Nucleation and growth of metamorphic minerals in contact aureoles

THESIS ABSTRACT Nucleation and growth of metamorphic minerals are the consequence of changing P-T-X-conditions. The thesis presented here focuses on processes governing nucleation and growth of minerals in contact metamorphic environments using a combination of geochemical analytics (chemical-, isotope-, and trace element composition), statistical treatments of spatial data, and numerical models. It is shown, that a combination of textural modeling and stable isotope analysis allows a distinction between several possible reaction paths for olivine growth in a siliceous dolomite contact aureole. It is suggested that olivine forms directly from dolomite and quartz. The formation of olivine from this metastable reaction implies metamorphic crystallization far from equilibrium. As a major consequence, the spatial distribution of metamorphic mineral assemblages in a contact aureole cannot be interpreted as a proxy for the temporal evolution of a single rock specimen, because each rock undergoes a different reaction path, depending on temperature, heating rate, and fluid-infiltration rate. A detailed calcite-dolomite thermometry study was initiated on multiple scales ranging from aureole scale to the size of individual crystals. Quantitative forward models were developed to evaluate the effect of growth zoning, volume diffusion and the formation of submicroscopic exsolution lamellae (<1 µm) on the measured Mg-distribution in individual calcite crystals and compare the modeling results to field data. This study concludes that Mg-distributions in calcite grains of the Ubehebe Peak contact aureole are the consequence of rapid crystal growth in combination with diffusion and exsolution. The crystallization history of a rock is recorded in the chemical composition, the size and the distribution of its minerals. Near the Cima Uzza summit, located in the southern Adamello massif (Italy), contact metamorphic brucite bearing dolomite marbles are exposed as xenoliths surrounded by mafic intrusive rocks. Brucite is formed retrograde pseudomorphing spherical periclase crystals. Crystal size distributions (CSD's) of brucite pseudomorphs are presented for two profiles and combined with geochemistry data and petrological information. Textural analyses are combined with geochemistry data in a qualitative model that describes the formation periclase. As a major outcome, this expands the potential use of CSD's to systems of mineral formation driven by fluid-infiltration. RESUME DE LA THESE La nucléation et la croissance des minéraux métamorphiques sont la conséquence de changements des conditions de pression, température et composition chimique du système (PT-X). Cette thèse s'intéresse aux processus gouvernant la nucléation et la croissance des minéraux au cours d'un épisode de métamorphisme de contact, en utilisant la géochimie analytique (composition chimique, isotopique et en éléments traces), le traitement statistique des données spatiales et la modélisation numérique. Il est montré que la combinaison d'un modèle textural avec des analyses en isotopes stables permet de distinguer plusieurs chemins de réactions possibles conduisant à la croissance de l'olivine dans une auréole de contact riche en Silice et dolomite. Il est suggéré que l'olivine se forme directement à partir de la dolomie et du quartz. Cette réaction métastable de formation de l'olivine implique une cristallisation métamorphique loin de l'équilibre. La principale conséquence est que la distribution spatiale des assemblages de minéraux métamorphiques dans une auréole de contact ne peut pas être considérée comme un témoin de l'évolution temporelle d'un type de roche donné, puisque chaque type de roche suit différents chemins de réactions, en fonction de la température, la vitesse de réchauffement et le taux d'infiltration du fluide. Une étude thermométrique calcite-dolomite détaillée a été réalisée à diverses échelles, depuis l'échelle de l'auréole de contact jusqu'à l'échelle du cristal. Des modèles numériques quantitatifs ont été développés pour évaluer l'effet des zonations de croissance, de la diffusion volumique et de la formation de