Fate of the herbicide glyphosate and its metabolite AMPA in soils and their transfer to surface waters: A multi-scale approach in the Lavaux vineyards, western Switzerland

The use of herbicides in agriculture may lead to environmental problems, such as surface water pollution, with a potential risk for aquatic organisms. The herbicide glyphosate is the most used active ingredient in the world and in Switzerland. In the Lavaux vineyards it is nearly the only molecule applied. This work aimed at studying its fate in soils and its transfer to surface waters, using a multi-scale approach: from molecular (10-9 m) and microscopic scales (10-6 m), to macroscopic (m) and landscape ones (103 m). First of all, an analytical method was developed for the trace level quantification of this widely used herbicide and its main by-product, aminomethylphosphonic acid (AMPA). Due to their polar nature, their derivatization with 9-fluorenylmethyl chloroformate (FMOC-Cl) was done prior to their concentration and purification by solid phase extraction. They were then analyzed by ultra performance liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry (UPLC-MS/MS). The method was tested in different aqueous matrices with spiking tests and validated for the matrix effect correction in relevant environmental samples. Calibration curves established between 10 and 1000ng/l showed r2 values above 0.989, mean recoveries varied between 86 and 133% and limits of detection and quantification of the method were as low as 5 and 10ng/l respectively. At the parcel scale, two parcels of the Lavaux vineyard area, located near the Lutrive River at 6km to the east of Lausanne, were monitored to assess to which extent glyphosate and AMPA were retained in the soil or exported to surface waters. They were equipped at their bottom with porous ceramic cups and runoff collectors, which allowed retrieving water samples for the growing seasons 2010 and 2011. Results revealed that the mobility of glyphosate and AMPA in the unsaturated zone was likely driven by the precipitation regime and the soil characteristics, such as slope, porosity structure and layer permeability discrepancy. Elevated glyphosate and AMPA concentrations were measured at 60 and 80 cm depth at parcel bottoms, suggesting their infiltration in the upper parts of the parcels and the presence of preferential flow in the studied parcels. Indeed, the succession of rainy days induced the gradual saturation of the soil porosity, leading to rapid infiltration through macropores, as well as surface runoff formation. Furthermore, the presence of more impervious weathered marls at 100 cm depth induced throughflows, the importance of which for the lateral transport of the herbicide molecules was determined by the slope steepness. Important rainfall events (>10 mm/day) were clearly exporting molecules from the soil top layer, as indicated by important concentrations in runoff samples. A mass balance showed that total loss (10-20%) mainly occurred through surface runoff (96%) and, to a minor extent, by throughflows in soils (4%), with subsequent exfiltration to surface waters. Observations made in the Lutrive River revealed interesting details of glyphosate and AMPA dynamics in urbanized landscapes, such as the Lavaux vineyards. Indeed, besides their physical and chemical properties, herbicide dynamics at the catchment level strongly depend on application rates, precipitation regime, land use and also on the presence of drains or constructed channels. Elevated concentrations, up to 4970 ng/l, observed just after the application, confirmed the diffuse export of these compounds from the vineyard area by surface runoff during main rain events. From April to September 2011, a total load of 7.1 kg was calculated, with 85% coming from vineyards and minor urban sources and 15% from arable crops. Small vineyard surfaces could generate high concentrations of herbicides and contribute considerably to the total load calculated at the outlet, due to their steep slopes (~10%). The extrapolated total amount transferred yearly from the Lavaux vineyards to the Lake of Geneva was of 190kg. At the molecular scale, the possible involvement of dissolved organic matter (DOM) in glyphosate and copper transport was studied using UV/Vis fluorescence spectroscopy. Combined with parallel factor (PARAFAC) analysis, this technique allowed characterizing DOM of soil and surface water samples from the studied vineyard area. Glyphosate concentrations were linked to the fulvic-like spectroscopic signature of DOM in soil water samples, as well as to copper, suggesting the formation of ternary complexes. In surface water samples, its concentrations were also correlated to copper ones, but not in a significant way to the fulvic-like signature. Quenching experiments with standards confirmed field tendencies in the laboratory, with a stronger decrease in fluorescence intensity for fulvic-like fluorophore than for more aromatic ones. Lastly, based on maximum concentrations measured in the river, an environmental risk for these compounds was assessed, using laboratory tests and ecotoxicity data from the literature. In our case and with the methodology applied, the risk towards aquatic species was found negligible (RF<1).

Modélisation hydrologique des précipitations et des crues extrêmes dans les bassins versants alpin

Les crues et les risques de débordement des barrages, notamment des digues en terre, en cas de fortes précipitations, préoccupent depuis longtemps les autorités et la population. Les études réalisées dans les dernières années ont montré que le réchauffement global du climat s'est accompagné d'une augmentation de la fréquence des fortes précipitations et des crues en Suisse et dans de nombreuses régions du globe durant le 20ème siècle. Les modèles climatiques globaux et régionaux prévoient que la fréquence des fortes précipitations devrait continuer à croître durant le 21éme siècle en Suisse et dans le monde. Cela rend les recherches actuelles sur la modélisation des pluies et des crues à une échelle fine encore plus importantes. En Suisse, pour assurer une bonne protection sur le plan humain et économique, des cartes de précipitations maximales probables (PMP) ont été réalisées. Les PMP ont été confrontées avec les précipitations extrêmes mesurées dans les différentes régions du pays. Ces PMP sont ensuite utilisées par les modèles hydrologiques pour calculer des crues maximales probables (PMF). Cette la méthode PMP-PMF nécessite toutefois un certain nombre de précautions. Si elle est appliquée d'une manière incorrecte ou sur la base de données insuffisantes, elle peut entraîner une surestimation des débits de crue, notamment pour les grands bassins et pour les régions montagneuses entraînant des surcoûts importants. Ces problèmes résultent notamment du fait que la plupart des modèles hydrologiques répartissent les précipitations extrêmes (PMP) de manière uniforme dans le temps sur l'ensemble du bassin versant. Pour remédier ce problème, cette thèse a comme objectif principal de développer un modèle hydrologique distribué appelé MPF (Modeling Precipitation Flood) capable d'estimer la PMF de manière réaliste à partir de la PMP distribuée de manière spatio-temporelle à l'aide des nuages. Le modèle développé MPF comprend trois parties importantes. Dans la première partie, les précipitations extrêmes calculées par un modèle météorologique à une méso-échelle avec une résolution horizontale de 2 km, sont réparties à une échelle locale (25 ou 50 m) de manière non-uniforme dans l'espace et dans le temps. La deuxième partie concerne la modélisation de l'écoulement de l'eau en surface et en subsurface en incluant l'infiltration et l'exfiltration. Et la troisième partie inclut la modélisation de la fonte des neiges, basée sur un calcul de transfert de chaleur. Le modèle MPF a été calibré sur des bassins versants alpins où les données de précipitations et du débit sont disponibles pour une période considérablement longue, qui inclut plusieurs épisodes de fortes pluies avec des débits élevés. À partir de ces épisodes, les paramètres d'entrée du modèle tel que la rugosité du sol et la largeur moyenne des cours d'eau dans le cas d'écoulement de surface ont pu être estimés. Suivant la même procédure, les paramètres utilisés dans la simulation des écoulements en subsurface sont également estimés indirectement, puisque des mesures directes de l'écoulement en subsurface et de l'exfiltration sont difficiles à obtenir. Le modèle de distribution spatio-temporelle de la pluie a aussi été validé en utilisant les images radar avec la structure de la pluie provoquée par un nuage supercellulaire. Les hyétogrammes obtenus sur plusieurs points du terrain sont très proches de ceux enregistrées avec les images radar. Les résultats de la validation du modèle sur les épisodes de fortes crues présentent une bonne synchronisation entre le débit simulé et le débit observé. Cette corrélation a été mesurée avec trois critères d'efficacité, qui ont tous donné des valeurs satisfaisantes. Cela montre que le modèle développé est valide et il peut être utilisé pour des épisodes extrêmes tels que la PMP. Des simulations ont été faites sur plusieurs bassins ayant comme données d'entrée la pluie de type PMP. Des conditions variées ont été utilisées, comme la situation du sol saturé, ou non-saturé, ou la présence d'une couche de neige sur le terrain au moment de la PMP, ce qui conduit à une estimation de PMF pour des scénarios catastrophiques. Enfin, les résultats obtenus montrent comment mieux estimer la valeur de la crue de sécurité des barrages, à partir d'une pluie extrême dix-millennale avec une période de retour de 10'000 ans.

