Integrated application of geochemical and geophysical methods for hydrogeological impact assessment for tunneling in fractured rock

The interaction of tunneling with groundwater is a problem both from an environmental and an engineering point of view. In fact, tunnel drilling may cause a drawdown of piezometric levels and water inflows into tunnels that may cause problems during excavation of the tunnel. While the influence of tunneling on the regional groundwater systems may be adequately predicted in porous media using analytical solutions, such an approach is difficult to apply in fractured rocks. Numerical solutions are preferable and various conceptual approaches have been proposed to describe and model groundwater flow through fractured rock masses, ranging from equivalent continuum models to discrete fracture network simulation models. However, their application needs many preliminary investigations on the behavior of the groundwater system based on hydrochemical and structural data. To study large scale flow systems in fractured rocks of mountainous terrains, a comprehensive study was conducted in southern Switzerland, using as case studies two infrastructures actually under construction: (i) the Monte Ceneri base railway tunnel (Ticino), and the (ii) San Fedele highway tunnel (Roveredo, Graubiinden). The chosen approach in this study combines the temporal and spatial variation of geochemical and geophysical measurements. About 60 localities from both surface and underlying tunnels were temporarily and spatially monitored during more than one year. At first, the project was focused on the collection of hydrochemical and structural data. A number of springs, selected in the area surrounding the infrastructures, were monitored for discharge, electric conductivity, pH, and temperature. Water samples (springs, tunnel inflows and rains) were taken for isotopic analysis; in particular the stable isotope composition (δ2Η, δ180 values) can reflect the origin of the water, because of spatial (recharge altitude, topography, etc.) and temporal (seasonal) effects on precipitation which in turn strongly influence the isotopic composition of groundwater. Tunnel inflows in the accessible parts of the tunnels were also sampled and, if possible, monitored with time. Noble-gas concentrations and their isotope ratios were used in selected locations to better understand the origin and the circulation of the groundwater. In addition, electrical resistivity and VLF-type electromagnetic surveys were performed to identify water bearing fractures and/or weathered areas that could be intersected at depth during tunnel construction. The main goal of this work was to demonstrate that these hydrogeological data and geophysical methods, combined with structural and hydrogeological information, can be successfully used in order to develop hydrogeological conceptual models of the groundwater flow in regions to be exploited for tunnels. The main results of the project are: (i) to have successfully tested the application of electrical resistivity and VLF-electromagnetic surveys to asses water-bearing zones during tunnel drilling; (ii) to have verified the usefulness of noble gas, major ion and stable isotope compositions as proxies for the detection of faults and to understand the origin of the groundwater and its flow regimes (direct rain water infiltration or groundwater of long residence time); and (iii) to have convincingly tested the combined application of a geochemical and geophysical approach to assess and predict the vulnerability of springs to tunnel drilling. - L'interférence entre eaux souterraines et des tunnels pose des problèmes environnementaux et de génie civile. En fait, la construction d'un tunnel peut faire abaisser le niveau des nappes piézométriques et faire infiltrer de l'eau dans le tunnel et ainsi créer des problème pendant l'excavation. Alors que l'influence de la construction d'un tunnel sur la circulation régionale de l'eau souterraine dans des milieux poreux peut être prédite relativement facilement par des solution analytiques de modèles, ceci devient difficile dans des milieux fissurés. Dans ce cas-là, des solutions numériques sont préférables et plusieurs approches conceptuelles ont été proposées pour décrire et modéliser la circulation d'eau souterraine à travers les roches fissurées, en allant de modèles d'équivalence continue à des modèles de simulation de réseaux de fissures discrètes. Par contre, leur application demande des investigations importantes concernant le comportement du système d'eau souterraine basées sur des données hydrochimiques et structurales. Dans le but d'étudier des grands systèmes de circulation d'eau souterraine dans une région de montagnes, une étude complète a été fait en Suisse italienne, basée sur deux grandes infrastructures actuellement en construction: (i) Le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri (Tessin) et (ii) le tunnel routière de San Fedele (Roveredo, Grisons). L'approche choisie dans cette étude est la combinaison de variations temporelles et spatiales des mesures géochimiques et géophysiques. Environs 60 localités situées à la surface ainsi que dans les tunnels soujacents ont été suiviès du point de vue temporel et spatial pendant plus de un an. Dans un premier temps le projet se focalisait sur la collecte de données hydrochimiques et structurales. Un certain nombre de sources, sélectionnées dans les environs des infrastructures étudiées ont été suivies pour le débit, la conductivité électrique, le pH et la température. De l'eau (sources, infiltration d'eau de tunnel et pluie) a été échantillonnés pour des analyses isotopiques; ce sont surtout les isotopes stables (δ2Η, δ180) qui peuvent indiquer l'origine d'une eaux, à cause de la dépendance d'effets spatiaux (altitude de recharge, topographie etc.) ainsi que temporels (saisonaux) sur les précipitations météoriques , qui de suite influencent ainsi la composition isotopique de l'eau souterraine. Les infiltrations d'eau dans les tunnels dans les parties accessibles ont également été échantillonnées et si possible suivies au cours du temps. La concentration de gaz nobles et leurs rapports isotopiques ont également été utilisées pour quelques localités pour mieux comprendre l'origine et la circulation de l'eau souterraine. En plus, des campagnes de mesures de la résistivité électrique et électromagnétique de type VLF ont été menées afin d'identifier des zone de fractures ou d'altération qui pourraient interférer avec les tunnels en profondeur pendant la construction. Le but principal de cette étude était de démontrer que ces données hydrogéologiques et géophysiques peuvent être utilisées avec succès pour développer des modèles hydrogéologiques conceptionels de tunnels. Les résultats principaux de ce travail sont : i) d'avoir testé avec succès l'application de méthodes de la tomographie électrique et des campagnes de mesures électromagnétiques de type VLF afin de trouver des zones riches en eau pendant l'excavation d'un tunnel ; ii) d'avoir prouvé l'utilité des gaz nobles, des analyses ioniques et d'isotopes stables pour déterminer l'origine de l'eau infiltrée (de la pluie par le haut ou ascendant de l'eau remontant des profondeurs) et leur flux et pour déterminer la position de failles ; et iii) d'avoir testé d'une manière convainquant l'application combinée de méthodes géochimiques et géophysiques pour juger et prédire la vulnérabilité de sources lors de la construction de tunnels. - L'interazione dei tunnel con il circuito idrico sotterraneo costituisce un problema sia dal punto di vista ambientale che ingegneristico. Lo scavo di un tunnel puô infatti causare abbassamenti dei livelli piezometrici, inoltre le venute d'acqua in galleria sono un notevole problema sia in fase costruttiva che di esercizio. Nel caso di acquiferi in materiale sciolto, l'influenza dello scavo di un tunnel sul circuito idrico sotterraneo, in genere, puô essere adeguatamente predetta attraverso l'applicazione di soluzioni analitiche; al contrario un approccio di questo tipo appare inadeguato nel caso di scavo in