Measuring ecological niche overlap from occurrence and spatial environmental data

1. Aim - Concerns over how global change will influence species distributions, in conjunction with increased emphasis on understanding niche dynamics in evolutionary and community contexts, highlight the growing need for robust methods to quantify niche differences between or within taxa. We propose a statistical framework to describe and compare environmental niches from occurrence and spatial environmental data.¦2. Location - Europe, North America, South America¦3. Methods - The framework applies kernel smoothers to densities of species occurrence in gridded environmental space to calculate metrics of niche overlap and test hypotheses regarding niche conservatism. We use this framework and simulated species with predefined distributions and amounts of niche overlap to evaluate several ordination and species distribution modeling techniques for quantifying niche overlap. We illustrate the approach with data on two well-studied invasive species.¦4. Results - We show that niche overlap can be accurately detected with the framework when variables driving the distributions are known. The method is robust to known and previously undocumented biases related to the dependence of species occurrences on the frequency of environmental conditions that occur across geographic space. The use of a kernel smoother makes the process of moving from geographical space to multivariate environmental space independent of both sampling effort and arbitrary choice of resolution in environmental space. However, the use of ordination and species distribution model techniques for selecting, combining and weighting variables on which niche overlap is calculated provide contrasting results.¦5. Main conclusions - The framework meets the increasing need for robust methods to quantify niche differences. It is appropriate to study niche differences between species, subspecies or intraspecific lineages that differ in their geographical distributions. Alternatively, it can be used to measure the degree to which the environmental niche of a species or intraspecific lineage has changed over time.

Scale-dependent adaptive evolution and morphological convergence to climatic niche in Californian eriogonoids (Polygonaceae)

Aim Macroevolutionary patterns and processes change substantially depending on levels of taxonomic and ecological organization, and the resolution of environmental and spatial variability. In comparative methods, the resolution of environmental and spatial variability often defines the number of selective regimes used to test whether phenotypic characteristics are adaptively correlated with the environment. Here, we examine how investigator choice of the number of selective regimes, determined by varying the resolution of among-species variability in the species climatic niche (hereafter called ecological scale'), influences trait morphological diversification among Eriogonoideae species. We assess whether adaptive or neutral processes drive the evolution of several morphological traits in these species. Location South-western North America. Methods We applied a phylogenetic framework of three evolutionary models to four morphological traits and the climatic niches of Eriogonoideae (in the buckwheat family, Polygonaceae). We tested whether morphological traits evolve in relation to climate by adaptive or neutral process, and whether the resulting patterns of morphological variability are conserved or convergent across the clade. We inspected adaptive models of evolution under different levels of resolution of among-species variability of the climatic niche. Results We show that morphological traits and climate niches of Eriogonoideae species are not phylogenetically conserved. Further, adaptive evolution of phenotypic traits is specific to climatic niche occupancy across this clade. Finally, the likely evolutionary process and the level of detectable niche conservatism change depending on the resolution of environmental variability of the climatic niche. Main conclusions Our study demonstrates the need to consider both the resolution of environmental variability and alternative evolutionary models to understand the morphological diversification that accompanies divergent adaptive evolution of lineages to climatic conditions.

Population consequences of environmental sex reversal.

When sex determination in a species is predominantly genetic but environmentally reversible, exposure to (anthropogenic) changes in the environment can lead to shifts in a population's sex ratio. Such scenarios may be common in many fishes and amphibians, yet their ramifications remain largely unexplored. We used a simple model to study the (short-term) population consequences of environmental sex reversal (ESR). We examined the effects on sex ratios, sex chromosome frequencies, and population growth and persistence after exposure to environmental forces with feminizing or masculinizing tendencies. When environmental feminization was strong, X chromosomes were driven to extinction. Analogously, extinction of normally male-linked genetic factors (e.g., Y chromosomes) was caused by continuous environmental masculinization. Although moderate feminization was beneficial for population growth in the absence of large viability effects, our results suggest that the consequences of ESR are generally negative in terms of population size and the persistence of sex chromosomes. Extreme sex ratios resulting from high rates of ESR also reduced effective population sizes considerably. This may limit any evolutionary response to the deleterious effects of ESR. Our findings suggest that ESR changes population growth and sex ratios in some counter-intuitive ways and can change the predominant factor in sex determination from genetic to fully environmental, often within only a few tens of generations. Populations that lose genetic sex determination may quickly go extinct if the environmental forces that cause sex reversal cease.