Processus de "deuil gelé" chez les femmes bosniaques, épouses de disparus

Les femmes concernées par cette recherche sont des femmes bosniaques, requérantes d'asile en Suisse, suivies au sein de l'association « Appartenances ». Elles ont quitté leur pays à la suite de la prise de la ville de Srebrenica, en juillet 1995. Lors de cet exode, elles ont été séparées de leurs maris, qui sont aujourd'hui encore portés disparus. Ces femmes partagent une expérience douloureuse qui transparaît derrière un certain nombre de symptômes physiques et psychiques. Nous avons été frappés par la répétition de pertes importantes, sans que les conditions permettant un travail de deuil soient réunies. Aucune signification ne peut être attribuée aux disparitions et aux décès, masqués par le silence politique et par l'impossibilité d'accomplir un rituel. Le deuil peut ainsi se compliquer jusqu'à devenir un deuil impossible, dont le prototype pourrait être le « deuil gelé » lors d'une disparition. D'autre part, le stress et l'attaque de l'identité occasionnés par les traumatismes et l'exil ont coupé ces femmes de leurs ressources personnelles et culturelles. La perte d'une image entière de soi est prolongée par le statut précaire de requérant d'asile et par la perte des espoirs mis dans le pays d'accueil. Devant la complexité de cette problématique, nous nous sommes demandés sur quel aspect axer la prise en charge thérapeutique. Nous avons décidé de travailler sur le vécu et les deuils actuels de ces patientes (stress post-traumatique et statut précaire en Suisse). Le concept-clé qui a étayé cette recherche s'inspire de Pollock (7): « le processus de deuil devient très significatif, dans le sens qu 'il est apparemment une des formes les plus universelles de l'adaptation et de la croissance à travers la structuration, disponible pour l'homme. » Dès lors, nous avons fait l'hypothèse que si le deuil est une forme universelle d'adaptation, l'élaboration d'un travail de deuil ou d'un processus d'adaptation quel qu'il soit, pourra servir d'apprentissage pour l'élaboration d'autres deuils. Concrètement, en travaillant sur le rétablissement de leur identité, les femmes pourront retrouver un accès à leurs ressources personnelles et culturelles, tandis que travailler sur les espoirs et déceptions face au statut en Suisse permettra de développer des moyens permettant plus de contrôle sur l'environnement. Leur autonomie rétablie, elles pourront consacrer leurs énergies à attribuer une signification à leur vécu et faire face aux autres deuils paralysant leur guérison. Nous avons assisté aux entretiens thérapeutiques, en récoltant des témoignages sur la base d'un canevas d'entretien semi-structuré, puis nous avons transposé les éléments sur une grille d'analyse regroupant les informations en items. L'analyse de ces entretiens nous a permis de préciser notre hypothèse et de développer des pistes de réflexion pour l'accompagnement thérapeutique de personnes vivant une disparition. A l'issue de ce travail, nous pouvons tirer des parallèles entre les processus d'élaboration des divers deuils. Les femmes sont entrées peu à peu dans le souvenir de la personne aimée et non plus dans le souvenir des événements traumatiques qui ont marqué sa disparition. S'appuyant alors sur la « mémoire sereine » de Kristeva (1) une recherche de signification a pu être entreprise, rejoignant ce que Métraux et Fleuiy (43) définissent comme la santé : « ... se voir créateur du sens qu'on veut donner à sa propre existence, à ses actes et à ses projets. »

Providing more informative projections of climate change impact on plant distribution in a mountain environment

Summary Due to their conic shape and the reduction of area with increasing elevation, mountain ecosystems were early identified as potentially very sensitive to global warming. Moreover, mountain systems may experience unprecedented rates of warming during the next century, two or three times higher than that records of the 20th century. In this context, species distribution models (SDM) have become important tools for rapid assessment of the impact of accelerated land use and climate change on the distribution plant species. In my study, I developed and tested new predictor variables for species distribution models (SDM), specific to current and future geographic projections of plant species in a mountain system, using the Western Swiss Alps as model region. Since meso- and micro-topography are relevant to explain geographic patterns of plant species in mountain environments, I assessed the effect of scale on predictor variables and geographic projections of SDM. I also developed a methodological framework of space-for-time evaluation to test the robustness of SDM when projected in a future changing climate. Finally, I used a cellular automaton to run dynamic simulations of plant migration under climate change in a mountain landscape, including realistic distance of seed dispersal. Results of future projections for the 21st century were also discussed in perspective of vegetation changes monitored during the 20th century. Overall, I showed in this study that, based on the most severe A1 climate change scenario and realistic dispersal simulations of plant dispersal, species extinctions in the Western Swiss Alps could affect nearly one third (28.5%) of the 284 species modeled by 2100. With the less severe 61 scenario, only 4.6% of species are predicted to become extinct. However, even with B1, 54% (153 species) may still loose more than 80% of their initial surface. Results of monitoring of past vegetation changes suggested that plant species can react quickly to the warmer conditions as far as competition is low However, in subalpine grasslands, competition of already present species is probably important and limit establishment of newly arrived species. Results from future simulations also showed that heavy extinctions of alpine plants may start already in 2040, but the latest in 2080. My study also highlighted the importance of fine scale and regional. assessments of climate change impact on mountain vegetation, using more direct predictor variables. Indeed, predictions at the continental scale may fail to predict local refugees or local extinctions, as well as loss of connectivity between local populations. On the other hand, migrations of low-elevation species to higher altitude may be difficult to predict at the local scale. Résumé La forme conique des montagnes ainsi que la diminution de surface dans les hautes altitudes sont reconnues pour exposer plus sensiblement les écosystèmes de montagne au réchauffement global. En outre, les systèmes de montagne seront sans doute soumis durant le 21ème siècle à un réchauffement deux à trois fois plus rapide que celui mesuré durant le 20ème siècle. Dans ce contexte, les modèles prédictifs de distribution géographique de la végétation se sont imposés comme des outils puissants pour de rapides évaluations de l'impact des changements climatiques et de la transformation du paysage par l'homme sur la végétation. Dans mon étude, j'ai développé de nouvelles variables prédictives pour les modèles de distribution, spécifiques à la projection géographique présente et future des plantes dans un système de montagne, en utilisant les Préalpes vaudoises comme zone d'échantillonnage. La méso- et la microtopographie étant particulièrement adaptées pour expliquer les patrons de distribution géographique des plantes dans un environnement montagneux, j'ai testé les effets d'échelle sur les variables prédictives et sur les projections des modèles de distribution. J'ai aussi développé un cadre méthodologique pour tester la robustesse potentielle des modèles lors de projections pour le futur. Finalement, j'ai utilisé un automate cellulaire pour simuler de manière dynamique la migration future des plantes dans le paysage et dans quatre scénarios de changement climatique pour le 21ème siècle. J'ai intégré dans ces simulations des mécanismes et des distances plus réalistes de dispersion de graines. J'ai pu montrer, avec les simulations les plus réalistes, que près du tiers des 284 espèces considérées (28.5%) pourraient être menacées d'extinction en 2100 dans le cas du plus sévère scénario de changement climatique A1. Pour le moins sévère des scénarios B1, seulement 4.6% des espèces sont menacées d'extinctions, mais 54% (153 espèces) risquent de perdre plus 80% de leur habitat initial. Les résultats de monitoring des changements de végétation dans le passé montrent que les plantes peuvent réagir rapidement au réchauffement climatique si la compétition est faible. Dans les prairies subalpines, les espèces déjà présentes limitent certainement l'arrivée de nouvelles espèces par effet de compétition. Les résultats de simulation pour le futur prédisent le début d'extinctions massives dans les Préalpes à partir de 2040, au plus tard en 2080. Mon travail démontre aussi l'importance d'études régionales à échelle fine pour évaluer l'impact des changements climatiques sur la végétation, en intégrant des variables plus directes. En effet, les études à échelle continentale ne tiennent pas compte des micro-refuges, des extinctions locales ni des pertes de connectivité entre populations locales. Malgré cela, la migration des plantes de basses altitudes reste difficile à prédire à l'échelle locale sans modélisation plus globale.