roccia. Per gli ammassi rocciosi fratturati sono piuttosto preferibili soluzioni numeriche e, a tal proposito, sono stati proposti diversi approcci concettuali; nella fattispecie l'ammasso roccioso puô essere modellato come un mezzo discreto ο continuo équivalente. Tuttavia, una corretta applicazione di qualsiasi modello numerico richiede necessariamente indagini preliminari sul comportamento del sistema idrico sotterraneo basate su dati idrogeochimici e geologico strutturali. Per approfondire il tema dell'idrogeologia in ammassi rocciosi fratturati tipici di ambienti montani, è stato condotto uno studio multidisciplinare nel sud della Svizzera sfruttando come casi studio due infrastrutture attualmente in costruzione: (i) il tunnel di base del Monte Ceneri (canton Ticino) e (ii) il tunnel autostradale di San Fedele (Roveredo, canton Grigioni). L'approccio di studio scelto ha cercato di integrare misure idrogeochimiche sulla qualité e quantité delle acque e indagini geofisiche. Nella fattispecie sono state campionate le acque in circa 60 punti spazialmente distribuiti sia in superficie che in sotterraneo; laddove possibile il monitoraggio si è temporalmente prolungato per più di un anno. In una prima fase, il progetto di ricerca si è concentrato sull'acquisizione dati. Diverse sorgenti, selezionate nelle aree di possibile influenza attorno allé infrastrutture esaminate, sono state monitorate per quel che concerne i parametri fisico-chimici: portata, conduttività elettrica, pH e temperatura. Campioni d'acqua sono stati prelevati mensilmente su sorgenti, venute d'acqua e precipitazioni, per analisi isotopiche; nella fattispecie, la composizione in isotopi stabili (δ2Η, δ180) tende a riflettere l'origine delle acque, in quanto, variazioni sia spaziali (altitudine di ricarica, topografia, etc.) che temporali (variazioni stagionali) della composizione isotopica delle precipitazioni influenzano anche le acque sotterranee. Laddove possibile, sono state campionate le venute d'acqua in galleria sia puntualmente che al variare del tempo. Le concentrazioni dei gas nobili disciolti nell'acqua e i loro rapporti isotopici sono stati altresi utilizzati in alcuni casi specifici per meglio spiegare l'origine delle acque e le tipologie di circuiti idrici sotterranei. Inoltre, diverse indagini geofisiche di resistività elettrica ed elettromagnetiche a bassissima frequenza (VLF) sono state condotte al fine di individuare le acque sotterranee circolanti attraverso fratture dell'ammasso roccioso. Principale obiettivo di questo lavoro è stato dimostrare come misure idrogeochimiche ed indagini geofisiche possano essere integrate alio scopo di sviluppare opportuni modelli idrogeologici concettuali utili per lo scavo di opere sotterranee. I principali risultati ottenuti al termine di questa ricerca sono stati: (i) aver testato con successo indagini geofisiche (ERT e VLF-EM) per l'individuazione di acque sotterranee circolanti attraverso fratture dell'ammasso roccioso e che possano essere causa di venute d'acqua in galleria durante lo scavo di tunnel; (ii) aver provato l'utilità di analisi su gas nobili, ioni maggiori e isotopi stabili per l'individuazione di faglie e per comprendere l'origine delle acque sotterranee (acque di recente infiltrazione ο provenienti da circolazioni profonde); (iii) aver testato in maniera convincente l'integrazione delle indagini geofisiche e di misure geochimiche per la valutazione della vulnérabilité delle sorgenti durante lo scavo di nuovi tunnel. - "La NLFA (Nouvelle Ligne Ferroviaire à travers les Alpes) axe du Saint-Gothard est le plus important projet de construction de Suisse. En bâtissant la nouvelle ligne du Saint-Gothard, la Suisse réalise un des plus grands projets de protection de l'environnement d'Europe". Cette phrase, qu'on lit comme présentation du projet Alptransit est particulièrement éloquente pour expliquer l'utilité des nouvelles lignes ferroviaires transeuropéens pour le développement durable. Toutefois, comme toutes grandes infrastructures, la construction de nouveaux tunnels ont des impacts inévitables sur l'environnement. En particulier, le possible drainage des eaux souterraines réalisées par le tunnel peut provoquer un abaissement du niveau des nappes piézométriques. De plus, l'écoulement de l'eau à l'intérieur du tunnel, conduit souvent à des problèmes d'ingénierie. Par exemple, d'importantes infiltrations d'eau dans le tunnel peuvent compliquer les phases d'excavation, provoquant un retard dans l'avancement et dans le pire des cas, peuvent mettre en danger la sécurité des travailleurs. Enfin, l'infiltration d'eau peut être un gros problème pendant le fonctionnement du tunnel. Du point de vue de la science, avoir accès à des infrastructures souterraines représente une occasion unique d'obtenir des informations géologiques en profondeur et pour échantillonner des eaux autrement inaccessibles. Dans ce travail, nous avons utilisé une approche pluridisciplinaire qui intègre des mesures d'étude hydrogéochimiques effectués sur les eaux de surface et des investigations géophysiques indirects, tels que la tomographic de résistivité électrique (TRE) et les mesures électromagnétiques de type VLF. L'étude complète a été fait en Suisse italienne, basée sur deux grandes infrastructures actuellement en construction, qui sont le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri, une partie du susmentionné projet Alptransit, situé entièrement dans le canton Tessin, et le tunnel routière de San Fedele, situé a Roveredo dans le canton des Grisons. Le principal objectif était de montrer comment il était possible d'intégrer les deux approches, géophysiques et géochimiques, afin de répondre à la question de ce que pourraient être les effets possibles dû au drainage causés par les travaux souterrains. L'accès aux galeries ci-dessus a permis une validation adéquate des enquêtes menées confirmant, dans chaque cas, les hypothèses proposées. A cette fin, nous avons fait environ 50 profils géophysiques (28 imageries électrique bidimensionnels et 23 électromagnétiques) dans les zones de possible influence par le tunnel, dans le but d'identifier les fractures et les discontinuités dans lesquelles l'eau souterraine peut circuler. De plus, des eaux ont été échantillonnés dans 60 localités situées la surface ainsi que dans les tunnels subjacents, le suivi mensuelle a duré plus d'un an. Nous avons mesurés tous les principaux paramètres physiques et chimiques: débit, conductivité électrique, pH et température. De plus, des échantillons d'eaux ont été prélevés pour l'analyse mensuelle des isotopes stables de l'hydrogène et de l'oxygène (δ2Η, δ180). Avec ces analyses, ainsi que par la mesure des concentrations des gaz rares dissous dans les eaux et de leurs rapports isotopiques que nous avons effectués dans certains cas spécifiques, il était possible d'expliquer l'origine des différents eaux souterraines, les divers modes de recharge des nappes souterraines, la présence de possible phénomènes de mélange et, en général, de mieux expliquer les circulations d'eaux dans le sous-sol. Le travail, même en constituant qu'une réponse partielle à une question très complexe, a permis d'atteindre certains importants objectifs. D'abord, nous avons testé avec succès l'applicabilité des méthodes géophysiques indirectes (TRE et électromagnétiques de type VLF) pour prédire la présence d'eaux souterraines dans le sous-sol des massifs rocheux. De plus, nous avons démontré l'utilité de l'analyse des gaz rares, des isotopes stables et de l'analyses des ions majeurs pour la détection de failles et pour comprendre l'origine des eaux souterraines (eau de pluie par le haut ou eau remontant des profondeurs). En conclusion, avec cette recherche, on a montré que l'intégration des ces informations (géophysiques et géochimiques) permet le développement de modèles conceptuels appropriés, qui permettant d'expliquer comment l'eau souterraine circule. Ces modèles permettent de prévoir les infiltrations d'eau dans les tunnels et de prédire la vulnérabilité de sources et des autres ressources en eau lors de construction de tunnels.