Paleoenvironmental evolution of the Helvetic shallow-water carbonate platform near the Barremian-Aptian boundary, and its relationship with paleoceanographic and paleoclimatic change in the Tethys

Abstract:During my doctoral research, I focused on deciphering the interactions between sea-level and climate change during the Late Barremian-Early Aptian, their expression in the Tethys basin and in the Helvetic carbonate platform. The research highlights are summarized here in three points: In the Helvetic Alps, the transition between the Lower Schrattenkalk (Upper Barremian) and the Rawil Member (Lowermost Aptian) is characterized by a change from a predominantly photozoan to a heterozoan carbonate-producing system, which coincides in time with a general increase in detrital and nutrient input. The clay mineral record shows the appearance of kaolinite within the Rawil Member, whereas this mineral is absent from the uppermost Lower and lowermost Upper Schrattenkalk Members. This indicates the installation of a warmer and more humid climate during this time period. A negative peak in 513C is recorded at the top of the Lower Schrattenkalk Member, and correlates with the well-known negative excursion of -l%o occurring in other basins and dated as latest Barremian, thus confirming a latest Barremian and earliest Aptian age for the Lower Schrattenkalk and Rawil Members, respectively. Furthermore, a sequence stratigraphie framework has been defined for the Rawil Member, based on both the ecology of faunal and floral assemblages, and their palaeoenvironmental interpretation, as well as on the stacking pattern of limestone beds observed during field prospection. The presence of a sequence boundary is postulated near the top of the Lower Schrattenkalk Member, which is correlated with the earliest Aptian SbAl defined in Vercors (France). The SbAl is characterized by a maximum of proximal assemblages and by the disappearance of several benthic foraminiferal species. Within the Rawil Member itself, the stacking pattern and microfacies trends are interpreted to represent the TST of the first Aptian sequence. With regards to the pelagic setting in the Tethyan realm, I investigated the Gorgo a Cerbara section (central Italy). There, thin organic-rich layers occur episodically in pelagic carbonates of the upper Barremian portion of the Maiolica Formation. They are associated with high Corg:Ptot ratios, which indicate the presence of intermittent dysoxic to anoxic conditions. Coarse correlations are also observed between TOC, Ρ and biogenic silica contents, indicating links between Ρ availability, productivity, and organic matter preservation. The corresponding 813Ccarb and δ180 records remain, however, quite stable, indicating that these brief periods of enhanced TOC preservation did not have sufficient impact on the marine carbon household to deviate 6,3C records, and are probably not the consequence of major climate change. On the other hand, organic-rich layers become more frequent around the Barremian-Aptian boundary in both pelagic and hemi-pelagic environments (Gorgo a Cerbara and La Bédoule, France), which are correlated with negative excursions in 6l3Ccarb and 613Corg records. During the earliest Aptian, at Gorgo a Cerbara, the frequency of organic-rich intervals progressively increases and redox-sensitive trace-element enrichments become more frequent, until the highest TOC-enriched level just below the "Livello Selli", indicator of Oceanic Anoxic Event la (OAEla). The latter is associated with the well-known negative spike in 613Ccarb and S,3Corg records, a diminution in the δ,80 record interpreted as the consequence of a wanning interval, an important peak in Ρ accumulation and high Cor::Ptot ratios indicating the prevalence of anoxic conditions. The Selli Level (OAEla) documents a general cooling phase and coincides with maximum RSTE enrichments as well as high Corg:Ptot ratios, which confirm the importance of anoxic conditions during OAE1 a at this site.During the Early Aptian, environmental change on the platform is expressed by orbitolinids proliferation that may be induced by both climate change