L'équité d'accès aux ressources en eau : fin ou moyen d'amélioration de l'efficacité de l'irrigation ? : la gestion des ressources en eau dans l'état du Gujarat (Inde) dans la perpective de la political ecology

La thèse présentée ici est le résultat d'une étroite collaboration avec une ONG indienne, AKRSP(I), intervenant dans le développement de l'irrigation au Gujarat depuis plus de 25 ans. Un SIG prototype a été mis en oeuvre et nous permet de proposer ime analyse spatiale et quantitative de l'action de cette ONG ainsi qu'une réflexion plus générale sur les leviers de mise en valeur et de gestion des ressources en eau à des fins agricoles. On peut souligner trois principaux enseignements: Les perspectives d'application des SIG au sein des ONG sont manifestes. Les exigences des bailleurs de fonds peuvent néanmoins faire obstacle à leur développement car, indi-rectement, ils favorisent la mise en oeuvre de SI voués à la justification plutôt qu'à la planification et au suivi des programmes d'actions. Ce résultat soulève la question de la pertinence de l'encadrement, des critères d'évaluation et de la conditionnalité de l'aide publique au développement. Les ONG ont un fort potentiel pour participer à la mise en valeur des ressources en eau en Inde et aider à relever le défi agro-démographique indien, en particulier dans les zones marginales où les services étatiques sont en retrait. Les stratégies d'action basées principalement sur l'application des instruments économiques et techniques doivent cependant être modifiées. Nous montrons qu'elles favorisent une inégalité d'accès aux ressources qui débouche sur une efficacité limitée des pratiques d'irrigation, sur un plan agro-technique. Ces résultats soulignent la nécessité de poursuivre une réflexion critique des discours et solutions dominants en matière de gestion des ressources en eau. Deux pistes d'amélioration sont avancées: 1. considérer l'équité d'accès comme un moyen d'optimiser la gestion de la ressource (limiter le volume d'eau par agriculteur pour encourager les choix de cultures irriguées peu consommatrices et l'adoption des technologies d'économie d'eau), 2. prêter attention à l'ordre dans lequel les différents instruments de gestion disponibles sont employés afin de les articuler dans un séquençage temporel pertinent. La Political Ecology apparait comme un cadre conceptuel très pertinent pour engager cette réflexion critique. Elle permet d'intégrer différentes échelles d'asymétries de pouvoirs à la compréhension des situations et des blocages observables localement : inégalités de capabilités et forces socio-politiques à l'échelle locale, politiques agro-industrielles (coton) et jeux d'alliances politiques des castes à l'échelle nationale, discours et conflits idéologiques ou orientations stratégiques des bailleurs de fonds à l'échelle internationale... Notre recherche empirique contribue modestement au développement de cette Political Ecology de la mise en valeur et de la gestion des ressources en eau. - The present research is based on a close collaboration with an indian NGO, AKRSP(I), which is active in the development of irrigation facilities in Gujarat for the past 25 years. We built a GIS prototype providing quantitative and spatial datas to analyse the NGO intervention and propose a general reflection about water resources development and management issues. Three main findings may be emphasized : The potential of GIS within the workings of an NGO is obvious, as an information ma-nagement tool as much as for developing analytical capacity. However, financial backers expectations may not favour a relevant development of this technology. Indirectly, they promote Information Systems built to justify rather than to plan or monitor action pro¬grammes. This raises the question of stricter framework, conditionality criters and stan¬dardised assessment indicators surrounding official development assistance. There is strong potential that NGOs can assist with the improvement of water resources in India. They can help in overcoming Indian demographic-related agricultural challenges, especially in marginal rural areas neglected by state services. However, intervention strategies mainly based on technical and economic management tools has to be adapted. We found that they lead to inequitable access and distribution of water resources what induces a low efficiency of irrigation practices from an agro-technical point of view. These results underline the need to go further in criticizing dominant ideas and guidelines regarding water resources management. We suggest two other options : 1. to consider equitable access has a tool to improve the effective use of water for agricul¬tural purposes (limiting the volume of water available per farmer would encourage them to adopt low water consumption crops and water saving technics), 2. to consider more carefully the order of use of the various management tools available and to structure them in a relevant sequence. Here, Political Ecology seems to be a relevant conceptual framework to enter into such a critical reflection, integrating different levels and scales of political asymmetries at the core of environmental issues. Indeed, the understanding of regional water situations and social stumbling blocks needs not only to consider local capabilities and socio-political inequities, but also agro-industrial policy (e.i. cotton) and caste political alliances at a national scale, as well as ideological and narrative struggles or strategical orientations of financial backers at an international level. Our empirical research modestly contributes to the development of such a Political Ecology of water resources development and management.