The VAD connection : connecting ventricular assist devices to the aorta in silico

Les systèmes d'assistance ventriculaire sont apparus durant la dernière décade comme une approche thérapeutique efficace du traitement de l'insuffisance cardiaque terminale, en particulier dans le contexte de manque de donneurs d'organes. Néanmoins, et ceci malgré les progrès techniques majeurs, les taux de complications restent élevés et sont en partie liés à la configuration géométrique, en particulier le site d'implantation de la cannule de sortie à l'aorte thoracique. Bien que l'anastomose à l'aorte descendante permette une chirurgie moins invasive, les bénéfices de cette technique sont toujours controversés, comparée à la méthode standard de l'aorte ascendante, en raison du risque thrombo-embolique possiblement augmenté et des modifications hémodynamiques induites au niveau de l'arc aortique. Dans ce travail, nous comparons in silico en terme de débit et pression les deux possibilités anastomotiques. Nous développons un réseau de modèles mathématiques unidimensionnels, et l'appliquons à diverses situations cliniques, pour différents stades d'insuffisance cardiaque et de vitesses de rotation de la machine. Les données initiales sont obtenues grâce à un modèle OD (c'est-à-dire qui dépend uniquement du temps mais pas de l'espace) du système cardiovasculaire comprenant une assistance circulatoire, validé avec des données cliniques. Les simulations réalisées montrent que les deux méthodes sont similaires, en terme de débit et courbes de pression, ceci pour tous les cas cliniques étudiés. Ces résultats numériques soutiennent la possibilité d'utiliser la technique d'anastomose à l'aorte thoracique descendante, permettant une chirurgie moins invasive. Sur un plan plus fondamental, le système cardiovasculaire peut être simulé par le biais de multiples modèles de niveau de complexité différents, au prix d'un coût computationnel toujours plus élevé. Nous évaluons les avantages de modèles géométriques à plusieurs échelles (uni- et tridimensionnelle) avec données provenant de patients, comparés à des modèles simplifiés. Les résultats montrent que ces modèles de dimensions hétérogènes apportent un bénéfice important en terme de ressources de calcul, tout en conservant une précision acceptable. En conclusion, ces résultats encourageant montrent la relevance des études numériques dans le domaine médical, tant sur le plan fondamental et la compréhension des mécanismes physiopathologiques, que sur le plan applicatif et le développement de nouvelles thérapeutiques.

Regulation of frizzled receptor activity at the plasma membrane : an interplay of the receptor, the trimeric G protein Go, and RGS protein and a scaffolding protein Kermit