and sea-level rise. In the basin, the successive black shales horizons from the Late Barremian until the OAE la are interpreted as the progressive impact of palaeoenvironmental change probably linked to the formation of the Ontong- Java plate-basalt plateau.RésuméCe travail de thèse a permis d'investiguer les interactions entre les variations du niveau marin et les changements climatiques sur la plate-forme helvétique ainsi qu'en domaine pélagique à la limite Barrémien-Aptien (Crétacé).Dans les Alpes helvétiques, la limite Barrémien-Aptien est marquée par la transition du Schrattenkalk inférieur, caractérisé par des carbonates photozaires, au Membre de Rawil caractérisé par des carbonates héterozoaires. Cette transition est marquée par une arrivée massive d'éléments détritiques et un apport de nutriments ayant entraîné la prolifération de foraminifères agglutinés tels que les orbitolines. L'analyse des minéraux argileux indique l'apparition de la kaolinite durant le Membre de Rawil, interprétée comme l'installation d'un climat plus chaud et humide. Un pic négatif en 513C est enregistré au sommet du Schrattenkalk inférieur correspond à l'excursion négative de -1%0 bien connue en domaine pélagique et datée comme Barrémien terminal. Cette corrélation apporte un contrôle chronostratigraphique supplémentaire permettant de dater le Schrattenkalk inférieur du Barrémien sup. et le Membre de Rawil de l'Aptien inf. D'autre part, une étude stratigraphique, basée sur des observations de terrain et sur l'interprétation d'assemblages floristiques et faunistiques en terme de paléoenvironnement a permis de mettre en évidence une limite de séquence au sommet du Schrattenkalk inf., corrélable avec la SbAl définie dans le Vercors. Durant la mise en place du Membre de Rawil, l'évolution des microfaciès est interprétée comme le « Transgressive System Tract » de la première séquence aptienne.En domaine pélagique, de minces couches riches en matière organique (MO) apparaissent dès le Barrémien sup. dans la coupe de Gorgo a Cerbara (Italie). Elles sont associées à un ratio C:P élevé indiquant des conditions épisodiquement dysoxiques à anoxiques. De plus, une corrélation nette entre Carbone Organique Total (TOC), phosphore (P) et silice biogénique est observée correspondant à un lien entre Ρ disponible, productivité et préservation de la MO. Pourtant, dans le même temps, le ÔI3C et le δ1βΟ restent constants indiquant des conditions environnementales stables et un cycle du carbone non perturbé par la préservation de MO qui ne serait pas la conséquence d'un changement climatique global mais juste d'un effet local.Ala limite Barrémien-Aptien, en domaine hémi-pélagique (La Bédoule, France) et pélagique (Gorgo a Cerbara), les couches riches en MO sont plus fréquentes et plus épaisses, elles se sont déposées en même temps qu'un pic négatif en 513CCARB et ô13Coib probablement dû à un épisode volcanique. A l'Aptien inf. le TOC des niveaux riches en MO augmente progressivement en même temps que la teneur en éléments traces jusqu'au dernier enrichissement avant l'événement anoxique océanique la (OAE la) correspondant au « niveau critique inf. », indiquant des conditions anoxiques moins restreintes. Celui-ci est également caractérisé par le fameux pic négatif en Ô13C (C3), une diminution du δ180 interprétée comme un réchauffement, par un pic en Ρ et un ratio C:P élevé. L'OAE 1 a, quant à lui, enregistre un refroidissement et coïncide avec le maximum en éléments traces ainsi qu'un fort ratio C:P mettant en valeur l'importance des conditions anoxiques pendant 1ΌΑΕ la dans cette coupe alors qu'aucune perturbation n'est enregistrés à La Bédoule probablement à cause de conditions paléogéographiques locales.Durant l'Aptien inf., les changements environnementaux sur la plate-forme se marquent par la prolifération d'orbitolines due à un changement climatique et une hausse du niveau marin. En domaine profond, la succession de niveaux riches en MO du Barrémien sup. jusqu'à l'OAE la documente l'impact progressif de changements paléoenvironnementaux, probablement liés à la formation du plateau d'Ontong Java à l'ouest de l'océan Pacifique.