lamelles d'exsolution submicroscopiques (<1µm) sur la distribution du magnésium mesuré dans des cristaux de calcite individuels. Les résultats de ce modèle ont été comparés ä des échantillons naturels. Cette étude montre que la distribution du Mg dans les grains de calcite de l'auréole de contact de l'Ubehebe Peak (USA) résulte d'une croissance cristalline rapide, associée aux processus de diffusion et d'exsolution. L'histoire de cristallisation d'une roche est enregistrée dans la composition chimique, la taille et la distribution de ses minéraux. Près du sommet Cima Uzza situé au sud du massif d'Adamello (Italie), des marbres dolomitiques à brucite du métamorphisme de contact forment des xénolithes dans une intrusion mafique. La brucite constitue des pseudomorphes rétrogrades du périclase. Les distributions de taille des cristaux (CSD) des pseudomorphes de brucite sont présentées pour deux profiles et sont combinées aux données géochimiques et pétrologiques. Les analyses textorales sont combinées aux données géochimiques dans un modèle qualitatif qui décrit la formation du périclase. Ceci élargit l'utilisation potentielle de la C5D aux systèmes de formation de minéraux controlés par les infiltrations fluides. THESIS ABSTRACT (GENERAL PUBLIC) Rock textures are essentially the result of a complex interaction of nucleation, growth and deformation as a function of changing physical conditions such as pressure and temperature. Igneous and metamorphic textures are especially attractive to study the different mechanisms of texture formation since most of the parameters like pressure-temperature-paths are quite well known for a variety of geological settings. The fact that textures are supposed to record the crystallization history of a rock traditionally allowed them to be used for geothermobarometry or dating. During the last decades the focus of metamorphic petrology changed from a static point of view, i.e. the representation of a texture as one single point in the petrogenetic grid towards a more dynamic view, where multiple metamorphic processes govern the texture formation, including non-equilibrium processes. This thesis tries to advance our understanding on the processes governing nucleation and growth of minerals in contact metamorphic environments and their dynamic interplay by using a combination of geochemical analyses (chemical-, isotope-, and trace element composition), statistical treatments of spatial data and numerical models. In a first part the thesis describes the formation of metamorphic olivine porphyroblast in the Ubehebe Peak contact aureole (USA). It is shown that not the commonly assumed succession of equilibrium reactions along a T-t-path formed the textures present in the rocks today, but rather the presence of a meta-stable reaction is responsible for forming the olivine porphyroblast. Consequently, the spatial distribution of metamorphic minerals within a contact aureole can no longer be regarded as a proxy for the temporal evolution of a single rock sample. Metamorphic peak temperatures for samples of the Ubehebe Peak contact aureole were determined using calcite-dolomite. This geothermometer is based on the temperature-dependent exchange of Mg between calcite and dolomite. The purpose of the second part of this thesis was to explain the interfering systematic scatter of measured Mg-content on different scales and thus to clarify the interpretation of metamorphic temperatures recorded in carbonates. Numerical quantitative forward models are used to evaluate the effect of several processes on the distribution of magnesium in individual calcite crystals and the modeling results were then compared to measured field. Information about the crystallization history is not only recorded in the chemical composition of grains, like isotope composition or mineral zoning. Crystal size distributions (CSD's) provide essential information about the complex interaction of nucleation and growth of minerals. CSD's of brucite pseudomorphs formed retrograde after periclase of the southern Adamello massif (Italy) are presented. A combination of the textural 3D-information with geochemistry data is then used to evaluate reaction kinetics and to