G-protein-signaling pathways convey extracellular signals inside the cells and regulate distinct physiological responses. This type of signaling pathways consists of three major components: G-protein-coupled receptors (GPCRs), heterotrimeric G proteins (G-proteins) and downstream effectors. Upon ligand binding, GPCRs activate heterotrimeric G proteins to initiate the signaling cascade. Dysfunction of GPCR signaling correlates with numerous diseases such as diabetes, nervous and immune system deficiency, and cancer. As the signaling switcher, G-proteins (Gs, Gq/11, G12/13, and Gi/o) have been an appealing topic of research for decades. A heterotrimeric G-protein is composed of three subunits, the guanine nucleotide associated a-subunit, ß and y subunits. In general, the duration of signaling is determined by the lifetime of activated (GTP bound) Ga subunits. Identification of novel communication partners of Ga subunits appears to be an attractive way to understand the machinery of GPCR signaling. In our lab, we mainly focus on Gao, which is abundantly expressed in the nervous system. Here we present two novel interacting partners of Drosophila Gao: Dhit and Kermit, identified through yeast two-hybrid screening and genetic screening respectively. Dhit is characterized by a small size with a conserved RGS domain and an N-terminal cysteine rich motif. The RGS domain possesses the GAP (GTPase activating protein) activity towards G proteins. However, we found that Dhit exerts not only the GAP activity but also the GDI (guanine nucleotide dissociation inhibitor) activity towards Gao. The unexpected GDI activity is preserved in GAIP/RGS19 - a mammalian homologue of Dhit. Further experiments confirmed the GDI activity of Dhit and GAIP/RGS19 in Drosophila and mammalian cell models. Therefore, we propose that Dhit and its mammalian homologues modulate GPCR signaling by a double suppression of Ga subunits - suppression of their nucleotide exchange with GTP and acceleration of their hydrolysis of GTP. Kermit/GEPC was first identified as a binding partner of GAIP/RGS19 in a yeast two- hybrid screen. Instead of interacting with the Drosophila homologue of GAIP/RGS19 (Dhit), Kermit binds to Gao in vivo and in vitro. The functional consequence of Kermit/Gao interaction is the regulation of localization of Vang (one of the planar cell polarity core components) at the apical membrane. Overall, my work elaborated the action of Gao with its two interaction partners in Gao- mediated signaling pathway. Conceivably, the understanding of GPCR signaling including Gao and its regulators or effectors will ultimately shed light on future pharmaceutical research. - Les voies de signalisation médiées par les protéines G transmettent des signaux extracellulaires à l'intérieur des cellules pour réguler des réponses physiologiques distinctes. Cette voie de signalisation consiste en trois composants majeurs : les récepteurs couplés aux protéines G (GPCRs), les protéines G hétérotrimériques (G-proteins) et les effecteurs en aval. Suite à la liaison du ligand, les GPCRs activent les protéines G hétérotrimériques qui initient la cascade de signalisation. Des dysfonctions dans la signalisation médiée par les GPCRs sont corrélées avec de nombreuses maladies comme le diabète, des déficiences immunes et nerveuses, ainsi que le cancer. Puisque la voie de signalisation s'active et se désactive, les protéines G (Gs, Gq/11, G12/13 et Gi/o) ont été un sujet de recherche attrayant pendant des décennies. Une protéine G hétérotrimérique est composée de trois sous-unités, la sous-unité a associée au nucléotide guanine, ainsi que les sous-unités ß et y. En général, la durée du signal est déterminée par le temps de demi-vie des sous-unités Ga activées (Ga liées au GTP). Identifier de nouveaux partenaires de communication des sous-unités Ga se révèle être un moyen attractif de comprendre la machinerie de la signalisation par les GPCRs. Dans notre laboratoire nous nous sommes concentrés principalement sur Gao qui est exprimée de manière abondante dans le système nerveux. Nous présentons ici deux nouveaux partenaires qui interagissent avec Gao chez la drosophile: Dhit et Kermit, qui ont été identifiés respectivement par la méthode du yeast two-hybrid et par criblage génétique. Dhit est caractérisé par une petite taille, avec un domaine RGS conservé et un motif N- terminal riche en cystéines. Le domaine RGS contient une activité GAP (GTPase activating protein) pour les protéines G. Toutefois, nous avons découvert que Dhit exerce non seulement une activité GAP mais aussi une activité GDI (guanine nucleotide dissociation inhibitor) à l'égard de Gao. Cette activité GDI inattendue est préservée dans RGS19 - un homologue de Dhit chez les mammifères. Des expériences supplémentaires ont confirmé l'activité GDI de Dhit et de RGS19 chez Drosophila melanogaster et les modèles cellulaires mammifères. Par conséquent, nous proposons que Dhit et ses homologues mammifères modulent la signalisation GPCR par une double suppression des sous-unités Ga - suppression de leur nucléotide d'échange avec le GTP et une accélération dans leur hydrolyse du GTP. Kermit/GIPC a été premièrement identifié comme un partenaire de liaison de RGS19 dans le criblage par yeast two-hybrid. Au lieu d'interagir avec l'homologue chez la drosophile de RGS19 (Dhit), Kermit se lie à Gao in vivo et in vitro. La conséquence fonctionnelle de l'interaction Kermit/Gao est la régulation de la localisation de Vang, un des composants essentiel de la polarité planaire cellulaire, à la membrane apicale. Globalement, mon travail a démontré l'action de Gao avec ses deux partenaires d'interaction dans la voie de signalisation médiée par Gao. La compréhension de la signalisation par les GPCRs incluant Gao et ses régulateurs ou effecteurs aboutira à mettre en lumière de futurs axes dans la recherche pharmacologique.

Distribution profile of zwitterions and hydrolysis of esters derived from N-benzylpiperazine

Résumé Les esters sont des agents thérapeutiques largement utilisés comme médicaments et prodrogues. Leurs dégradation est chimique et enzymatique. Le Chapitre IV de cette thèse a comme objet l'hydrolyse chimique de plusieurs dérivés esters du 2,3-dimethoxyphenol. Des composés modèles ont été synthétisés dans le but de déterminer leur mécanismes de dégradation. Les profils d'ionisation et d'hydrolyse de ces composés ont permis d'identifier la présence d'une catalyse intramoléculaire basique par un atome d'azote non-protoné. Les effets électroniques exercés par les groupes phenylethenyle et phenylcyclopropyle influencent également la vitesse d'hydrolyse des esters. La résolution des problèmes liés à l'adsorption et la perméation est devenue à nos jours l'étape limitante dans la conception de nouveaux médicaments car de trop nombreux candidats prometteurs ont échoué à cause d'une mauvaise biodisponibilité. La lipophilie décrit le partage d'un médicament entre une membrane lipidique et son environnement physiologique aqueux, et de ce fait elle influence sa pharmacocinétique. Des études récents ont mis en évidence l'importance de la détermination de la lipophilie des espèces ionisées vu leur considérable impact biologique. Le Chapitre V de cette thèse est centré sur une classe particulière de composés ionisables, les zwitterions. Plusieurs methoxybenzylpiperazines de nature zwitterionique ont été étudiées. Leurs profils d'ionisation ont montré que dans un large intervalle de pH, l'espèce prédominante est le zwitterion. Les profils de lipophilie ont montré que leur lipophilie est plus élevée que celles des zwitterions courants. Une interaction électrostatique entre l'oxygène du carboxylate et l'azote protoné est responsable de ce profil et rend la plupart des zwitterions non-donneurs de liaison hydrogène. Ces deux aspects peuvent favoriser le passage de la barrière hémato-éncephalique. Les données biologiques ont par la suite confirmé cette hypothèse pour un certain nombre de composés. Résumé large public Les esters sont des composés souvent rencontrés en chimie thérapeutique. Ils sont dégradés en milieu aqueux par une réaction d'hydrolyse, avec ou sans la participation d'enzymes. Dans ce travail de thèse, une série d'esters ont été étudiés dans le but d'établir une relation entre leur structure et les mécanismes responsables de leur dégradation chimique. Il a été prouvé que la dégradation est accélérée par un atome d'azote non-protoné. D'autres mécanismes peuvent intervenir en fonction du pH du milieu. La présence d'une liaison simple ou double ou d'un groupe phenylcyclopropyle peut également influencer la vitesse de dégradation. Il est essentiel, dans la conception de nouveaux médicaments, d'optimiser les étapes qui influencent leur distribution dans le corps. Ce dernier peut être visualisé comme une série infinie de compartiments aqueux séparés par des membranes lipidiques. La lipophilie est une propriété moléculaire importante qui décrit le passage des barrières rencontrées par les médicaments. Des études récentes ont mis en évidence l'importance de déterminer la lipophilie des espèces ionisées vu leur considérable impact biologique. Dans ce travail de thèse a été étudiée une série particulière de composés ionisables , les zwitterions. Une relation a été établie entre leur structure et leur proprietés physico-chimiques. Une lipophilie plus élevée par rapport à celle des zwitterions courants a été trouvée. Une interaction entre les groupes chargés des zwitterions étudiés est responsable de ce comportement inattendu et rend la plupart d'entre eux non-donneurs de liaison hydrogène. Ces deux facteurs peuvent favoriser la pénétration cérébrale. Les données biologiques ont confirmé cette hypothèse pour un certain nombre de composés. Summary Esters are often encountered in medicinal chemistry. Their hydrolysis may be chemical as well as enzymatic. Chapter IV of this manuscript provides a mechanistic insight into the chemical hydrolysis of a particular series of basic esters derived from 2,3-dimethoxyphenol. Their ionization and pH-rate profiles allowed to identify the presence of an intramolecular base catalysis by a non-protonated nitrogen atom. Electronic effects exerted by the phenylethenyl and phenylcyclopropyl groups that are present in the structure of the esters also influenced their rate of hydrolysis. Numerous works in the literature witness of the importance of lipophilicity in determining the fate of a drug. Most published partition coefficients are those of neutral species. In contrast, no exhaustive treatment of the lipophilicity of charged molecules is available at present, and a lack of information characterizes in particular zwitterions. Chapter V of this manuscript provides an insight into the physicochemical parameters of a series of zwitterionic methoxybenzylpiperazines. Their ionization profiles showed that they exist predominantly in the zwitterionic form in a broad pH-range. An electrostatic interaction between the oxygen of the carboxylate and the protonated nitrogen atom is increases the lipophilicity of the investigated zwitterions, and prevents the majority of them to express their hydrogen-bonding capacity. These two aspects may favor the crossing of the blood-brain barrier. The available ratios PSt/PSf measured in vitro have confirmed this point for a number of compounds.