Signalling pathways in skin homeostasis

SUMMARY The results presented here contribute to a better understanding of the crucial molecular relationships and signalling cues exchanged by several fundamental cell types (epidermal keratinocytes, dermal fibroblasts, immune and endothelial cells) of the skin. Importantly we provide evidence to directly implicate Wnt/ß-catenin signalling as a putative player in different cell types (keratinocytes and neutrophils) in mediation of the cutaneous inflammatory response (Fart A). Finally we highlight the importance of several molecules, specifically expressed in the hair follicle stem cell niche to the morphogenesis and homeostasis of the hair follicle (Part B). PART A Currently the body of work pertaining to Wnt signalling and immune cells largely focuses on Wnt signalling in the development of these cells. The data presented here suggests a novel mechanism in which Wnt signalling appears to modulate immune cell recruitment to the skin. Keratinocytes are major contributors to early inflammatory responses by the release of chemokines which recruit immune cells. The resultant inflammatory response is a dynamic process of sequentially infiltrating immune cells governed by a network of growth factors, chemokines and cytokines. In wild type mice the response is typified by a rapid and substantial infiltration of neutrophils followed at later time points by macrophages and Tcells. The expression of the canonical Wnt pathway activating ligand, Wnt3a, is able to induce a strong neutrophil infiltration in the dermis. This response originates in keratinocytes, as it is abrogated upon keratinocyte-specific ablation of ß-catenin. Notably, this suggests that the crucial cross talk between these resident cells and recruited immune cells is, in part, mediated by Wnt signalling. In corroboration of this role of Wnt-mediated recruitment of neutrophils, expression of the Wnt inhibitory ligand sFRPI during acute inflammation results in a dramatic 'dampening' of immune cell infiltration in particular of neutrophil chemoattraction. Importantly, an intrinsic Wnt signalling pathway is essential for neutrophil chemoattraction in response to inflammatory stimuli. There is a marked reduction of neutrophil infiltration in mice grafted with a ß-catenin deficient bone marrow upon TPA induced cutaneous inflammation. Additionally, neutrophils lacking Wnt/ß-catenin fail to respond to IFNγ, an early inflammatory cue, in vitro. In combination, these data indicate a potent function of Wnt signalling in immune cell recruitment and the modulation of the inflammatory response. PART B Tissue specific stem cells form the cellular base on which tissue homeostasis and repair of adult tissue relies. The maintenance of this stem cell pool is highly dependent on the immediate environment or niche. We have identified three genes, the fibroblast growth factor receptor 1 (FGFR1), serpin protease inhibitor (serpin F1) and the haematopoietic cell phosphatase (Hcph) to be specifically expressed in a small population of stromal cells which are in close contact to bulge stem cells. These specialized stromal cells might represent an essential mesenchymal component of the skin stem cell niche and may regulate stem cell proliferation and differentiation. Multiple FGFR1 isoforms are generated through alternate transcript splicing and are able to interact with both FGFs and cell adhesion molecules. Two predominant forms of the receptor are FGFR1-α and FGFR1-ß. Expression of a dominant negative form of the alpha isoform prevents hair follicle morphogenesis altogether. Given that FGFR1-ß signals principally through the FGF ligands, this data indicates that FGF signalling is dispensable for follicle morphogenesis. Moreover the loss of follicular morphogenesis upon suggests a requirement for signalling via cell adhesion molecule association with the receptor as FGFR1 α has a greater affinity for these molecules. The expression of the second candidate niche gene serpin f1, lead to the complete ablation of hair follicle morphogenesis. The serpin f1 product, pigment-epithelial derived factor (PEDF) has potent anti-angiogenic effects. Immunohistochemical analysis using CD31, a endothelial cell marker, revealed that although these cells are present, they have are disorganised and do not form vessels. Interestingly, endothelial cells have been found to contribute to the neuronal stem cell niche and our results suggest a similar mechanism in the skin. SHP1, the Hcph gene product, is a phosphatase which acts in the haematopoetic system. Motheaten mice carrying spontaneous mutations in the Hcph gene have patchy alopecia in their skin and severe defects in their haematopoietic system. However the haematopoietic rescue of the mouse does not result in normal follicular homeostasis. Additionally, ablation of Hcph in either the dermal or keratinocyte compartments of the skin produces hair follicles with abberant morphologies. This data indicates that although SHP1 is not essential for hair follicle morphogenesis it is required in both epidermal and dermal compartments to maintain follicular morphology. RÉSUMÉ PARTIE A Jusqu'à présent, les travaux dédiés à l'étude de la voie de signalisation Wnt dans le système immunitaire se sont essentiellement concentrés sur son rôle dans le développement des cellules immunitaires. Les données présentées ici suggèrent fortement et de manière nouvelle, l'existence d'un mécanisme par lequel la voie de signalisation Wnt/ß-caténine module le recrutement de cellules immunitaires dans un tissu périphérique, la peau, et ainsi la réponse inflammatoire cutanée. La réponse inflammatoire cutanée est un processus dynamique d'infiltration séquentielle de diverses cellules immunitaires, orchestré par un réseau de facteurs de croissance, chémokines et cytokines. Les kératinocytes sont des contributeurs majeurs à la réponse inflammatoire précoce par la libération de chémokines qui permettent ensuite de recruter les cellules immunitaires. Dans des souris sauvages, la réponse est d'abord caractérisée par une infiltration rapide et substantielle de neutrophiles, suivie par celle des macrophages et des lymphocytes T. L'expression d'un ligand activateur de le voie canonique de signalisation Wnt (après injection infra-dermique de fibroblastes sur-exprimant Wnt-3a) induit une infiltration dermique très marquée de neutrophiles. De plus, la réponse est éliminée en l'absence de ß-caténine spécifiquement dans les kératinocytes, indiquant que ces cellules sont à l'origine de la réponse. De manière remarquable, ceci suggère qu'une signalisation cruciale entre ces cellules résidentes de la peau et les cellules immunitaires recrutées est, au moins en partie, médiée par la voie Wnt. Corroborant ce rôle de la voie Wnt/ß-caténine dans le recrutement des neutrophiles, l'expression d'un ligand inhibiteur de la voie (sFRP1) résulte au cours d'une inflammation aigüe en une réduction spectaculaire de l'infiltration des cellules immunitaires en général, et des neutrophiles en particulier. De manière importante, la voie de signalisation Wnt est intrinsèquement requise pour la chémoattraction des neutrophiles en réponse à un stimulus inflammatoire. En effet, suite à une inflammation cutanée induite par un ester de phorbol (TPA), une réduction notable de l'infiltration des neutrophiles est observée dans des souris préalablement greffées avec de la moelle osseuse constituée de cellules déficientes en ß-caténine. De plus, in vitro, les neutrophiles sans ß-caténine ne répondent pas à une stimulation par l'interféron γ, qui est pourtant un signal inflammatoire établi in vivo. En conclusion, nos données indiquent que la voie de signalisation Wnt/ß-caténine joue une fonction active dans le recrutement des cellules immunitaires vers un organe périphérique, la peau, ainsi que dans la modulation, à plusieurs niveaux, de la réponse inflammatoire cutanée. PARTIE B Les cellules souches tissu-spécifiques forment la base cellulaire sur laquelle repose l'homéostase et la réparation tissulaires chez l'adulte. La maintenance de ce réservoir de cellules souches est hautement dépendante de leur environnement cellulaire immédiat, encore appelé «niche des cellules souches». Dans la peau, ces cellules stromales spécialisées représentent un compartiment mésenchymateux essentiel de la niche des cellules souches en régulant leurs prolifération et différentiation. Nous avons identifié trois gènes, le «récepteur 1 àux facteurs de croissance des fibroblastes » (Fgfr1 ), l' «inhibiteur de protéase à sérine » (serpinf1 ou pedf) et la « phosphatase des cellules hématopoiétiques » (Hcph ou Ptpn6), comme spécifiquement exprimés par une petite population de cellules stromales qui sont étroitement associées aux cellules souches de la peau (localisées au niveau du bombement du follicule pileux). Pour analyser leur fonction dans ce contexte, nous avons utilisé un test de reconstitution complète de peau murine en combinaison à des. transductions géniques basées sur l'utilisation de lentivirus. Ce test repose sur le mélange de deux compartiments cellulaires, épidermique (kératinocytes) et dermique (fibroblastes), greffés sur une zone ouverte de peau du dos d'une souris pour ensemble reconstituer la peau. Des isoformes multiples de FGFR1 sont générées par épissage alternatif de transcrits et sont capables d'interagir à la fois avec les FGFs (facteurs de croissance des fibroblastes) et les molécules d'adhésion cellulaires. Les deux formes prédominantes du récepteur, FGFR1-α et FGFR1-ß, ne différent que par le «domaine ressemblant aux immunoglobulines 1 » (immunoglobulin-like 1 domain), absent de FGFR1-ß. De plus, FGFR1-ß a une affinité plus grande pour les FGFs et plus faible pour les molécules d'adhésion cellulaires telles que la Ncadhérine (connue pour activer FGFR). La sur-expression de l'une ou l'autre des formes n'empêche pas la morphogenèse folliculaire mais conduit à la formation de follicules aberrants. Toutefois, une différence phénotypique majeure est observée lorsqu'une forme «Dominant-Négatif » (DN) est exprimée dans le compartiment dermique. La sur-expression de FGFR1-ß DN conduit en effet à la formation de follicules petits et tronqués, avec des gaines épithéliales et un bulbe élargis ainsi qu'une petite papille dermique. Par contre, l'expression de FGFR1-α DN abolit complètement la morphogenèse folliculaire. Etant donné que la signalisation par FGFR1-ß est principalement dépendante des ligands FGFs, ces données indiquent que la signalisation par ceux-cì est non-nécessaire à la morphogenèse folliculaire. De plus, l'abolition du processus par la sur-expression de FGFR1-a DN suggëre une signalisation nécessaire entre le récepteur FGFR1 et une ou des molécules d'adhésion cellulaire. L'expression de notre second candidat comme gène spécifique de la niche des cellules souches de la peau, serpinf1, prévient la morphogenèse folliculaire. Seules de petites structures ressemblant à des cystes sont observées après reconstitution de la peau. De plus, dans ces transplants, aucune cellule CD34-positive (marqueur des cellules souches) n'est retrouvée associé à ces cystes. Le produit du gène serpin f1, le «facteur dérivé d'épithélium pigmentaire » (PEDF) est un puissant facteur anti-angiogénique. Nous avons donc analysé la vascularisation des transplants par immunohistochirnies utilisant CD31, un marqueur des cellules endothéliales. Nos résultats révèlent que les cellules endothéliales sont bien présentes, mais de manière désorganisée et ne formant pas de vaisseaux. De manière intéressante, les cellules endothéliales contribuent activement à la niche des cellules souches neuronales, et nos résultats suggèrent donc l'existence possible d'un mécanisme similaire dans la peau. SHP1, le produit du gène Hcph, est une phosphatase quì agit dans le système hématopoiétique. Les souris « motheaten »qui portent des mutations spontanées du gène ont une alopécie inégale au niveau de la peau et de sévères troubles du système hématopoiétique. Pour s'assurer que le phénotype observé au niveau de la peau n'est pas une conséquence d'un défaut du système hématopoiétique, nous avons transplanté des souris Hcph -/- avec de la moelle osseuse sauvage afin de restaurer la fonction de SHP 1 dans le système hématopoiétique. Toutefois, le défaut de morphologie folliculaire est maintenu. De plus, l'ablation d'Hcph dans le compartiment dermique ou épidermique d'essais de reconstitution de peau conduit à la production de follicules pileux avec des morphologies aberrantes. Ces données indiquent que SHP1 n'est pas essentiel à la morphogenèse folliculaire mais est toutefois requis à la fois dans les compartiments épidermiques et dermiques pour la maintenance de la forme du follicule.

