Appendix A: LA-ICP-MS results (Laser-ablation inductively coupled plasma mass spectrometer) from monazite Moacir standard

Three samples of garnet-kyanite paragneiss from the Variscan Ulten Zone (Northern Italy) were studied in detail for U-Th-Pb monazite dating. Monazite in these gneisses is abundant, shows highly variable grain size and occupies different textural positions: within the matrix, as inclusion in garnet and kyanite, within apatite aggregates. Monazite shows different deformation features as a function of the textural position: enclosed (shielded) monazite is generally more fractured than matrix (unshielded) monazite. The integration of textural information with deformation features and in situ U-Th-Pb analyses by LA-ICP-MS indicates that there is no direct correlation between textural site and monazite ages. Old ages of 351-343 Ma, determined on portions of large matrix (unshielded) monazite and on rare domains of monazite shielded by garnet, have been related to a prograde stage of the Variscan metamorphic evolution of the Ulten Zone. Ages of 330-326 Ma, which are related to the thermal peak, are recorded by small matrix monazite, external domains of large matrix monazite, and by (domains of) fractured monazite enclosed in garnet and kyanite. Large, old unshielded grains formed as blasts during the prograde metamorphic history and survived the peak metamorphism during which crystallisation/re-crystallisation partially occurred.

(Table 1) Average sea surface temperature, average sea surface salinity, C37 concentration, palmitic acid concentration, Uk'37, C37/C38 ratio, dD of water, dD of C37 and dD of palmitic acid of water samples from a transect across the Amazon Plume

The stable hydrogen isotope composition of lipid biomarkers, such as alkenones, is a promising new tool for the improvement of palaeosalinity reconstructions. Laboratory studies confirmed the correlation between lipid biomarker dD composition (dDLipid), water dD composition (dDH2O) and salinity; yet there is limited insight into the applicability of this proxy in oceanic environments. To fill this gap, we test the use of the dD composition of alkenones (dDC37) and palmitic acid (dDPA) as salinity proxies using samples of surface suspended material along the distinct salinity gradient induced by the Amazon Plume. Our results indicate a positive correlation between salinity and dDH2O, while the relationship between dDH2O and dDLipid is more complex: dDPAM correlates strongly with dDH2O (r2 = 0.81) and shows a salinity-dependent isotopic fractionation factor. dDC37 only correlates with dDH2O in a small number (n = 8) of samples with alkenone concentrations > 10 ng L**-1, while there is no correlation if all samples are taken into account. These findings are mirrored by alkenone-based temperature reconstructions, which are inaccurate for samples with low alkenone concentrations. Deviations in dDC37 and temperature are likely to be caused by limited haptophyte algae growth due to low salinity and light limitation imposed by the Amazon Plume. Our study confirms the applicability of dDLipid as a salinity proxy in oceanic environments. But it raises a note of caution concerning regions where low alkenone production can be expected due to low salinity and light limitation, for instance, under strong riverine discharge.

Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Conception d’un mécanisme déployable à grand ratio d’expansion et de son système d’actionnement par roues d’inertie pour applications spatiales

