”); (ii) sediment sources that shed zircon grains with high levels of α-damage are underrepresented, because these grains are lost during chemical etching for FT revelation (“etching bias”). In the case of multimethod dating on the same grains (e.g., FT and U–Pb double dating), bias affecting detrital zircon FT dating propagates to the entire dataset. These effects may not impact on exhumation-rate studies that utilize the youngest grain ages (i.e., lag-time approach). However, they represent a limiting factor for conventional provenance studies, and generally preclude application of zircon FT dating to sediment budget calculations.

Cloning and genetic characterization of Skb1: A novel regulator of Shk1 and mitosis in Schizosaccharomyces pombe

A partial skb1 gene was originally isolated in a yeast two-hybrid screen for Shk1-interacting polypeptides. Shk1 is one of two Schizosaccharomyces pombe p21Cdc42/Rac-activated kinases (PAKs) and is an essential component of the Ras1-dependent signal transduction pathways regulating cell morphology and mating responses in fission yeast. After cloning the skb1 gene we found the Skb1 gene product to be a novel, nonessential protein lacking homology to previously characterized proteins. However the identification of Skb1 homologs in C. elegans, S. cerevisiae, and H. sapiens reveals evolution has conserved the skb1 gene. Fission yeast cells carrying a deletion of skb1 exhibit a defect in cell size but not mating abilities. This defect is suppressed by high copy shk1. Fission yeast overexpressing skb1 were found to undergo cell division at a length 1.5X greater than normal. In the two-hybrid system, Skb1 interacts with a subdomain of the Shk1 regulatory region distinct from that with which Cdc42 interacts, and forms a ternary complex with Shk1 and Cdc42. By use of yeast genetics, we have established a role for Skb1 as a positive regulator of Shk1. Co-overexpression of shk1 with skb1 was found to suppress the morphology defect, but not the sterility, of ras1Δ fission yeast. Thus, the function of Skb1 is restricted to a morphology control pathway. We determined that Skb1 functions as a negative regulator of mitosis and does this through a Shk1-dependent mechanism. The mitotic regulatory function of Skb1 and Shk1 was also partially dependent upon Wee1, a direct negative regulator of the cyclin-dependent kinase Cdc2. The role for Skb1 and Shk1 as mitotic regulators is the first connection from a PAK protein to control of the cell cycle. Furthermore, Skb1 is the first non-Cdc42/Rac PAK modulator to be identified. ^

Landscape Evolution of the Dry Valleys, Transantarctic Mountains: Tectonic Implications

There are different views about the amount and timing of surface uplift in the Transantarctic Mountains and the geophysical mechanisms involved. Our new interpretation of the landscape evolution and tectonic history of the Dry Valleys area of the Transantarctic Mountains is based on geomorphic mapping of an area of 10,000 km(2). The landforms are dated mainly by their association with volcanic ashes and glaciomarine deposits and this permits a reconstruction of the stages and timing of landscape evolution. Following a lowering of base level about 55 m.y. ago, there was a phase of rapid denudation associated with planation and escarpment retreat, probably under semiarid conditions. Eventually, downcutting by rivers, aided in places by glaciers, graded valleys to near present sea level. The main valleys were flooded by the sea in the Miocene during a phase of subsidence before experiencing a final stage of modest upwarping near the coast. There has been remarkably little landform change under the stable, cold, polar conditions of the last 15 m.y. It is difficult to explain the Sirius Group deposits, which occur at high elevations in the area, if they are Pliocene in age. Overall, denudation may have removed a wedge of rock with a thickness of over 4 km at the coast declining to 1 km at a point 75 km inland, which is in good agreement with the results of existing apatite fission track analyses. It is suggested that denudation reflects the differences in base level caused by high elevation at the time of extension due to underplating and the subsequent role of thermal uplift and flexural isostasy. Most crustal uplift (2-4 km) is inferred to have occurred in the early Cenozoic with 400 m of subsidence in the Miocene followed by 300 m of uplift in the Pliocene.