Characterization of polyphosphate synthesis by isolated yeast vacuoles

Polyphosphate (iPOP) is a linear polymer of orthophosphate units linked together by high energy phosphoanhydride bonds. It is found in all organisms, localized in organelles called acidocalcisomes and ranges from a few to few hundred monomers in length. iPOP has been found to play a vast array of roles in all organisms, including phosphate and energy metabolism, regulation of enzymes, virulence, pathogenicity, bone remodelling and blood clotting, among many others. Recently it was found that iPOP levels were increased in myeloma cells. The growing interest in iPOP in human cell lines makes it an interesting molecule to study. However, not much is known about its metabolism in eukaryotes. Acidocalcisomes are electron dense, acidic organelles that belong to the group of Lysosome Related Organelles (LROs). The conservation of acidocalcisomes among all kingdoms of life is suggestive of their important roles for the organisms. However, they are difficult to analyse because of limited biochemical tools for investigation. Yeast vacuoles present remarkable similarities to acidocalcisomes in terms of their physiological and structural features, including synthesis and storage of iPOP, which make them an ideal candidate to study biological processes which are shared between vacuoles and acidocalcisomes. The availability of tools for genetic manipulation and isolation of vacuoles makes yeast a candidate of choice for the characterization of iPOP synthesis in eukaryotes. Our group has identified the Vacuolar Transporter Chaperone (VTC) complex as iPOP polymerase and identified the catalytic subunit (Vtc4). The goal of my study was to characterize the process of iPOP synthesis by isolated vacuoles and to reconstitute iPOP synthesis in liposomes. The first step was to develop a method for monitoring iPOP by isolated vacuoles over time and comparing it with previously known methods. Next, a detailed characterization was performed to determine the modulators of the process, both for intact as well as solubilized vacuoles. Finally, attempts were made to purify the VTC complex and reconstitute it in liposomes. A parallel line of study was the translocation and storage of synthesized iPOP in the lumen of the vacuoles. As a result of this study, it is possible to determine distinct pools of iPOP- inside and outside the vacuolar lumen. Additionally, I establish that the vacuolar lysate withstands harsh steps during reconstitution on liposomes and retains iPOP synthesizing activity. The next steps will be purification of the intact VTC complex and its structure determination by cryo-electron microscopy. - Les organismes vivants sont composés d'une ou plusieurs cellules responsables des processus biologiques élémentaires tels que la digestion, la respiration, la synthèse et la reproduction. Leur environnement interne est en équilibre et ils réalisent un très grand nombre de réactions chimiques et biochimiques pour maintenir cet équilibre. A différents compartiments cellulaires, ou organelles, sont attribuées des tâches spécifiques pour maintenir les cellules en vie. L'étude de ces fonctions permet une meilleure compréhension de la vie et des organismes vivants. De nombreux processus sont bien connus et caractérisés mais d'autres nécessitent encore des investigations détaillées. L'un de ces processus est le métabolisme des polyphosphates. Ces molécules sont des polymères linéaires de phosphate inorganique dont la taille peut varier de quelques dizaines à quelques centaines d'unités élémentaires. Ils sont présents dans tous les organismes, des bactéries à l'homme. Ils sont localisés principalement dans des compartiments cellulaires appelés acidocalcisomes, des organelles acides observés en microscopie électronique comme des structures denses aux électrons. Les polyphosphates jouent un rôle important dans le stockage et le métabolisme de l'énergie, la réponse au stress, la virulence, la pathogénicité et la résistance aux drogues. Chez l'homme, ils sont impliqués dans la coagulation du sang et le remodelage osseux. De nouvelles fonctions biologiques des polyphosphates sont encore découvertes, ce qui accroît l'intérêt des chercheurs pour ces molécules. Bien que des progrès considérables ont été réalisés afin de comprendre la fonction des polyphosphates chez les bactéries, ce qui concerne la synthèse, le stockage et la dégradation des polyphosphates chez les eucaryotes est mal connu. Les vacuoles de la levure Saccharomyces cerevisiae sont similaires aux acidocalcisomes des organismes supérieurs en termes de structure et de fonction. Les acidocalcisomes sont difficiles à étudier car il n'existe que peu d'outils génétiques et biochimiques qui permettent leur caractérisation. En revanche, les vacuoles peuvent être aisément isolées des cellules vivantes et manipulées génétiquement. Les vacuoles comme les acidocalcisomes synthétisent et stockent les polyphosphates. Ainsi, les découvertes faites grâce aux vacuoles de levures peuvent être extrapolées aux acidocalcisomes des organismes supérieurs. Le but de mon projet était de caractériser la synthèse des polyphosphates par des vacuoles isolées. Au cours de mon travail de thèse, j'ai mis au point une méthode de mesure de la synthèse des polyphosphates par des organelles purifés. Ensuite, j'ai identifié des composés qui modulent la réaction enzymatique lorsque celle-ci a lieu dans la vacuole ou après solubilisation de l'organelle. J'ai ainsi pu mettre en évidence deux groupes distincts de polyphosphates dans le système : ceux au-dehors de la vacuole et ceux en-dedans de l'organelle. Cette observation suggère donc très fortement que les vacuoles non seulement synthétisent les polyphosphates mais aussi transfère les molécules synthétisées de l'extérieur vers l'intérieur de l'organelle. Il est très vraisemblable que les vacuoles régulent le renouvellement des polyphosphates qu'elles conservent, en réponse à des signaux cellulaires. Des essais de purification de l'enzyme synthétisant les polyphosphates ainsi que sa reconstitution dans des liposomes ont également été entrepris. Ainsi, mon travail présente de nouveaux aspects de la synthèse des polyphosphates chez les eucaryotes et les résultats devraient encourager l'élucidation de mécanismes similaires chez les organismes supérieurs. - Les polyphosphates (iPOP) sont des polymères linéaires de phosphates inorganiques liés par des liaisons phosphoanhydres de haute énergie. Ces molécules sont présentes dans tous les organismes et localisées dans des compartiments cellulaires appelés acidocalcisomes. Elles varient en taille de quelques dizaines à quelques centaines d'unités phosphate. Des fonctions nombreuses et variées ont été attribuées aux iPOP dont un rôle dans les métabolismes de l'énergie et du phosphate, dans la régulation d'activités enzymatiques, la virulence, la pathogénicité, le remodelage osseux et la coagulation sanguine. Il a récemment été montré que les cellules de myélome contiennent une grande quantité de iPOP. Il y donc un intérêt croissant pour les iPOP dans les lignées cellulaires humaines. Cependant, très peu d'informations sur le métabolisme des iPOP chez les eucaryotes sont disponibles. Les acidocalcisomes sont des compartiments acides et denses aux électrons. Ils font partie du groupe des organelles similaires aux lysosomes (LROs pour Lysosome Related Organelles). Le fait que les acidocalcisomes soient conservés dans tous les règnes du vivant montrent l'importance de ces compartiments pour les organismes. Cependant, l'analyse de ces organelles est rendue difficile par l'existence d'un nombre limité d'outils biochimiques permettant leur caractérisation. Les vacuoles de levures possèdent des aspects structuraux et physiologiques très similaires à ceux des acidocalcisomes. Par exemple, ils synthétisent et gardent en réserve les iPOP. Ceci fait des vacuoles de levure un modèle idéal pour l'étude de processus biologiques conservés chez les vacuoles et les acidocalcisomes. De plus, la levure est un organisme de choix pour l'étude de la synthèse des iPOP compte-tenu de l'existence de nombreux outils génétiques et la possibilité d'isoler des vacuoles fonctionnelles. Notre groupe a identifié le complexe VTC (Vacuole transporter Chaperone) comme étant responsable de la synthèse des iPOP et la sous-unité Vtc4p comme celle possédant l'activité catalytique. L'objectif de cette étude était de caractériser le processus de synthèse des iPOP en utilisant des vacuoles isolées et de reconstituer la synthèse des iPOP dans des liposomes. La première étape a consisté en la mise au point d'un dosage permettant la mesure de la quantité de iPOP synthétisés par les organelles isolés en fonction du temps. Cette nouvelle méthode a été comparée aux méthodes décrites précédemment dans la littérature. Ensuite, la caractérisation détaillée du processus a permis d'identifier des composés modulateurs de la réaction à la fois pour des vacuoles intactes et des vacuoles solubilisées. Enfin, des essais de purification du complexe VTC et sa reconstitution dans des liposomes ont été entrepris. De façon parallèle, une étude sur la translocation et le stockage des iPOP dans le lumen des vacuoles a été menée. Il a ainsi été possible de mettre en évidence différents groupes de iPOP : les iPOP localisés à l'intérieur et ceux localisés à l'extérieur des vacuoles isolées. De plus, nous avons observé que le lysat vacuolaire n'est pas détérioré par les étapes de reconstitution dans les liposomes et conserve l'activité de synthèse des iPOP. Les prochaines étapes consisteront en la purification du complexe intact et de la détermination de sa structure par cryo-microscopie électronique.