Origin-related, environmental, sex, and age determinants of immunocompetence, susceptibility to ectoparasites, and disease symptoms in the barn owl

Knowledge of the role of origin-related, environmental, sex, and age factors on host defence mechanisms is important to understand variation in parasite intensity. Because alternative components of parasite defence may be differently sensitive to various factors, they may not necessarily covary. Many components should therefore be considered to tackle the evolution of host-parasite interactions. In a population of barn owls (Tyto alba), we investigated the role of origin-related, environmental (i.e. year, season, nest of rearing, and body condition), sex, and age factors on 12 traits linked to immune responses [humoral immune responses towards sheep red blood cells (SRBC), human serum albumin (HSA) and toxoid toxin TT, T-cell mediated immune response towards the mitogen phytohemagglutinin (PHA)], susceptibility to ectoparasites (number and fecundity of Carnus haemapterus, number of Ixodes ricinus), and disease symptoms (size of the bursa of Fabricius and spleen, proportion of proteins that are immunoglobulins, haematocrit and blood concentration in leucocytes). Cross-fostering experiments allowed us to detect a heritable component of variation in only four out of nine immune and parasitic parameters (i.e. SRBC- and HSA-responses, haematocrit, and number of C. haemapterus). However, because nestlings were not always cross-fostered just after hatching, the finding that 44% of the immune and parasitic parameters were heritable is probably an overestimation. These experiments also showed that five out of these nine parameters were sensitive to the nest environment (i.e. SRBC- and PHA-responses, number of C. haemapterus, haematocrit and blood concentration in leucocytes). Female nestlings were more infested by the blood-sucking fly C. haemapterus than their male nestmates, and their blood was less concentrated in leucocytes. The effect of year, season, age (i.e. reflecting the degree of maturation of the immune system), brood size, position in the within-brood age hierarchy, and body mass strongly differed between the 12 parameters. Different components of host defence mechanisms are therefore not equally heritable and sensitive to environmental, sex, and age factors, potentially explaining why most of these components did not covary.

Growth decrease in Alpine whitefish: investigating the relative contribution of fishing induced selection and environmental change and its implication for conservation measures

La pression exercée par les activités humaines menace pratiquement tous les écosystèmes aquatiques du globe. Ainsi, sous l'effet de divers facteurs tels que la pollution, le réchauffement climatique ou encore la pêche industrielle, de nombreuses populations de poissons ont vu leurs effectifs chuter et divers changements morphologiques ont été observés. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés à une menace particulière: la sélection induite par la pêche sur la croissance des poissons. En effet, la génétique des populations prédit que la soustraction régulière des individus les plus gros peut entraîner des modifications rapides de certains traits physiques comme la croissance individuelle. Cela a par ailleurs été observé dans de nombreuses populations marines ou lacustres, dont les populations de féras, bondelles et autres corégones des lacs suisses. Toutefois, malgré un nombre croissant d'études décrivant ce phénomène, peu de plans de gestion en tiennent compte, car l'importance des effets génétiques liés à la pêche est le plus souvent négligée par rapport à l'impact des changements environnementaux. Le but premier de cette étude a donc été de quantifier l'importance des facteurs génétiques et environnementaux. Dans le premier chapitre, nous avons étudié la population de palée du lac de Joux (Coregonus palaea). Nous avons déterminé les différentiels de sélection dus à la pêche, c'est-à-dire l'intensité de la sélection sur le taux de croissance, ainsi que les changements nets de croissance au cours du temps. Nous avons observé une baisse marquée de croissance et un différentiel de sélection important indiquant qu'au moins 30% de la diminution de croissance observée était due à la pression de sélection induite par la pêche. Dans le deuxième chapitre, nous avons effectué les mêmes analyses sur deux espèces proches du lac de Brienz (C. albellus et C. fatioi) et avons observé des effets similaires dont l'intensité était spécifique à chaque espèce. Dans le troisième chapitre, nous avons analysé deux autres espèces : C. palaea et C. confusus du lac de Bienne, et avons constaté que le lien entre la pression de sélection et la diminution de croissance était influencé par des facteurs environnementaux. Finalement, dans le dernier chapitre, nous avons étudié les effets potentiels de différentes modifications de la taille des mailles des filets utilisés pour la pêche à l'aide de modèles mathématiques. Nous concluons que la pêche a un effet génétique non négligeable (et donc peu réversible) sur la croissance individuelle dans les populations observée, que cet effet est lié à la compétition pour la nourriture et à la qualité de l'environnement, et que certaines modifications simples de la taille des mailles des filets de pêche pourraient nettement diminuer l'effet de sélection et ainsi ralentir, voir même renverser la diminution de croissance observée.