Cette thèse propose de développer des mécanismes déployables pour applications spatiales ainsi que des modes d’actionnement permettant leur déploiement et le contrôle de l’orientation en orbite de l’engin spatial les supportant. L’objectif étant de permettre le déploiement de surfaces larges pour des panneaux solaires, coupoles de télécommunication ou sections de station spatiale, une géométrie plane simple en triangle est retenue afin de pouvoir être assemblée en différents types de surfaces. Les configurations à membrures rigides proposées dans la littérature pour le déploiement de solides symétriques sont optimisées et adaptées à l’expansion d’une géométrie ouverte, telle une coupole. L’optimisation permet d’atteindre un ratio d’expansion plan pour une seule unité de plus de 5, mais présente des instabilités lors de l’actionnement d’un prototype. Le principe de transmission du mouvement d’un étage à l’autre du mécanisme est revu afin de diminuer la sensibilité des performances du mécanisme à la géométrie de ses membrures internes. Le nouveau modèle, basé sur des courroies crantées, permet d’atteindre des ratios d’expansion plans supérieurs à 20 dans certaines configurations. L’effet des principaux facteurs géométriques de conception est étudié afin d’obtenir une relation simple d’optimisation du mécanisme plan pour adapter ce dernier à différents contextes d’applications. La géométrie identique des faces triangulaires de chaque surface déployée permet aussi l’empilement de ces faces pour augmenter la compacité du mécanisme. Une articulation spécialisée est conçue afin de permettre le dépliage des faces puis leur déploiement successivement. Le déploiement de grandes surfaces ne se fait pas sans influencer lourdement l’orientation et potentiellement la trajectoire de l’engin spatial, aussi, différentes stratégies de contrôle de l’orientation novatrices sont proposées. Afin de tirer profit d’une grande surface, l’actionnement par masses ponctuelles en périphérie du mécanisme est présentée, ses équations dynamiques sont dérivées et simulées pour en observer les performances. Celles-ci démontrent le potentiel de cette stratégie de réorientation, sans obstruction de l’espace central du satellite de base, mais les performances restent en deçà de l’effet d’une roue d’inertie de masse équivalente. Une stratégie d’actionnement redondant par roue d’inertie est alors présentée pour différents niveaux de complexité de mécanismes dont toutes les articulations sont passives, c’est-à-dire non actionnées. Un mécanisme à quatre barres plan est simulé en boucle fermée avec un contrôleur simple pour valider le contrôle d’un mécanisme ciseau commun. Ces résultats sont étendus à la dérivation des équations dynamiques d’un mécanisme sphérique à quatre barres, qui démontre le potentiel de l’actionnement par roue d’inertie pour le contrôle de la configuration et de l’orientation spatiale d’un tel mécanisme. Un prototype à deux corps ayant chacun une roue d’inertie et une seule articulation passive les reliant est réalisé et contrôlé grâce à un suivi par caméra des modules. Le banc d’essai est détaillé, ainsi que les défis que l’élimination des forces externes ont représenté dans sa conception. Les résultats montrent que le système est contrôlable en orientation et en configuration. La thèse se termine par une étude de cas pour l’application des principaux systèmes développés dans cette recherche. La collecte de débris orbitaux de petite et moyenne taille est présentée comme un problème n’ayant pas encore eu de solution adéquate et posant un réel danger aux missions spatiales à venir. L’unité déployable triangulaire entraînée par courroies est dupliquée de manière à former une coupole de plusieurs centaines de mètres de diamètre et est proposée comme solution pour capturer et ralentir ces catégories de débris. Les paramètres d’une mission à cette fin sont détaillés, ainsi que le potentiel de réorientation que les roues d’inertie permettent en plus du contrôle de son déploiement. Près de 2000 débris pourraient être retirés en moins d’un an en orbite basse à 819 km d’altitude.

Quantification of the effects of architectural traits on dry mass production and light interception of tomato canopy under different temperature regimes using a dynamic functional-structural plant model

There is increasing interest in evaluating the environmental effects on crop architectural traits and yield improvement. However, crop models describing the dynamic changes in canopy structure with environmental conditions and the complex interactions between canopy structure, light interception, and dry mass production are only gradually emerging. Using tomato (Solanum lycopersicum L.) as a model crop, a dynamic functional-structural plant model (FSPM) was constructed, parameterized, and evaluated to analyse the effects of temperature on architectural traits, which strongly influence canopy light interception and shoot dry mass. The FSPM predicted the organ growth, organ size, and shoot dry mass over time with high accuracy (>85%). Analyses of this FSPM showed that, in comparison with the reference canopy, shoot dry mass may be affected by leaf angle by as much as 20%, leaf curvature by up to 7%, the leaf length: width ratio by up to 5%, internode length by up to 9%, and curvature ratios and leaf arrangement by up to 6%. Tomato canopies at low temperature had higher canopy density and were more clumped due to higher leaf area and shorter internodes. Interestingly, dry mass production and light interception of the clumped canopy were more sensitive to changes in architectural traits. The complex interactions between architectural traits, canopy light interception, dry mass production, and environmental conditions can be studied by the dynamic FSPM, which may serve as a tool for designing a canopy structure which is 'ideal' in a given environment.