Dynamic Modelling of Material Flows and Sustainable Resource Use: Case Studies in Regional Metabolism and Space Life Support Systems

Sustainable resource use is one of the most important environmental issues of our times. It is closely related to discussions on the 'peaking' of various natural resources serving as energy sources, agricultural nutrients, or metals indispensable in high-technology applications. Although the peaking theory remains controversial, it is commonly recognized that a more sustainable use of resources would alleviate negative environmental impacts related to resource use. In this thesis, sustainable resource use is analysed from a practical standpoint, through several different case studies. Four of these case studies relate to resource metabolism in the Canton of Geneva in Switzerland: the aim was to model the evolution of chosen resource stocks and flows in the coming decades. The studied resources were copper (a bulk metal), phosphorus (a vital agricultural nutrient), and wood (a renewable resource). In addition, the case of lithium (a critical metal) was analysed briefly in a qualitative manner and in an electric mobility perspective. In addition to the Geneva case studies, this thesis includes a case study on the sustainability of space life support systems. Space life support systems are systems whose aim is to provide the crew of a spacecraft with the necessary metabolic consumables over the course of a mission. Sustainability was again analysed from a resource use perspective. In this case study, the functioning of two different types of life support systems, ARES and BIORAT, were evaluated and compared; these systems represent, respectively, physico-chemical and biological life support systems. Space life support systems could in fact be used as a kind of 'laboratory of sustainability' given that they represent closed and relatively simple systems compared to complex and open terrestrial systems such as the Canton of Geneva. The chosen analysis method used in the Geneva case studies was dynamic material flow analysis: dynamic material flow models were constructed for the resources copper, phosphorus, and wood. Besides a baseline scenario, various alternative scenarios (notably involving increased recycling) were also examined. In the case of space life support systems, the methodology of material flow analysis was also employed, but as the data available on the dynamic behaviour of the systems was insufficient, only static simulations could be performed. The results of the case studies in the Canton of Geneva show the following: were resource use to follow population growth, resource consumption would be multiplied by nearly 1.2 by 2030 and by 1.5 by 2080. A complete transition to electric mobility would be expected to only slightly (+5%) increase the copper consumption per capita while the lithium demand in cars would increase 350 fold. For example, phosphorus imports could be decreased by recycling sewage sludge or human urine; however, the health and environmental impacts of these options have yet to be studied. Increasing the wood production in the Canton would not significantly decrease the dependence on wood imports as the Canton's production represents only 5% of total consumption. In the comparison of space life support systems ARES and BIORAT, BIORAT outperforms ARES in resource use but not in energy use. However, as the systems are dimensioned very differently, it remains questionable whether they can be compared outright. In conclusion, the use of dynamic material flow analysis can provide useful information for policy makers and strategic decision-making; however, uncertainty in reference data greatly influences the precision of the results. Space life support systems constitute an extreme case of resource-using systems; nevertheless, it is not clear how their example could be of immediate use to terrestrial systems.