Environmental changes in the aftermath of Neoproterozoic glaciations: a biogeochemical study of sediments from SW-Gondwana

Abstract The late Neoproterozoic or Ediacaran period, (635 to -543 Ma) is a primordial time in the Earth history corresponding to the beginning of animal life and the most extreme ice ages on Earth. In this dissertation, palaeoenvironmental conditions were reconstructed for Ediacaran, post-Gaskiers shelf deposits in SW- Gondwana and their changes were evaluated according to the diversity of organisms. The present study addresses the question of interactions between biodiversity and environmental change by using the elemental and isotopic geochemistry of sedimentary rocks and associated organic matter, as well as the distribution of hydrocarbon biomarkers. The studied sedimentary sequences are from a large basin extended from the Paraguay belt to the Rio de la Plata craton, including the Corumbâ Group in SW-Brazil (Paraguay belt), the Arroyo del Soldado Group in Uruguay and the Sierras Bayas Group in Argentina (both in the Rio de la Plata craton). Several geochemical signatures of the sediments from Corumbâ and Sierras Bayas groups provides evidence for an euxinic setting in the Ediacaran Ocean: 1) The occurrence of syngenetic pyrite in the Corumbâ Group together with hydrocarbon biomarkers of an anoxic microbial consortium including traces of gammacerane, a distribution of hopanes with maxima at C29 as well as a low pristane/phytane (Pr/Ph) ratio; 2) the occurrence of 34S enrichments within sulfides of the Sierras Bayas Group exceeding the sulfur isotopic composition of coeval carbonate-associated sulfate. In the Arroyo del Soldado Group, an event of reducing conditions was revealed by higher concentrations of redox-sensitive trace elements and negative 513Ccar shifts in all sections. This event is extended to the whole unit in the deepest section and is restricted to tempestites in the two other shallow sections. The persistent negative. ôl3Ccar values recorded at the basinal setting implies strong isotopic gradient between shallow and deep water environments and therefore, a locus of deposition below the redox chemocline. In all studied sections, the excursions, the strong enrichment of authigenic trace-elements, the occurrence of longer chain «-alkanes, gammacerane and low Pr/Ph and Ph/>;-C]a ratios, combined with the previous sedimentological and paleontological observations indicate that the chemistry of the ocean was strongly controlled by the oxygen availability; waters being moderately oxic at the surface and anoxic at depth for much of the Neoproterozoic. This water column stratification was favourable to the storage of large amounts of nutrients in the deep ocean. During upwelling periods, the export of these nutrient-rich waters may have triggered an important bioproductivity in surface waters. Drops in Al3Cc,,.](Cr and positive ôl3Ccllr excursions highlight the increase in primary productivity. Preservation of organic carbon was ensured by reducing conditions at the bottom. The Al3ccar.kcr excursions could also reflect changes in the composition of the primary biomass. New geochemical evidence from SW-Gondwana sections supports a stratified Ediacaran ocean, outside restricted or hypersaline environments, in the aftermath of glaciations. The association of ocean stratification and the appearance of metazoans support the model that the evolution of eukaryotic life was related to the increase of oxygen levels in surface environments due to an efficient recycling of nutrients in the anoxic deep ocean. Résumé Le Néoprotérozoïque terminal, ou Édiacarien (635 à -543 Ma), est un période de première importance dans l'histoire de la Terre, car elle correspond a l'apparition des métazoaires pendant un intervalle de glaciations extrêmes. Le présent mémoire se propose de reconstituer les conditions paléoenvironnementales des dépôts de plateforme mis en place durant l'Édiacarien, au sud-ouest du Gondwana. Les interactions entre changements environnementaux et biodiversité sont évaluées en s'appuyant d'une part sur la composition élémentaire et isotopique des roches sédimentaires et de leur matière organique, et d'autre part sur la distribution moléculaire de biomarqueurs hydrocarbonés. Les séquences sédimentaires étudiées proviennent d'un grand bassin qui s'étend de la chaîne du Paraguay jusqu'au craton du Rio de la Plata. La séquence du Groupe Corumbâ au Sud Ouest du Brésil se situe dans la chaîne du Paraguay, tandis que le Groupe Arroyo del Soldado en Uruguay et le Groupe Sierras Bayas en Argentine sont situés sur le craton du Rio de la Plata. L'étude géochimique des sédiments des groupes Corumbâ et Sierras Bayas révèle de façon claire des conditions euxiniques dans l'océan édiacarien. On trouve ainsi, dans le Groupe Corumbâ, les biomarqueurs d'un cortège microbien anoxique et sulfurique comprenant des bactéries sulfato-réductrices, et dans les sulfures du Groupe Sierras Bayas, des enrichissements en Î4S excédant les rapports isotopiques du soufre dans le sulfate cogénétique associé aux carbonates. Dans la séquence de l'Arroyo del Soldado, un événement réducteur