constrain the actual reaction mechanism for the formation of periclase. The reaction is shown to be the consequence of the infiltration of a limited amount of a fluid phase at high temperatures. The composition of this fluid phase is in large disequilibrium with the rest of the rock resulting in very fast reaction rates. RESUME DE LA THESE POUR LE GRAND PUBLIC: La texture d'une roche résulte de l'interaction complexe entre les processus de nucléation, croissance et déformation, en fonction des variations de conditions physiques telles que la pression et la température. Les textures ignées et métamorphiques présentent un intérêt particulier pour l'étude des différents mécanismes à l'origine de ces textures, puisque la plupart des paramètres comme les chemin pression-température sont relativement bien contraints dans la plupart des environnements géologiques. Le fait que les textures soient supposées enregistrer l'histoire de cristallisation des roches permet leur utilisation pour la datation et la géothermobarométrie. Durant les dernières décennies, la recherche en pétrologie métamorphique a évolué depuis une visualisation statique, c'est-à-dire qu'une texture donnée correspondait à un point unique de la grille pétrogénétique, jusqu'à une visualisation plus dynamique, où les multiples processus métamorphiques qui gouvernent 1a formation d'une texture incluent des processus hors équilibre. Cette thèse a pour but d'améliorer les connaissances actuelles sur les processus gouvernant la nucléation et la croissance des minéraux lors d'épisodes de métamorphisme de contact et l'interaction dynamique existant entre nucléation et croissance. Pour cela, les analyses géochimiques (compositions chimiques en éléments majeurs et traces et composition isotopique), le traitement statistique des données spatiales et la modélisation numérique ont été combinés. Dans la première partie, cette thèse décrit la formation de porphyroblastes d'olivine métamorphique dans l'auréole de contact de l'Ubehebe Peak (USA). Il est montré que la succession généralement admise des réactions d'équilibre le long d'un chemin T-t ne peut pas expliquer les textures présentes dans les roches aujourd'hui. Cette thèse montre qu'il s'agirait plutôt d'une réaction métastable qui soit responsable de la formation des porphyroblastes d'olivine. En conséquence, la distribution spatiale des minéraux métamorphiques dans l'auréole de contact ne peut plus être interprétée comme le témoin de l'évolution temporelle d'un échantillon unique de roche. Les pics de température des échantillons de l'auréole de contact de l'Ubehebe Peak ont été déterminés grâce au géothermomètre calcite-dolomite. Celui-ci est basé sur l'échange du magnésium entre la calcite et la dolomite, qui est fonction de la température. Le but de la deuxième partie de cette thèse est d'expliquer la dispersion systématique de la composition en magnésium à différentes échelles, et ainsi d'améliorer l'interprétation des températures du métamorphisme enregistrées dans les carbonates. Des modèles numériques quantitatifs ont permis d'évaluer le rôle de différents processus sur la distribution du magnésium dans des cristaux de calcite individuels. Les résultats des modèles ont été comparés aux échantillons naturels. La composition chimique des grains, comme la composition isotopique ou la zonation minérale, n'est pas le seul témoin de l'histoire de la cristallisation. La distribution de la taille des cristaux (CSD) fournit des informations essentielles sur les interactions entre nucléation et croissance des minéraux. La CSD des pseudomorphes de brucite retrograde formés après le périclase dans le sud du massif Adamello (Italie) est présentée dans la troisième partie. La combinaison entre les données textorales en trois dimensions et les données géochimiques a permis d'évaluer les cinétiques de réaction et de contraindre les mécanismes conduisant à la formation du périclase. Cette réaction est présentée comme étant la conséquence de l'infiltration d'une quantité limitée d'une phase fluide à haute température. La composition de cette phase fluide est en grand déséquilibre avec le reste de la roche, ce qui permet des cinétiques de réactions très rapides.