Cellular immune responses against mycobacterium tuberculosis

Mycobacterium tuberculosis (Mtb) infection is known to have two main outcomes: latent infection (LTBI) where the pathogen is in a dormant form or active tuberculosis disease (TB), which is, most of the time, highly transmissible. Over one-third of the world's population asymptomatically harbours a latent form of Mtb with a 10% risk of disease reactivation. Efficient vaccine strategies remain unknown and the existing BCG vaccine is believed to protect against only some forms of TB (extra-pulmonary TB in children). Moreover, timely identification of TB remains complex with the actual diagnosis based on clinical observations associated to low efficient tests. Furthermore, current therapies are expensive, heavy and long for patients, and present lesser and lesser efficiency against new drug-resistant strains of Mtb. It is thus important to develop our knowledge on host -Mtb relationship to propose new vaccines, diagnosis tools and medications for the future. This thesis aims at improving our understanding of human immunology in the field of TB. All along this work, the same algorithm has been used and points towards the discovery of new correlates of protection through the comparison of T-cell immune responses in patients with LTBI or TB. We performed a comprehensive analysis of T-cell immune responses to Mtb using polychromatic flow cytometiy to study the functional profile of Μ/ό-specific CD4 Τ cells. We observed a polyfunctional profile in LTBI where CD4 Τ cells mainly co-produced IFN-γ, TNF-α and IL-2. In contrast, in TB, Mtó-specific CD4 Τ cells were mostly single TNF-a positive. Thus, analysis of the cytokine profiles was a strong immunological measure discriminating TB and LTBI. We next analyzed Thl7 cells. Mtò-specific Thl7 cells lacked immediate {i.e. ex vivo) IL-17A effector function in both LTBI and TB individuals. Moreover, they were also absent in bronchoalveolar lavages (BALs). Interestingly, we noticed that Mtb- specific Thl7 cells from LTBI but not from TB subjects acquired the ability to produce IL- 17A following Mtb-specific T-cell expansion. We finally performed a comprehensive characterization of Mfè-specific CD8 Τ cells that were detected in most (60%) TB patients and few (15%) LTBI subjects. We observed differences in the phenotype, the cytotoxicity and the proliferative capacities but not in the cytokine profile of Mtò-specific CD8 Τ cells between LTBI and TB. We concluded that the activity of Mtb infection (i.e. latent versus active) and the clinical presentation were associated to distinct profiles of Mtó-specific CD8 T-cell responses. To conclude, a multiparametric analysis including both CD4 and CD8 T-cell responses to Mtb lead to the development of a significantly improved diagnostic test discriminating between LTBI and TB. All together, these results provide new insights into the interaction between Mtb and the host immune response and expand upon our prior knowledge of tuberculosis. - L'infection par Mycobacterium tuberculosis peut résulter en une infection tuberculeuse latente et asymptomatique ou encore en une forme active et la plupart du temps contagieuse, la tuberculose. Un tiers de la population mondiale serait infectée de manière chronique avec 10 % de risques de développer la maladie durant la vie. Il n'existe actuellement aucun vaccin efficace, le BCG ne conférant qu'une protection partielle contre certaines formes extrapulmonaires de la maladie chez l'enfant. D'autre part, il n'existe pas de méthode diagnostique fiable et rapide, celle-ci se basant dans un premier temps sur l'analyse de la situation clinique des patients. Enfin, les thérapies actuelles sont couteuses et contraignantes pour les patients et tendent à ne plus être efficaces contre les souches émergentes de mycobactérie multi-résistantes. Aussi, il est important de bien comprendre la relation hôte-pathogène de manière à pouvoir proposer de nouveaux outils vaccinaux, diagnostiques et thérapeutiques. Ce manuscrit s'inscrit dans cette direction et vise à améliorer nos connaissances de la réponse immunitaire humaine dans le cadre de la tuberculose. Nous avons suivi un algorithme similaire tout au long des études proposées en comparant les réponses immunes des patients latents à celles des patients actifs, et ce, dans le but de mettre en évidence de potentiels corrélats de protection. Nous avons réalisé par cytométrie en flux une analyse du profil fonctionnel des cellules lymphocytaires CD4 dans la réponse au pathogène. Dans le cas de la tuberculose active, les cellules CD4 sécrètent majoritairement du TNF-α quand, au contraire, elles sécrètent à la fois du TNF-α, de l'IFN-γ et de l'IL-2 (poly-fonctionnalité) dans l'infection latente. Cette observation nous a permis de proposer un nouveau test diagnostique de la maladie active. Nous avons aussi étudié les cellules CD4 Thl7, impliquées dans la réponse immunitaire cellulaire contre les pathogènes extracellulaires et les champignons. Nous avons souligné une variation dans la production d'IL-17 entre infection latente et tuberculose active qui pourrait être impliquée dans la protection de l'individu contre le pathogène. D'autre part, ce manuscrit propose une caractérisation des cellules Τ CD8 dites cytotoxiques dans la tuberculose. Des divergences dans la fréquence des réponses observées, le phénotype mais aussi les capacités prolifératives et cytotoxiques ont pu être mises en évidence entre latence et tuberculose active. Ces observations soulignent le rôle important de ce groupe cellulaire dans l'évolution de la maladie et permettent de proposer une amélioration de l'outil diagnostic précédemment proposé et se basant à la fois sur le profil fonctionnel des cellules Τ CD4 ainsi que sur la présence potentielle d'une réponse CD8 spécifique au pathogène. Ces diverses études réalisées sur les cellules Τ humaines répondant spécifiquement à Mtb nous permettent de faire un pas supplémentaire dans la compréhension de notre réponse immunitaire face à ce pathogène particulièrement dangereux qui continue à l'heure actuelle à tuer chaque année des millions de personnes. - La tuberculose (TB) résulte d'une infection bactérienne par Mycobacterium tuberculosis (Mtb) et existe sous deux formes majeures: une forme latente, lorsque la bactérie est en phase de dormance ainsi qu'une forme active durant laquelle la bactérie se divise activement, entraînant les symptômes de la maladie. La personne infectée devient alors contagieuse dans la plupart des cas. Aujourd'hui des études épidémiologiques assument que plus d'un tiers de la population mondiale serait infectée par la forme latente de la bactérie et que 10% des cas réactiveront donnant lieu à diverses présentations de la maladie. Il n'existe actuellement aucun vaccin réellement efficace chez l'adulte. D'autre part, les traitements antibiotiques utilisés sont très lourds pour les patients et les cliniciens doivent faire face à l'émergence de nouvelles souches bactériennes multi-résistantes non affectées par les thérapies existantes. Les autorités sanitaires sont, d'autre part, confrontées à l'absence d'un outil diagnostique rapide, fiable et efficace. En effet, la méthode de référence reste la culture microbiologique du pathogène qui prend généralement plusieurs semaines, pendant lesquelles le patient pourra contaminer d'autres personnes. En résumé, la lutte contre la tuberculose doit passer par l'élaboration d'un vaccin efficace, de nouvelles thérapies, mais aussi par la mise en place de nouveaux tests diagnostics plus rapides afin d'éviter la dissémination de la maladie. Aussi, la relation hôte-bactérie qui n'est actuellement que peu comprise doit être investiguée. Ce travail de thèse a pour but d'étudier la réponse immunitaire chez l'homme infecté par Mtb et vise plus particulièrement l'étude d'une population clé de cellules immunitaires: les lymphocytes T. L'étude des cellules Τ CD4 nous a permis dans un premier temps de proposer un nouveau test diagnostic de la maladie active. Nous avons aussi analysé plus en détail une population spécifique des cellules Τ CD4 (les cellules Thl7), nous permettant d'associer leur fonction avec un possible état physiologique de protection contre le pathogène. En second lieu nous avons réalisé une caractérisation des cellules Τ CD8, à la fois chez les personnes avec des infections latentes et chez les personnes malades. Nous avons mis en évidence des différences fonctionnelles chez les deux groupes de patients, nous permettant ainsi une meilleure compréhension de l'immunité contre Mtb. Enfin, nous avons combiné les différents profils immunologiques obtenus pour développer un test diagnostic plus performant et sensible que celui proposé antérieurement. Ces diverses études réalisées sur les cellules Τ humaines nous permettent de faire un pas supplémentaire dans la compréhension de la réponse immunitaire face à ce pathogène particulièrement dangereux qui continue à tuer chaque année des millions de personnes.