est mis en évidence par des teneurs plus élevées en éléments traces sensibles aux conditions redox et par des excursions négatives du 613Ccardans toutes les coupes. Cet événement affecte la totalité de la section la plus profonde et n'apparaît que dans les tempestites dans les sections les moins profondes. La persistance de valeurs négatives du ô13Ccarau large implique un gradient isotopique prononcé entre les environnements superficiels et profonds, et donc, ta présence d'une chémocline redox. Les excursions du. ôBCcar, l'enrichissement authigène en éléments traces, la présence de gammacérane et de rt-alcanes à longue chaîne, ainsi que de faibles rapports Pr/Ph et Ph/«-Cl8, viennent s'ajouter aux observations préliminaires sur la sédimentologie et la paléontologie pour indiquer que la chimie de l'océan était fortement contrôlée par la disponibilité d'oxygène, les eaux étant modérément oxiques à la surface et anoxiques en profondeur pendant la plus grande partie du Néoprotérozoïque. La stratification de la colonne d'eau était favorable au stockage de grandes quantités de nutriments dans l'océan profond. Dans les zones d'upwelling, la migration d'eaux profondes riches en nutriment vers la surface a pu provoquer une bioproductivité prononcée dans les eaux de surface. La conservation du carbone organique était assurée par les conditions anoxiques prévalant au fond. Les excursions du A13Ccar.kt.r pourraient aussi refléter des changements dans la biomasse primaire. Le présent travail apporte donc de nouvelles preuves qu'un océan stratifié s'est maintenu à la suite des glaciations néoprotérozoïques dans le Sud Ouest du Gondwana. L'association d'un océan stratifié et de l'apparition de la vie animale est en accord avec le modèle stipulant que l'évolution de la vie est associée à une meilleure oxygénation des environnements de surface. Résumé pour le grand public La période Ediacarienne (635 à -543 Ma) à la fin du Précambrien est l'une de plus énigmatiques dans l'histoire de la Terre, car elle est caractérisée par la diversification de la vie multicellulaire (eucaryote) pendant un intervalle de glaciations extrêmes. Dans ce travail de thèse, nous cherchons à déceler l'existence éventuelle d'un lien entre ces changements environnementaux et l'évolution de la vie eucaryote à travers une étude biogéochimique. La biogéochimie est l'étude des activités biologiques dans la géosphère, telles que celles intervenant dans les cycles des éléments chimiques (y compris les isotopes stables) et celles de production de composés carbonés caractérisant certains groups d'organismes ou taxons. La recherche des signatures paléoenvironnementales dans les roches précambriennes a été fortement facilitée par l'utilisation des biomarqueurs ou fossiles moléculaires. Ces composés, provenant des lipides biologiques (molécules avec des fonctions spécifiques dans les organismes), peuvent être reliés à des taxons spécifiques ou à des voies métaboliques. La transformation d'un biolipide en fossile moléculaire intervient lorsque des restes organiques déposés dans un substrat subissent un enfouissement et une augmentation de la pression (diagenèse). Ce processus mène à la formation de kérogène, un grand agrégat chimique de matière organique insoluble dans des solvants organiques, et de bitume ou fraction soluble (extractible) de la matière organique. L'analyse intégrée du kérogène et du bitume fournit des indications précieuses pour les reconstitutions paléoenvironnementales. Des conditions paléoenvironnementales ont ainsi été déterminées pour une plateforme marine Ediacarienne située dans la partie sud-américaine du bloc occidental du paléocontinent Gondwana. Les séquences sédimentaires étudiées appartiennent au même bassin qui s'étend de la ceinture du Paraguay (Groupe Corumbâ, Brésil) au craton du Rio de la Plata (Groupes Arroyo del Soldado, Uruguay et Sierras Bayas, Argentina). Nous nous sommes intéressés aux isotopes stables de carbonates et de la matière organique associée (kérogène et bitume), aux éléments majeurs et traces, ainsi qu'aux biomarqueurs caractérisant ces roches. Les résultats de cette dissertation suggèrent qu'au cours de l'Édiacarien, suite aux glaciations néoprotérozoïques dans le bloc occidental du Gondwana, l'océan était stratifié en zones spécifiques d'eaux riches en sulfures et dépourvues d'oxygène (euxiniques). L'association d'un océan stratifié et de l'apparition de la vie animale est en accord avec le modèle stipulant que l'évolution de la vie est associée à une meilleure oxygénation des environnements de surface. Les excursions isotopiques (tendance à des valeurs positives ou négatives) en constante fluctuation pour le carbone et très positives pour le soufre des sulfures, l'enrichissement en éléments trace et la présence de certains composés (e.g. gammacerane; Pr/Ph et Ph/«-Ci8 en basse proportion) conjugués aux observations sédimentologiques et paléontologiques des différents profils étudiés indiquent que la chimie de l'océan était fortement contrôlée par la disponibilité d'oxygène, avec des eaux modérément oxygénées en surface et euxiniques en profondeur pour la plupart du Néoprotérozoïque.