Estimation of whole body muscle, adipose/fat mass, validation in health and during weight loss. Development of prediction equations using MRI as reference method

Background: Body composition is affected by diseases, and affects responses to medical treatments, dosage of medicines, etc., while an abnormal body composition contributes to the causation of many chronic diseases. While we have reliable biochemical tests for certain nutritional parameters of body composition, such as iron or iodine status, and we have harnessed nuclear physics to estimate the body’s content of trace elements, the very basic quantification of body fat content and muscle mass remains highly problematic. Both body fat and muscle mass are vitally important, as they have opposing influences on chronic disease, but they have seldom been estimated as part of population health surveillance. Instead, most national surveys have merely reported BMI and waist, or sometimes the waist/hip ratio; these indices are convenient but do not have any specific biological meaning. Anthropometry offers a practical and inexpensive method for muscle and fat estimation in clinical and epidemiological settings; however, its use is imperfect due to many limitations, such as a shortage of reference data, misuse of terminology, unclear assumptions, and the absence of properly validated anthropometric equations. To date, anthropometric methods are not sensitive enough to detect muscle and fat loss. Aims: The aim of this thesis is to estimate Adipose/fat and muscle mass in health disease and during weight loss through; 1. evaluating and critiquing the literature, to identify the best-published prediction equations for adipose/fat and muscle mass estimation; 2. to derive and validate adipose tissue and muscle mass prediction equations; and 3.to evaluate the prediction equations along with anthropometric indices and the best equations retrieved from the literature in health, metabolic illness and during weight loss. Methods: a Systematic review using Cochrane Review method was used for reviewing muscle mass estimation papers that used MRI as the reference method. Fat mass estimation papers were critically reviewed. Mixed ethnic, age and body mass data that underwent whole body magnetic resonance imaging to quantify adipose tissue and muscle mass (dependent variable) and anthropometry (independent variable) were used in the derivation/validation analysis. Multiple regression and Bland-Altman plot were applied to evaluate the prediction equations. To determine how well the equations identify metabolic illness, English and Scottish health surveys were studied. Statistical analysis using multiple regression and binary logistic regression were applied to assess model fit and associations. Also, populations were divided into quintiles and relative risk was analysed. Finally, the prediction equations were evaluated by applying them to a pilot study of 10 subjects who underwent whole-body MRI, anthropometric measurements and muscle strength before and after weight loss to determine how well the equations identify adipose/fat mass and muscle mass change. Results: The estimation of fat mass has serious problems. Despite advances in technology and science, prediction equations for the estimation of fat mass depend on limited historical reference data and remain dependent upon assumptions that have not yet been properly validated for different population groups. Muscle mass does not have the same conceptual problems; however, its measurement is still problematic and reference data are scarce. The derivation and validation analysis in this thesis was satisfactory, compared to prediction equations in the literature they were similar or even better. Applying the prediction equations in metabolic illness and during weight loss presented an understanding on how well the equations identify metabolic illness showing significant associations with diabetes, hypertension, HbA1c and blood pressure. And moderate to high correlations with MRI-measured adipose tissue and muscle mass before and after weight loss. Conclusion: Adipose tissue mass and to an extent muscle mass can now be estimated for many purposes as population or groups means. However, these equations must not be used for assessing fatness and categorising individuals. Further exploration in different populations and health surveys would be valuable.