Conformity, upstream reciprocity and social diversity: secondary mechanisms for the evolution of cooperation

Cooperation is ubiquitous in nature: genes cooperate in genomes, cells in muti- cellular organims, and individuals in societies. In humans, division of labor and trade are key elements of most known societies, where social life is regulated by- moral systems specifying rights and duties often enforced by third party punish¬ment. Over the last decades, several primary mechanisms, such as kin selection, direct and indirect reciprocity, have been advanced to explain the evolution of cooperation from a naturalistic approach. In this thesis, I focus on the study of three secondary mechanisms which, although insufficient to allow for the evo¬lution of cooperation, have been hypothesized to further promote it when they are linked to proper primary mechanisms: conformity (the tendency to imitate common behaviors), upstream reciprocity (the tendency to help somebody once help has been received from somebody else) and social diversity (heterogeneous social contexts). I make use of mathematical and computational models in the formal framework of evolutionary game theory in order to investigate the theoret¬ical conditions under which conformity, upstream reciprocity and social diversity are able to raise the levels of cooperation attained in evolving populations. - La coopération est ubiquitaire dans la nature: les gènes coopèrent dans les génomes, les cellules dans les organismes muticellulaires, et les organismes dans les sociétés. Chez les humains, la division du travail et le commerce sont des éléments centraux de la plupart des sociétés connues, où la vie sociale est régie par des systèmes moraux établissant des droits et des devoirs, souvent renforcés par la punition. Au cours des dernières décennies, plusieurs mécanismes pri¬maires, tels que la sélection de parentèle et les réciprocités directe et indirecte, ont été avancés pour expliquer l'évolution de la coopération d'un point de vue nat¬uraliste. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur l'étude de trois mécanismes secondaires qui, bien qu'insuffisants pour permettre l'évolution de la coopération, sont capables de la promouvoir davantage s'ils sont liés aux mécanismes primaires appropriés: la conformité (tendance à imiter des comportements en commun), la 'réciprocité en amont' (tendance à aider quelqu'un après avoir reçu l'aide de quelqu'un d'autre) et la diversité sociale (contextes sociaux hétérogènes). Nous faisons usage de modèles mathématiques et informatiques dans le cadre formel de la théorie des jeux évolutionnaires afin d'examiner les conditions théoriques dans lesquelles la conformité, la 'réciprocité en amont' et la diversité sociale sont capables d'élever le niveau de coopération des populations en évolution.

Les migrations internationales des médecins d'Afrique : entre stratégies d'acteurs, politiques nationales et débats internationaux : les cas du Royaume-Uni, de la France et de la Suisse