Pore-scale modeling of two-phase flow instabilities in porous media

Les problèmes d'écoulements multiphasiques en média poreux sont d'un grand intérêt pour de nombreuses applications scientifiques et techniques ; comme la séquestration de C02, l'extraction de pétrole et la dépollution des aquifères. La complexité intrinsèque des systèmes multiphasiques et l'hétérogénéité des formations géologiques sur des échelles multiples représentent un challenge majeur pour comprendre et modéliser les déplacements immiscibles dans les milieux poreux. Les descriptions à l'échelle supérieure basées sur la généralisation de l'équation de Darcy sont largement utilisées, mais ces méthodes sont sujettes à limitations pour les écoulements présentant de l'hystérèse. Les avancées récentes en terme de performances computationnelles et le développement de méthodes précises pour caractériser l'espace interstitiel ainsi que la distribution des phases ont favorisé l'utilisation de modèles qui permettent une résolution fine à l'échelle du pore. Ces modèles offrent un aperçu des caractéristiques de l'écoulement qui ne peuvent pas être facilement observées en laboratoire et peuvent être utilisé pour expliquer la différence entre les processus physiques et les modèles à l'échelle macroscopique existants. L'objet premier de la thèse se porte sur la simulation numérique directe : les équations de Navier-Stokes sont résolues dans l'espace interstitiel et la méthode du volume de fluide (VOF) est employée pour suivre l'évolution de l'interface. Dans VOF, la distribution des phases est décrite par une fonction fluide pour l'ensemble du domaine et des conditions aux bords particulières permettent la prise en compte des propriétés de mouillage du milieu poreux. Dans la première partie de la thèse, nous simulons le drainage dans une cellule Hele-Shaw 2D avec des obstacles cylindriques. Nous montrons que l'approche proposée est applicable même pour des ratios de densité et de viscosité très importants et permet de modéliser la transition entre déplacement stable et digitation visqueuse. Nous intéressons ensuite à l'interprétation de la pression capillaire à l'échelle macroscopique. Nous montrons que les techniques basées sur la moyenne spatiale de la pression présentent plusieurs limitations et sont imprécises en présence d'effets visqueux et de piégeage. Au contraire, une définition basée sur l'énergie permet de séparer les contributions capillaires des effets visqueux. La seconde partie de la thèse est consacrée à l'investigation des effets d'inertie associés aux reconfigurations irréversibles du ménisque causé par l'interface des instabilités. Comme prototype pour ces phénomènes, nous étudions d'abord la dynamique d'un ménisque dans un pore angulaire. Nous montrons que, dans un réseau de pores cubiques, les sauts et reconfigurations sont si fréquents que les effets d'inertie mènent à différentes configurations des fluides. A cause de la non-linéarité du problème, la distribution des fluides influence le travail des forces de pression, qui, à son tour, provoque une chute de pression dans la loi de Darcy. Cela suggère que ces phénomènes devraient être pris en compte lorsque que l'on décrit l'écoulement multiphasique en média poreux à l'échelle macroscopique. La dernière partie de la thèse s'attache à démontrer la validité de notre approche par une comparaison avec des expériences en laboratoire : un drainage instable dans un milieu poreux quasi 2D (une cellule Hele-Shaw avec des obstacles cylindriques). Plusieurs simulations sont tournées sous différentes conditions aux bords et en utilisant différents modèles (modèle intégré 2D et modèle 3D) afin de comparer certaines quantités macroscopiques avec les observations au laboratoire correspondantes. Malgré le challenge de modéliser des déplacements instables, où, par définition, de petites perturbations peuvent grandir sans fin, notre approche numérique apporte de résultats satisfaisants pour tous les cas étudiés. - Problems involving multiphase flow in porous media are of great interest in many scientific and engineering applications including Carbon Capture and Storage, oil recovery and groundwater remediation. The intrinsic complexity of multiphase systems and the multi scale heterogeneity of geological formations represent the major challenges to understand and model immiscible displacement in porous media. Upscaled descriptions based on generalization of Darcy's law are widely used, but they are subject to several limitations for flow that exhibit hysteric and history- dependent behaviors. Recent advances in high performance computing and the development of accurate methods to characterize pore space and phase distribution have fostered the use of models that allow sub-pore resolution. These models provide an insight on flow characteristics that cannot be easily achieved by laboratory experiments and can be used to explain the gap between physical processes and existing macro-scale models. We focus on direct numerical simulations: we solve the Navier-Stokes equations for mass and momentum conservation in the pore space and employ the Volume Of Fluid (VOF) method to track the evolution of the interface. In the VOF the distribution of the phases is described by a fluid function (whole-domain formulation) and special boundary conditions account for the wetting properties of the porous medium. In the first part of this thesis we simulate drainage in a 2-D Hele-Shaw cell filled with cylindrical obstacles. We show that the proposed approach can handle very large density and viscosity ratios and it is able to model the transition from stable displacement to viscous fingering. We then focus on the interpretation of the macroscopic capillary pressure showing that pressure average techniques are subject to several limitations and they are not accurate in presence of viscous effects and trapping. On the contrary an energy-based definition allows separating viscous and capillary contributions. In the second part of the thesis we investigate inertia effects associated with abrupt and irreversible reconfigurations of the menisci caused by interface instabilities. As a prototype of these phenomena we first consider the dynamics of a meniscus in an angular pore. We show that in a network of cubic pores, jumps and reconfigurations are so frequent that inertia effects lead to different fluid configurations. Due to the non-linearity of the problem, the distribution of the fluids influences the work done by pressure forces, which is in turn related to the pressure drop in Darcy's law. This suggests that these phenomena should be taken into account when upscaling multiphase flow in porous media. The last part of the thesis is devoted to proving the accuracy of the numerical approach by validation with experiments of unstable primary drainage in a quasi-2D porous medium (i.e., Hele-Shaw cell filled with cylindrical obstacles). We perform simulations under different boundary conditions and using different models (2-D integrated and full 3-D) and we compare several macroscopic quantities with the corresponding experiment. Despite the intrinsic challenges of modeling unstable displacement, where by definition small perturbations can grow without bounds, the numerical method gives satisfactory results for all the cases studied.

Machine learning for geospatial data : algorithms, software tools and case studies