Geochemical evolution of active porphyry copper tailings impoundments : from alkaline deposition towards acidification

J. Smuda: Geochemical evolution of active porphyry copper tailings impoundments Thesis abstract Mine waste is the largest volume of materials handled in the world. The oxidation of sulfidic mine waste may result in the release of acid mine drainage (AMD) rich in heavy metals and arsenic to the environment, one of the major problems the mining industry is facing today. To control and reduce this environmental impact, it is crucial to identify the main geochemical and hydrological processes influencing contaminant liberation, transport, and retention. This thesis presents the results of a geochemical, mineralogical and stable isotope study (δ2H, δ18O, δ34S) from two active porphyry copper tailings impoundments in Mediterranean (Carén tailings impoundment, El Teniente mine, Central Chile) and hyper-arid climate (Talabre tailings impoundment, Chuquicamata, Northern Chile) from the deposition in alkaline environment (pH 10.5) towards acidification after several years of exposure. The major hydrological results were the identification of vertical contaminant and water transport in the uppermost, not water-saturated zone, triggered by capillary rise due to evaporation, and infiltration downwards due to new tailings deposition, and of horizontal transport in the groundwater zone. At the surface of the sedimented tailings, evaporation of pore water led to the precipitation of Na-Ca-Mg sulfates (e.g., gypsum, tenorite), in hyper-arid climate also halite. At the Carén tailings impoundment, renewed deposition in a 4-week interval inhibited a pH decrease below neutral values and the formation of an efflorescent salt crust. At the Talabre tailings impoundment, deposition breaks of several years resulted in the formation of acidic oxidation zones in the timeframe of less than 4 years. This process enabled the transport of liberated Cu, Zn, and Fe via capillary rise to the surface, where these metals precipitated as heavy-metal sulfates (e.g., devilline, krohnkite) and chlorides (eriochalcite, atacamite). Renewed depositing may dissolve efflorescent salts and transport liberated elements towards the groundwater zone. This zone was found to be highly dynamic due to infiltration and mixing with water from different sources, like groundwater, catchment water, and infiltration from superficial waters. There, Cu was found to be partially mobile due to complexation with Cl (in Cl-rich groundwater, Talabre) and dissolved organic matter (in zones with infiltration of catchment water rich in dissolved organic matter, Carén). A laboratory study on the isotopic fractionation of sulfur and oxygen of sulfate in different minerals groups (water-soluble sulfates, low- and high-crystalline Fe(III) oxyhydroxides) contributed to the use of stable isotopes as tracer of geochemical and transport processes for environmental studies. The results highlight that a detailed geochemical, stable isotope and mineralogical study permits the identification of contamination processes and pathways already during the deposition of mine tailings. This knowledge allows the early planning of adequate actions to reduce and control the environmental impact during tailings deposition and after the closing of the impoundment. J. Smuda: Geochemical evolution of active porphyry copper tailings impoundments Résumé de these Les déchets miniers constituent les plus grands volumes de matériel gérés dans le monde. L'oxydation des déchets miniers sulfuriques peut conduire à la libération de drainages miniers acides (DMA) riches en métaux et arsenic dans l'environnement, ce qui est l'un des principaux problèmes de l'industrie minière aujourd'hui. Pour contrôler et réduire ces impacts sur l'environnement, il est crucial d'identifier les principaux processus géochimiques et hydrologiques influençant la libération, le transport et la rétention des contaminants. Cette thèse présente les résultats d'une étude géochimique, minéralogique et des isotopes stables (δ2H, δ18O, δ34S) sur des déchets miniers de 2 sites de dépôt actifs en climat méditerranéen (Dépôt de déchets de Carén, mine de El Teniente, Centre du Chili) et en climat hyper-aride (Dépôt de déchets de Talabre, mine de Chuquicamata, Nord du Chili). L'objectif était d'étudier l'évolution des déchets de la déposition en milieu alcalin (pH = 10.5) vers l'acidification après plusieurs années d'exposition. Le principal résultat hydrologique a été l'identification de 2 types de transport : un transport vertical de l'eau et des contaminants dans la zone non saturée en surface, induit par la montée capillaire due à l'évaporation et par l'infiltration subséquente de la déposition de sédiments frais ; et un transport horizontal dans la zone des eaux souterraines. À la surface des déchets, l'évaporation de l'eau interstitielle conduit à la précipitation de sulfates de Na-Ca-Mg (ex. gypse, ténorite) et halite en climat hyper-aride. Dans le site de Carén, une nouvelle déposition de déchets frais à 4 semaines intervalle a empêché la baise du pH en deçà des valeurs neutres et la formation d'une croûte de sels efflorescentes en surface. Dans le site de Talabre, les fentes de dessiccation des dépôts ont entraîné la formation d'une zone d'oxydation à pH acide en moins de 4 ans. Ce processus a permis la libération et le transport par capillarité de Cu, Zn, Fe vers la surface, où ces éléments précipitent sous forme de sulfates de métaux lourds (ex., dévilline, krohnkite) de chlorures (ex. ériochalcite, atacamite). Une nouvelle déposition de sédiments frais pourrait dissoudre ces sels et les transporter vers la zone des eaux souterraines. Cette dernière zone était très dynamique en raison du mélange d'eaux provenant de différentes sources, comme les eaux souterraines, l'eau de captage et l'infiltration des eaux superficielles. Egalement dans cette zone, le cuivre était partiellement mobile à cause de la formation de complexe avec le chlore (dans les zone riche en Cl, Talabre) et avec la matière organique dissoute (dans les zones où s'infiltre l'eau de captage riche en matière organique, Carén). Une étude en laboratoire sur le fractionnement des isotopes stables de sulfure et d'oxygène des sulfates dans différents groupes de minéraux (sulfates hydrosolubles, sulfures de oxy-hydroxyde de Fe(III) faiblement ou fortement cristallins) a permis d'apporter une contribution à leur utilisation comme traceurs dans l'étude des processus géochimiques et de transport lors d'études environnementales. Les résultats montrent qu'une étude détaillée de la géochimie, des isotopes stables et de la minéralogie permet d'identifier les processus et les voies de contamination déjà pendant la période de dépôt des déchets miniers. Cette connaissance permet de planifier, dès le début de l'exploitation, des mesures adéquates pour réduire et contrôler l'impact sur l'environnement pendant la période de dépôts de déchets miniers et après la fermeture du site.