Résumé Le débat sur la migration des professionnels de santé issus des pays pauvres, et particulièrement des pays africains, date principalement des années 90. La mise sur agenda international du problème est liée d'une part aux inquiétudes vis-à-vis de la détérioration globale des conditions de santé en Afrique et à la péjoration du ratio personnel qualifié/population et d'autre part aux effets des politiques volontaristes d'appel aux spécialistes des pays en développement de la part de plusieurs pays du nord. Les experts soulignent le contraste entre le recrutement croissant de personnels de santé qualifiés (infirmières, médecins) par les pays riches et le déficit de personnels de santé dans les pays du sud et principalement en Afrique subsaharienne. Le discours dominant s'écrit sous le mode de la dramatisation. L'ampleur de l'exode du personnel de santé et ses conséquences pour l'Afrique suscitent un nouvel intérêt pour la recherche sur le « brain drain » dans le secteur de la santé. Un grand nombre d'analyse cherche à mieux comprendre les rapports entre le « push » (les motifs qui poussent les professionnels de santé à vouloir partir) et le « pull » (la demande des pays développés). Notre travail de recherche, suscité par les interrogations internationales vise également à mesurer et à comprendre les facteurs de la migration des médecins africains. Toutefois, il se distingue de la littérature dominante en accordant une place particulière aux arrangements institutionnels des pays d'accueil et à la manière dont ils régulent l'accueil des médecins africains. Après avoir analysé d'un point de vue statistique les flux migratoires des médecins et avoir approfondi par des entretiens les raisons qui poussent au départ, notre thèse vise à mettre en évidence l'importance considérable de l'héritage et des arrangements institutionnels dans la place accordée aux médecins africains dans la profession médicale des pays d'accueil. Pour approfondir le second aspect, notre thèse a opté pour la comparaison de trois cas de figures nationaux offrant des contrastes importants: le Royaume-Uni, la France et la Suisse. Les trois pays diffèrent de manière flagrante par la place qu'occupent les médecins étrangers dans le secteur de la santé et plus spécifiquement des médecins d'origine africaine. L'analyse des conditions de recrutement et de la place qui est accordé aux médecins africains dans les pays européens révèle que les migrations des professionnels de santé et l'insertion professionnelle des médecins africains sont avant tout déterminées par les arrangements institutionnels instaurés par les différents pays au cours de leur histoire. Chacun des trois pays a construit de manière spécifique sa relation avec les médecins formés à l'étranger et avec les médecins africains. Les trois pays choisis illustrent trois modèles d'emploi des médecins africains : un modèle libéral de recrutement (UK), un modèle corporatiste (France) et un modèle « conservateur » (Suisse). L'européanisation exerce des effets différents dans les trois systèmes. Le recrutement européen devient la règle privilégiée du recrutement qui renforce les tendances à l' « exclusion » en France et en Suisse et conforte un retournement de politiques publiques amorcé depuis plusieurs années au Royaume-Uni. L'analyse des trajectoires globales et des spécificités nationales d'emploi révèle également le caractère fortement réducteur du discours global sur les migrations internationales des médecins et les possibles contradictions entre une éthique dite du développement (« hostile aux migrations des médecins en provenance des pays pauvres ») et une éthique du droit de la personne (« le droit universel de migrer »).

Late Cretaceous to Eocene geology of the South Central American forearc area (southern Costa Rica and western Panama) : initiation and evolution of an intra-oceanic convergent margin