Evolutionary genetics of arbuscular mycorrhizal fungi - causes and consequences of multiple genomes in Glomus intraradices

Résumé Les champignons endomycorhiziens arbusculaires (CEA) forment des symbioses avec la plupart des plantes terrestres. Les CEA influencent la croissance des plantes et la biodiversité. Ils sont supposés avoir évolué de manière asexuée pendant au moins 400 millions d'années et aucune diversification morphologique majeure n'a été constatée. Pour ces raisons, les CEA sont considérés comme d'anciens asexués. Très peu d'espèces sont connues actuellement. Les individus de ces champignons contiennent des noyaux génétiquement différents dans un cytoplasme continu. La signification évolutive, la variabilité et la maintenance des génomes multiples au sein des individus sont inconnues. Ce travail a démontré qu'une population du CEA Glomus intraradices est génétiquement très variable. Nous avons conclu que les plantes hôtes plutôt que la différenciation géographique devraient être responsables de cette grande diversité. Puis nous avons cherché l'existence de recombinaison entre génotypes dans une population. Nous avons détecté un groupe recombinant au sein de la population, ce qui met en doute l'état d'anciens asexués des CEA. Nous avons également détecté l'occurrence de fusions d'hyphes et l'échange de noyaux entre isolats génétiquement différents. La descendance hybride issue de cet échange était viable et distincte phénotypiquement des isolats parentaux. En résumé, ce travail identifie des événements cruciaux dans le cycle de vie des CEA qui ont le potentiel d'influencer l'évolution de génomes multiples. L'étude des conséquences de ces événements sur les interactions avec les plantes hôtes pourrait éclaircir significativement la compréhension de la symbiose entre plantes et CEA. Abstract Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are important symbionts of most land plants. AMF influence plant growth and biodiversity. Very few extant species are described. AMF are thought to have evolved asexually for at least 400 million years and no major morphological diversification has occurred. Due to these reasons, they were termed `ancient asexuals'. Fungal individuals harbour genetically different nuclei in a continuous cytoplasm. The variability, maintenance and evolutionary significance of multiple genomes within individuals are unknown. This work showed that a population of the AMF Glomus intraradices harbours very high genetic diversity. We concluded that host plants rather than geographic differentiation were responsible for this diversity. Furthermore, we investigated whether recombination occurred among genotypes of a G. intraradices population. The identification of a core group of recombining genotypes in the population refutes the assumption of ancient asexuality in AMF. We found that genetically different isolates can form hyphal fusions and exchange nuclei. The hybrid progeny produced by the exchange was viable and phenotypically distinct from the parental isolates. Taken together, this work provided evidence for key events in the AMF life cycle, that influence the evolution of multiple genomes. Studying the consequences of these events on the interaction with host plants may significantly further the understanding of the AMF-plant symbiosis.