Résumé Cette thèse est consacrée à l'analyse, la modélisation et la visualisation de données environnementales à référence spatiale à l'aide d'algorithmes d'apprentissage automatique (Machine Learning). L'apprentissage automatique peut être considéré au sens large comme une sous-catégorie de l'intelligence artificielle qui concerne particulièrement le développement de techniques et d'algorithmes permettant à une machine d'apprendre à partir de données. Dans cette thèse, les algorithmes d'apprentissage automatique sont adaptés pour être appliqués à des données environnementales et à la prédiction spatiale. Pourquoi l'apprentissage automatique ? Parce que la majorité des algorithmes d'apprentissage automatiques sont universels, adaptatifs, non-linéaires, robustes et efficaces pour la modélisation. Ils peuvent résoudre des problèmes de classification, de régression et de modélisation de densité de probabilités dans des espaces à haute dimension, composés de variables informatives spatialisées (« géo-features ») en plus des coordonnées géographiques. De plus, ils sont idéaux pour être implémentés en tant qu'outils d'aide à la décision pour des questions environnementales allant de la reconnaissance de pattern à la modélisation et la prédiction en passant par la cartographie automatique. Leur efficacité est comparable au modèles géostatistiques dans l'espace des coordonnées géographiques, mais ils sont indispensables pour des données à hautes dimensions incluant des géo-features. Les algorithmes d'apprentissage automatique les plus importants et les plus populaires sont présentés théoriquement et implémentés sous forme de logiciels pour les sciences environnementales. Les principaux algorithmes décrits sont le Perceptron multicouches (MultiLayer Perceptron, MLP) - l'algorithme le plus connu dans l'intelligence artificielle, le réseau de neurones de régression généralisée (General Regression Neural Networks, GRNN), le réseau de neurones probabiliste (Probabilistic Neural Networks, PNN), les cartes auto-organisées (SelfOrganized Maps, SOM), les modèles à mixture Gaussiennes (Gaussian Mixture Models, GMM), les réseaux à fonctions de base radiales (Radial Basis Functions Networks, RBF) et les réseaux à mixture de densité (Mixture Density Networks, MDN). Cette gamme d'algorithmes permet de couvrir des tâches variées telle que la classification, la régression ou l'estimation de densité de probabilité. L'analyse exploratoire des données (Exploratory Data Analysis, EDA) est le premier pas de toute analyse de données. Dans cette thèse les concepts d'analyse exploratoire de données spatiales (Exploratory Spatial Data Analysis, ESDA) sont traités selon l'approche traditionnelle de la géostatistique avec la variographie expérimentale et selon les principes de l'apprentissage automatique. La variographie expérimentale, qui étudie les relations entre pairs de points, est un outil de base pour l'analyse géostatistique de corrélations spatiales anisotropiques qui permet de détecter la présence de patterns spatiaux descriptible par une statistique. L'approche de l'apprentissage automatique pour l'ESDA est présentée à travers l'application de la méthode des k plus proches voisins qui est très simple et possède d'excellentes qualités d'interprétation et de visualisation. Une part importante de la thèse traite de sujets d'actualité comme la cartographie automatique de données spatiales. Le réseau de neurones de régression généralisée est proposé pour résoudre cette tâche efficacement. Les performances du GRNN sont démontrées par des données de Comparaison d'Interpolation Spatiale (SIC) de 2004 pour lesquelles le GRNN bat significativement toutes les autres méthodes, particulièrement lors de situations d'urgence. La thèse est composée de quatre chapitres : théorie, applications, outils logiciels et des exemples guidés. Une partie importante du travail consiste en une collection de logiciels : Machine Learning Office. Cette collection de logiciels a été développée durant les 15 dernières années et a été utilisée pour l'enseignement de nombreux cours, dont des workshops internationaux en Chine, France, Italie, Irlande et Suisse ainsi que dans des projets de recherche fondamentaux et appliqués. Les cas d'études considérés couvrent un vaste spectre de problèmes géoenvironnementaux réels à basse et haute dimensionnalité, tels que la pollution de l'air, du sol et de l'eau par des produits radioactifs et des métaux lourds, la classification de types de sols et d'unités hydrogéologiques, la cartographie des incertitudes pour l'aide à la décision et l'estimation de risques naturels (glissements de terrain, avalanches). Des outils complémentaires pour l'analyse exploratoire des données et la visualisation ont également été développés en prenant soin de créer une interface conviviale et facile à l'utilisation. Machine Learning for geospatial data: algorithms, software tools and case studies Abstract The thesis is devoted to the analysis, modeling and visualisation of spatial environmental data using machine learning algorithms. In a broad sense machine learning can be considered as a subfield of artificial intelligence. It mainly concerns with the development of techniques and algorithms that allow computers to learn from data. In this thesis machine learning algorithms are adapted to learn from spatial environmental data and to make spatial predictions. Why machine learning? In few words most of machine learning algorithms are universal, adaptive, nonlinear, robust and efficient modeling tools. They can find solutions for the classification, regression, and probability density modeling problems in high-dimensional geo-feature spaces, composed of geographical space and additional relevant spatially referenced features. They are well-suited to be implemented as predictive engines in decision support systems, for the purposes of environmental data mining including pattern recognition, modeling and predictions as well as automatic data mapping. They have competitive efficiency to the geostatistical models in low dimensional geographical spaces but are indispensable in high-dimensional geo-feature spaces. The most important and popular machine learning algorithms and models interesting for geo- and environmental sciences are presented in details: from theoretical description of the concepts to the software implementation. The main algorithms and models considered are the following: multi-layer perceptron (a workhorse of machine learning), general regression neural networks, probabilistic neural networks, self-organising (Kohonen) maps, Gaussian mixture models, radial basis functions networks, mixture density networks. This set of models covers machine learning tasks such as classification, regression, and density estimation. Exploratory data analysis (EDA) is initial and very important part of data analysis. In this thesis the concepts of exploratory spatial data analysis (ESDA) is considered using both traditional geostatistical approach such as_experimental variography and machine learning. Experimental variography is a basic tool for geostatistical analysis of anisotropic spatial correlations which helps to understand the presence of spatial patterns, at least described by two-point statistics. A machine learning approach for ESDA is presented by applying the k-nearest neighbors (k-NN) method which is simple and has very good interpretation and visualization properties. Important part of the thesis deals with a hot topic of nowadays, namely, an automatic mapping of geospatial data. General regression neural networks (GRNN) is proposed as efficient model to solve this task. Performance of the GRNN model is demonstrated on Spatial Interpolation Comparison (SIC) 2004 data where GRNN model significantly outperformed all other approaches, especially in case of emergency conditions. The thesis consists of four chapters and has the following structure: theory, applications, software tools, and how-to-do-it examples. An important part of the work is a collection of software tools - Machine Learning Office. Machine Learning Office tools were developed during last 15 years and was used both for many teaching courses, including international workshops in China, France, Italy, Ireland, Switzerland and for realizing fundamental and applied research projects. Case studies considered cover wide spectrum of the real-life low and high-dimensional geo- and environmental problems, such as air, soil and water pollution by radionuclides and heavy metals, soil types and hydro-geological units classification, decision-oriented mapping with uncertainties, natural hazards (landslides, avalanches) assessments and susceptibility mapping. Complementary tools useful for the exploratory data analysis and visualisation were developed as well. The software is user friendly and easy to use.

Genes, environment and sex : perspectives from ectothermic vertebrates

RESUMELes modèles classiques sur l'évolution des chromosomes sexuels supposent que des gènes sexe- antagonistes s'accumulent sur les chromosomes sexuels, entraînant ainsi l'apparition d'une région non- recombinante, qui se répand progressivement en favorisant l'accumulation de mutations délétères. En accord avec cette théorie, les chromosomes sexuels que l'on observe aujourd'hui chez les mammifères et les oiseaux sont considérablement différenciés. En revanche, chez la plupart des vertébrés ectothermes, les chromosomes sexuels sont indifférenciés et il existe une impressionnante diversité de mécanismes de détermination du sexe. Au cours de cette thèse, j'ai étudié l'évolution des chromosomes sexuels chez les vertébrés ectothermes, en outre pour mieux comprendre ce contraste avec les vertébrés endothermes. L'hypothèse « high-turnover » postule que les chromosomes sexuels sont remplacés régulièrement à partir d'autosomes afin d'éviter leur dégénérescence. L'hypothèse « fountain-of-youth » propose que la recombinaison entre le chromosome X et le chromosome Y au sein de femelles XY empêche la dégénérescence. Les résultats de ma thèse, basés sur des études théoriques et empiriques, suggèrent que les deux processus peuvent être entraînés par l'environnement et ainsi jouent un rôle important dans l'évolution des chromosomes sexuels chez les vertébrés ectothermes.SUMMARYClassical models of sex-chromosome evolution assume that sexually antagonistic genes accumulate on sex chromosomes leading to a non-recombining region, which progressively expands and favors the accumulation of deleterious mutations. Concordant with this theory, sex chromosomes in extant mammals and birds are considerably differentiated. In most ectothermic vertebrates, such as frogs, however, sex chromosomes are undifferentiated and a striking diversity of sex determination systems is observed. This thesis was aimed to investigate this apparent contrast of sex chromosome evolution between endothermic and ectothermic vertebrates. The "high-turnover" hypothesis holds that sex chromosomes arose regularly from autosomes preventing decay. The "fountain-of-youth" hypothesis posits that sex chromosomes undergo episodic X-Y recombination in sex-reversed XY females, thereby purging ("rejuvenating") the Y chromosome. We suggest that both processes likely played an important role in sex chromosome evolution of ectothermic vertebrates. The literature largely views sex determination as a dichotomous process: individual sex is assumed to be determined either by genetic (genotypic sex determination, GSD) or by environmental factors (environmental sex determination, ESD), most often temperature (temperature sex determination, TSD). We endorsed an alternative view, which sees GSD and TSD as the ends of a continuum. The conservatism of molecular processes among different systems of sex determination strongly supports the continuum view. We proposed to define sex as a threshold trait underlain by a liability factor, and reaction norms allowing modeling interactions between genotypic and temperature effects. We showed that temperature changes (due to e.g., climatic changes or range expansions) are expected to provoke turnovers in sex-determination mechanisms maintaining homomorphic sex chromosomes. The balanced lethal system of crested newts might be the result of such a sex determination turnover, originating from two variants of ancient Y-chromosomes. Observations from a group of tree frogs, on the other hand, supported the 'fountain of youth' hypothesis. We then showed that low rates of sex- reversals in species with GSD might actually be adaptive considering joint effects of deleterious mutation purging and sexually antagonistic selection. Ongoing climatic changes are expected to threaten species with TSD by biasing population sex ratios. In contrast, species with GSD are implicitly assumed immune against such changes, because genetic systems are thought to necessarily produce even sex ratios. We showed that this assumption may be wrong and that sex-ratio biases by climatic changes may represent a previously unrecognized extinction threat for some GSD species.

Défi pour la démocratie et changements environnementaux globaux

Les difficultés que connaissent les démocraties représentatives occidentales sont tout aussi sévères que multiples. Le mouvement de néolibéralisation du monde qui a consisté à concevoir les Etats comme de simples agents économiques a puissamment contribué à éroder la confiance des citoyens en leurs institutions nationales et territoriales. Et pourtant cet amoncellement de difficultés et de crises n'a pas affaibli l'idéal démocratique...