Résumé : L'arc volcanique du sud de l'Amérique Centrale se situe sur la marge SW de la Plaque Caraïbe, au-dessus des plaques subduites de Cocos et Nazca. Il s'agit de l'un des arcs intra-océaniques les plus étudiés au monde, qui est généralement considéré comme s'étant développé à la fin du Crétacé le long d'un plateau océanique (le Plateau Caraïbe ou CLIP) et se trouvant actuellement dans un régime de subduction érosive. Au cours des dernières décennies, des efforts particuliers ont été faits pour comprendre les processus liés à la subduction sur la base d'études géophysiques et géochimiques. Au sud du Costa Rica et à l'ouest du Panama, des complexes d'accrétions et structures à la base de l'arc volcanique ont été exposés grâce à la subduction de rides asismiques et de failles transformantes. Des affleurements, situés jusqu'à seulement 15 km de la fosse, offrent une possibilité unique de mieux comprendre quelques uns des processus ayant lieu le long de la zone de subduction. Nous présentons de nouvelles contraintes sur l'origine de ces affleurements en alliant une étude de terrain poussée, de nouvelles données géochimiques, sédimentaires et paléontologiques, ainsi que des observations structurales effectuées en télédétection. Une nouvelle stratigraphie tectonique entre le Campanien et l'Éocène est définie pour la région d'avant-arc située entre la Péninsule d'Osa (Costa Rica) et la Péninsule d'Azuero (Panama). Nos résultats montrent que la partie externe de la marge est composée d'un arrangement complexe de roches ignées et de séquences sédimentaires de recouvrement qui comprennent principalement le socle de l'arc, des roches d'arc primitif, des fragments de monts sous-marins accrétés et des mélanges d'accrétion. Des preuves sont données pour le développement de l'arc volcanique du sud de l'Amérique Centrale sur un plateau océanique. Le début de la subduction le long de la marge SW de la Plaque Caraïbe a eu lieu au Campanien et a généré des roches d'arc primitif caractérisées par des affinités géochimiques particulières, globalement intermédiaires entre des affinités de plateau et d'arc insulaire. L'arc était mature au Maastrichtien et formait un isthme essentiellement continu entre l'Amérique du Nord et l'Amérique du Sud. Ceci a permis la migration de faunes terrestres entre les Amériques et pourrait avoir contribué à la crise fin Crétacé -Tertiaire en réduisant les courants océaniques subéquatoriaux entre le Pacifique et l'Atlantique. Plusieurs unités composées de fragments de monts sous-marins accrétés sont définies. La nature et l'arrangement structural de ces unités définissent de nouvelles contraintes sur les modes d'accrétion des monts sous-marins/îles océaniques et sur l'évolution de la marge depuis la formation de la zone de subduction. Entre la fin du Crétacé et l'Éocène moyen, la marge a enregistré plusieurs épisodes ponctuels d'accrétion de monts sous-marins alternant avec de la subduction érosive. A l'Éocène moyen, un événement tectonique régional pourrait avoir causé un fort couplage entre les plaques supérieure et inférieure, menant à des taux plus important d'accrétion de monts sous-marins. Durant cette période, la situation le long de la marge était très semblable à la situation actuelle et caractérisée par la présence de monts sous-marins subductants et l'absence d'accrétion de sédiments. L'enregistrement géologique montre qu'il n'est pas possible d'attribuer une nature érosive ou accrétionnaire à la marge dans le passé ou -par analogie- aujourd'hui, parce que (1) les processus d'accrétion et érosifs varient fortement spatialement et temporellement et (2) il est impossible d'évaluer la quantité exacte de matériel tectoniquement enlevé à la marge depuis le début de la subduction. Au sud du Costa Rica, certains fragments de monts sous-marins accrétés sont représentatifs d'une interaction entre une ride et un point chaud dans le Pacifique au Crétacé terminal/Paléocène. L'existence de ces fragments de monts sous-marins et la morphologie du fond de l'Océan Pacifique indiquent que la formation de la ride de Cocos-Nazca s'est formée au moins ~40 Ma avant l'âge proposé par les modèles tectoniques actuels. Au Panama, nous avons identifié une île océanique d'âge début Éocène qui a été accrétée à l'Éocène moyen. L'accrétion a eu lieu à très faible profondeur par détachement de l'île dans la fosse, et a mené à une exceptionnelle préservation des structures volcaniques. Des affleurement comprenant aussi bien des parties basses et hautes de l'édifice volcanique on été étudiées, depuis la phase sous-marine bouclier jusqu'à la phase subaérienne post-bouclier. La stratigraphie nous a permis de différencier les laves de la phase sous-marine de celles de la phase subaérienne. La composition des laves indique une diminution progressive de l'intensité de la fusion partielle de la source et une diminution de la température des laves produites durant les derniers stades de l'activité volcanique. Nous interprétons ces changements comme étant liés à l'éloignement progressif de l'île océanique de la zone de fusion ou point chaud. Abstract The southern Central American volcanic front lies on the SW edge of the Caribbean Plate, inboard of the subducting Cocos and Nazca Plates. It is one of the most studied intra-oceanic convergent margins around the world, which is generally interpreted to have developed in the late Cretaceous along an oceanic plateau (the Caribbean Large Igneous Province or CLIP) and to be currently undergoing a regime of subduction erosion. In the last decades a particular effort has been made to understand subduction-related processes on the basis of geophysical and geochemical studies. In southern Costa Rica and western Panama accretionary complexes and structures at the base of the volcanic front have been exposed in response to subduction of aseismic ridges and transforms. Onland exposures are located as close as to 15 km from the trench and provide a unique opportunity to better understand some of the processes occurring along the subduction zone. We provide new constraints on the origins of these exposures by integrating a comprehensive field work, new geochemical, sedimentary and paleontological data, as well as structural observations based on remote imaging. A new Campanian to Eocene tectonostratigraphy is defined for the forearc area located between the Osa Peninsula (Costa Rica) and the Azuero Peninsula (Panama). Our results show that the outer margin is composed of a complicated arrangement of igneous complexes and overlapping sedimentary sequences that essentially comprise an arc basement, primitive island-arc rocks, accreted seamount fragments and accretionary mélanges. Evidences are provided for the development of the southern Central American arc on the top an oceanic plateau. The subduction initiation along the SW edge of the Caribbean Plate occurred in the Campanian and led to formation of primitive island-arc rocks characterized by unusual geochemical affinities broadly intermediate between plateau and arc affinities. The arc was mature in the Maastrichtian and was forming a predominantly continuous landbridge between the North and South Americas. This allowed migration of terrestrial fauna between the Americas and may have contributed to the Cretaceous-Tertiary crisis by limiting trans-equatorial oceanic currents between the Pacific and the Atlantic. Several units composed of accreted seamount fragments are defined. The nature of the units and their structural arrangement provide new constraints on the modes of accretion of seamounts/oceanic islands and on the evolution of the margin since subduction initiation. Between the late Cretaceous and the middle Eocene, the margin recorded several local episodes of seamount accretion alternating with tectonic erosion. In the middle Eocene a regional tectonic event may have triggered strong coupling between the overriding and subducting plates, leading to higher rates of seamount accretion. During this period the situation along the margin was very similar to the present and characterized by subducting seamounts and absence of sediment accretion. The geological record shows that it is not possible to ascribe an overall erosive or accretionary nature to the margin in the past and, by analogy, today, because (1) accretionary and erosive processes exhibit significant lateral and temporal variations and (2) it is impossible to estimate the exact amount of material tectonically eroded from the margin since subduction initiation. In southern Costa Rica, accreted seamount fragments point toward a plume-ridge interaction in the Pacific in the late Cretaceous/Paleocene. This occurrence of accreted seamount fragments and morphology of the Pacific Ocean floor is indicative of the formation of the Cocos-Nazca spreading system at least ~40 Ma prior to the age proposed in current tectonic models. In Panama, we identified a remarkably-well preserved early Eocene oceanic island that accreted in the middle Eocene. The accretion probably occurred at very shallow depth by detachment of the island in the trench and led to an exceptional preservation of the volcanic structures. Exposures of both deep and superficial parts of the volcanic edifice have been studied, from the submarine-shield to subaerial-postshield stages. The stratigraphy allowed us to distinguish lavas produced during the submarine and subaerial stages. The lava compositions likely define a progressive diminution of source melting and a decrease in the temperature of erupted melts in the latest stages of volcanic activity. We interpret these changes to primarily reflect the progressive migration of the oceanic island out of the melting region or hotspot.

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.

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.

25 years of movement monitoring on the south peak of Turtle mountain: Understanding the hazard

En 1981, le gouvernement de l'Alberta a amélioré la surveillance de la pointe sud « South Peak » de la montagne Turtle, sur la frontière sud du glissement Frank de 1903. Le programme de surveillance vise à comprendre les taux de déformation des fissures larges et profondes sur « South Peak », et à prédire une seconde avalanche rocheuse sur la montagne. Le programme de surveillance consiste à installer un complément de points statiques et de stations suivies à distance, qui sont mesurés périodiquement. Des données climatiques, microsismiques et de déformation sont recueillies automatiquement à intervalles journaliers, et sont archivées. À la fin des années 1980, le financement pour le développement du programme de surveillance a cessé et quelques installations se sont détériorées. Entre mai 2004 et septembre 2006, des lectures sur les points de surveillance encore fonctionnels ont été compilées et interprétées. De plus, les lectures prélevées auparavant ont été réinterprétées à partir des connaissances récentes sur les modèles de mouvement à court terme et les influences climatiques. Ces observations ont été comparées à des récentes observations aériennes d'un modèle digital d'élévation, provenant de « light detection and ranging (LiDAR) », et des photos de terrain, afin d'estimer plus précisément les taux, l'étendue et la distribution des mouvements pour les derniers 25 ans.

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.

Écrire la musique. Baudelaire face à Wagner

Baudelaire a consacré un seul essai à la musique, dans les dernières années de sa vie. Cet essai porte sur un unique compositeur, Richard Wagner, à une époque où l'esthétique du regard du poète est déjà formée depuis longtemps. De plus, Baudelaire « ne sait pas la musique », comme il l'écrit lui-même au musicien dans une longue lettre. Et pourtant, l'essai sur Wagner s'inscrit parfaitement dans les textes critiques de Baudelaire consacrés à l'art : l'image et l'imagination tiennent lieu, ici aussi, de modèles épistémologiques. La méconnaissance du langage musical est ainsi rachetée par la connaissance de l'image - mais la connaissance de l'image, de sa dimension scripturale, demeure quant à elle impensée. Ce point aveugle caractérise ce que l'on peut appeler l'esthétique de la Modernité.

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.