RecA-mediated strand exchange traverses substitutional heterologies more easily than deletions or insertions.

RecA protein in bacteria and its eukaryotic homolog Rad51 protein are responsible for initiation of strand exchange between homologous DNA molecules. This process is crucial for homologous recombination, the repair of certain types of DNA damage and for the reinitiation of DNA replication on collapsed replication forks. We show here, using two different types of in vitro assays, that in the absence of ATP hydrolysis RecA-mediated strand exchange traverses small substitutional heterologies between the interacting DNAs, whereas small deletions or insertions block the ongoing strand exchange. We discuss evolutionary implications of RecA selectivity against insertions and deletions and propose a molecular mechanism by which RecA can exert this selectivity.

Molecular modeling study of the binding and signaling properties of the TCRpMHC complex

The activation of the specific immune response against tumor cells is based on the recognition by the CD8+ Cytotoxic Τ Lymphocytes (CTL), of antigenic peptides (p) presented at the surface of the cell by the class I major histocompatibility complex (MHC). The ability of the so-called T-Cell Receptors (TCR) to discriminate between self and non-self peptides constitutes the most important specific control mechanism against infected cells. The TCR/pMHC interaction has been the subject of much attention in cancer therapy since the design of the adoptive transfer approach, in which Τ lymphocytes presenting an interesting response against tumor cells are extracted from the patient, expanded in vitro, and reinfused after immunodepletion, possibly leading to cancer regression. In the last decade, major progress has been achieved by the introduction of engineered lypmhocytes. In the meantime, the understanding of the molecular aspects of the TCRpMHC interaction has become essential to guide in vitro and in vivo studies. In 1996, the determination of the first structure of a TCRpMHC complex by X-ray crystallography revealed the molecular basis of the interaction. Since then, molecular modeling techniques have taken advantage of crystal structures to study the conformational space of the complex, and understand the specificity of the recognition of the pMHC by the TCR. In the meantime, experimental techniques used to determine the sequences of TCR that bind to a pMHC complex have been used intensively, leading to the collection of large repertoires of TCR sequences that are specific for a given pMHC. There is a growing need for computational approaches capable of predicting the molecular interactions that occur upon TCR/pMHC binding without relying on the time consuming resolution of a crystal structure. This work presents new approaches to analyze the molecular principles that govern the recognition of the pMHC by the TCR and the subsequent activation of the T-cell. We first introduce TCRep 3D, a new method to model and study the structural properties of TCR repertoires, based on homology and ab initio modeling. We discuss the methodology in details, and demonstrate that it outperforms state of the art modeling methods in predicting relevant TCR conformations. Two successful applications of TCRep 3D that supported experimental studies on TCR repertoires are presented. Second, we present a rigid body study of TCRpMHC complexes that gives a fair insight on the TCR approach towards pMHC. We show that the binding mode of the TCR is correctly described by long-distance interactions. Finally, the last section is dedicated to a detailed analysis of an experimental hydrogen exchange study, which suggests that some regions of the constant domain of the TCR are subject to conformational changes upon binding to the pMHC. We propose a hypothesis of the structural signaling of TCR molecules leading to the activation of the T-cell. It is based on the analysis of correlated motions in the TCRpMHC structure. - L'activation de la réponse immunitaire spécifique dirigée contre les cellules tumorales est basée sur la reconnaissance par les Lymphocytes Τ Cytotoxiques (CTL), d'un peptide antigénique (p) présenté à la suface de la cellule par le complexe majeur d'histocompatibilité de classe I (MHC). La capacité des récepteurs des lymphocytes (TCR) à distinguer les peptides endogènes des peptides étrangers constitue le mécanisme de contrôle le plus important dirigé contre les cellules infectées. L'interaction entre le TCR et le pMHC est le sujet de beaucoup d'attention dans la thérapie du cancer, depuis la conception de la méthode de transfer adoptif: les lymphocytes capables d'une réponse importante contre les cellules tumorales sont extraits du patient, amplifiés in vitro, et réintroduits après immunosuppression. Il peut en résulter une régression du cancer. Ces dix dernières années, d'importants progrès ont été réalisés grâce à l'introduction de lymphocytes modifiés par génie génétique. En parallèle, la compréhension du TCRpMHC au niveau moléculaire est donc devenue essentielle pour soutenir les études in vitro et in vivo. En 1996, l'obtention de la première structure du complexe TCRpMHC à l'aide de la cristallographie par rayons X a révélé les bases moléculaires de l'interaction. Depuis lors, les techniques de modélisation moléculaire ont exploité les structures expérimentales pour comprendre la spécificité de la reconnaissance du pMHC par le TCR. Dans le même temps, de nouvelles techniques expérimentales permettant de déterminer la séquence de TCR spécifiques envers un pMHC donné, ont été largement exploitées. Ainsi, d'importants répertoires de TCR sont devenus disponibles, et il est plus que jamais nécessaire de développer des approches informatiques capables de prédire les interactions moléculaires qui ont lieu lors de la liaison du TCR au pMHC, et ce sans dépendre systématiquement de la résolution d'une structure cristalline. Ce mémoire présente une nouvelle approche pour analyser les principes moléculaires régissant la reconnaissance du pMHC par le TCR, et l'activation du lymphocyte qui en résulte. Dans un premier temps, nous présentons TCRep 3D, une nouvelle méthode basée sur les modélisations par homologie et ab initio, pour l'étude de propriétés structurales des répertoires de TCR. Le procédé est discuté en détails et comparé à des approches standard. Nous démontrons ainsi que TCRep 3D est le plus performant pour prédire des conformations pertinentes du TCR. Deux applications à des études expérimentales des répertoires TCR sont ensuite présentées. Dans la seconde partie de ce travail nous présentons une étude de complexes TCRpMHC qui donne un aperçu intéressant du mécanisme d'approche du pMHC par le TCR. Finalement, la dernière section se concentre sur l'analyse détaillée d'une étude expérimentale basée sur les échanges deuterium/hydrogène, dont les résultats révèlent que certaines régions clés du domaine constant du TCR sont sujettes à un changement conformationnel lors de la liaison au pMHC. Nous proposons une hypothèse pour la signalisation structurelle des TCR, menant à l'activation du lymphocyte. Celle-ci est basée sur l'analyse des mouvements corrélés observés dans la structure du TCRpMHC.

Neuronal Thy-1 induces astrocyte adhesion by engaging syndecan-4 in a cooperative interaction with alphavbeta3 integrin that activates PKCalpha and RhoA.