Radiogenic isotopes in the Mediterranean Sea: water mass exchange and precessional variability during the Messinian

During the late Miocene, exchange between the Mediterranean Sea and Atlantic Ocean changed dramatically, culminating in the Messinian Salinity Crisis (MSC). Understanding Mediterranean-Atlantic exchange at that time could answer the enigmatic question of how so much salt built up within the Mediterranean, while furthering the development of a framework for future studies attempting to understand how changes may have impacted global thermohaline circulation. Due to their association with specific water masses at different scales, radiogenic Sr, Pb, and Nd isotope records were generated from various archives contained within marine deposits to endeavour to understand better late Miocene Mediterranean-Atlantic exchange. The archives used include foraminiferal calcite (Sr), fish teeth and bone (Nd), dispersed authigenic ferromanganese oxyhydroxides (Nd, Pb), and a ferromanganese crust (Pb). The primary focus is on sediments preserved at one end of the Betic corridor, a gateway that once connected the Mediterranean to the Atlantic through southern Spain, although other locations are investigated. The Betic gateway terminated within several marginal sub-basins before entering the Western Mediterranean; one of these is the Sorbas Basin, a well-studied location whose sediments have been astronomically tuned at high temporal resolution, providing the necessary age control for sub-precessional resolution records. Since the climatic history of the Mediterranean is strongly controlled by precessional changes in regional climate, the aim was to produce records at high (sub-precessional) temporal resolution, to be able to observe clearly any precessional cyclicity driven by regional climate which could be superimposed over longer trends. This goal was achieved for all records except the ferromanganese crust record. The 87Sr/86Sr isotope record (Ch. 3) shows precessional frequency excursions away from the global seawater curve. As precessional frequency oscillations are unexpected for this setting, a numerical box model was used to determine the mechanisms causing the excursions. To enable parameterisation of model variables, regional Sr characteristics, data from general circulation model HadCM3L, and new benthic foraminiferal assemblage data are employed. The model results imply that the Sorbas Basin likely had a positive hydrologic budget in the late Miocene, very different to that of today. Moreover, the model indicates that the mechanism controlling the Sr isotope ratio of Sorbas Basin seawater was not restriction, but a lack of density-driven exchange with the Mediterranean. Beyond improving our understanding of how marginal Mediterranean sub-basins may evolve different isotope signatures, these results have implications for astronomical tuning and stratigraphy in the region, findings which are crucial considering the geological and climatic history of the late Miocene Mediterranean is based entirely on marginal deposits. An improved estimate for the Nd isotope signature of late Miocene Mediterranean Outflow (MO) was determined by comparing Nd isotope signatures preserved in the deeper Alborán Sea at ODP Site 978 with literature data as well as the signature preserved in the Sorbas Basin (Ch. 4; -9.34 to -9.92 ± 0.37 εNd(t)). It was also inferred that it is unlikely that Nd isotopes can be used reliably to track changes in circulation within the shallow settings characteristic of the Mediterranean-Atlantic connections; this is significant in light of a recent publication documenting corridor closure using Nd isotopes. Both conclusions will prove useful for future studies attempting to understand changes in Mediterranean-Atlantic exchange. Excursions to high values, with precessional frequency, are also observed in the radiogenic Pb isotope record for the Sorbas Basin (Ch. 5). Widening the scope to include locations further away from the gateways, records were produced for late Miocene sections on Sicily and Northern Italy, and similar precessional frequency cyclicity was observed in the Pb isotope records for these sites as well. Comparing these records to proxies for Saharan dust and available whole rock data indicates that, while further analysis is necessary to draw strong conclusions, enhanced dust production during insolation minima may be driving the observed signal. These records also have implications for astronomical tuning; peaks in Pb isotope records driven by Saharan dust may be easier to connect directly to the insolation cycle, providing improved astronomical tuning points. Finally, a Pb isotope record derived using in-situ laser ablation performed on ferromanganese crust 3514-6 from the Lion Seamount, located west of Gibraltar within the MO plume, has provided evidence that plume depth shifted during the Pliocene. The record also suggests that Pb isotopes may not be a suitable proxy for changes in late Miocene Mediterranean-Atlantic exchange, since the Pb isotope signatures of regional water masses are too similar. To develop this record, the first published instance of laser ablation derived 230Thexcess measurements are combined with 10Be dating.