Clustering of alphavbeta3 integrin after interaction with the RGD-like integrin-binding sequence present in neuronal Thy-1 triggers formation of focal adhesions and stress fibers in astrocytes via RhoA activation. A putative heparin-binding domain is present in Thy-1, raising the possibility that this membrane protein stimulates astrocyte adhesion via engagement of an integrin and the proteoglycan syndecan-4. Indeed, heparin, heparitinase treatment and mutation of the Thy-1 heparin-binding site each inhibited Thy-1-induced RhoA activation, as well as formation of focal adhesions and stress fibers in DI TNC(1) astrocytes. These responses required both syndecan-4 binding and signaling, as evidenced by silencing syndecan-4 expression and by overexpressing a syndecan-4 mutant lacking the intracellular domain, respectively. Furthermore, lack of RhoA activation and astrocyte responses in the presence of a PKC inhibitor or a dominant-negative form of PKCalpha implicated PKCalpha and RhoA activation in these events. Therefore, combined interaction of the astrocyte alphavbeta3-integrin-syndecan-4 receptor pair with Thy-1, promotes adhesion to the underlying matrix via PKCalpha- and RhoA-dependent pathways. Importantly, signaling events triggered by such receptor cooperation are shown here to be the consequence of cell-cell rather than cell-matrix interactions. These observations are likely to be of widespread biological relevance because Thy-1-integrin binding is reportedly relevant to melanoma invasion, monocyte transmigration through endothelial cells and host defense mechanisms.

Asessing public policies. The case of education in Europe and the interaction between personal and institutional factors

The paper deals with the comparative study of European citizens satisfaction with thestate of education in their respective countries. Individual and contextual effects aretested applying multilevel analysis. The results show that educational public policies(level of decentralization, degree of comprehensiveness and public spending) as well asthe students social environment (socioeconomic and cultural status) have a soundimpact on the opinions about the state of education.

How enforcement institutions affect markets

In an experiment we study market outcomes under alternative incentive structures for third-party enforcers. Our transactions resemble an anonymous credit market where lenders can give loans and borrowers can repay them. When borrowers default, judges are free to enforce repayment but are themselves paid differently in each of three treatments. First, paying judges according to lenders votes maximizes surplus and the equality of earnings. In contrast, paying judges according to borrowers votes triggers insufficient enforcement, destroying the market and producing the lowest surplus and the most unequal distribution of earnings. Lastly, judges paid the average earnings of borrowers and lenders achieve results close to those based on lender voting. We employ a steps-of-reasoning argument to interpret the performances of different institutions. When voting and enforcement rights are allocated to different classes of actors, the difficulty of their task changes, and arguably as a consequence they focus on high or low surplus equilibria.

Altruism, equity and reciprocity in a gift-exchange experiment: An encompassing approach

Considerable experimental evidence suggests that non-pecuniary motivesmust be addressed when modeling behavior in economic contexts. Recentmodels of non-pecuniary motives can be classified as either altruism-based, equity-based, or reciprocity-based. We estimate and compareleading approaches in these categories, using experimental data. Wethen offer a flexible approach that nests the above three approaches,thereby allowing for nested hypothesis testing and for determiningthe relative strength of each of the competing theories. In addition,the encompassing approach provides a functional form for utility in different settings without the restrictive nature of the approaches nested within it. Using this flexible form for nested tests, we findthat intentional reciprocity, distributive concerns, and altruisticconsiderations all play a significant role in players' decisions.

Monetary policy and exchange rate volatility in a small open economy

We lay out a small open economy version of the Calvo sticky price model, and show how the equilibrium dynamics can be reduced to simple representation in domestic inflation and the output gap. We use the resulting framework to analyze the macroeconomic implications of three alternative rule-based policy regimes for the small open economy: domestic inflation and CPI-based Taylor rules, and an exchange rate peg. We show that a key difference amongthese regimes lies in the relative amount of exchange rate volatility that they entail. We also discuss a special case for which domestic inflation targeting constitutes the optimal policy, and where a simple second order approximation to the utility of the representative consumer can be derived and used to evaluate the welfare losses associated with the suboptimal rules.

Earnings management in Spain. Some evidence from companies quoted in the Spanish stock exchange

After the accounting scandals that have taken place mainly in the UnitedStates during the last years, some Spanish leading authorities havedefended the idea that this kind of accounting problems cannot happen inSpain. They argue that accounting regulation in Europe, and specificallyin Spain, make more difficult the use of creative accounting practices.The objective of this paper is to identify some evidence about thesituacion in Spain. The study tries to demonstrate that some accountingpractices of several of the companies quoted in the Spanish Stock Exchangecould be qualified as earnings management.To carry out this study, the authors have analysed the accounts of the 35companies included in the stock market index IBEX 35. This index iscalculated with the share prices variations of the most importantcompanies quoted in the Spanish Stock Exchange.