Ancient protostome origin of chemosensory ionotropic glutamate receptors and the evolution of insect taste and olfaction.

Ionotropic glutamate receptors (iGluRs) are a highly conserved family of ligand-gated ion channels present in animals, plants, and bacteria, which are best characterized for their roles in synaptic communication in vertebrate nervous systems. A variant subfamily of iGluRs, the Ionotropic Receptors (IRs), was recently identified as a new class of olfactory receptors in the fruit fly, Drosophila melanogaster, hinting at a broader function of this ion channel family in detection of environmental, as well as intercellular, chemical signals. Here, we investigate the origin and evolution of IRs by comprehensive evolutionary genomics and in situ expression analysis. In marked contrast to the insect-specific Odorant Receptor family, we show that IRs are expressed in olfactory organs across Protostomia--a major branch of the animal kingdom that encompasses arthropods, nematodes, and molluscs--indicating that they represent an ancestral protostome chemosensory receptor family. Two subfamilies of IRs are distinguished: conserved "antennal IRs," which likely define the first olfactory receptor family of insects, and species-specific "divergent IRs," which are expressed in peripheral and internal gustatory neurons, implicating this family in taste and food assessment. Comparative analysis of drosophilid IRs reveals the selective forces that have shaped the repertoires in flies with distinct chemosensory preferences. Examination of IR gene structure and genomic distribution suggests both non-allelic homologous recombination and retroposition contributed to the expansion of this multigene family. Together, these findings lay a foundation for functional analysis of these receptors in both neurobiological and evolutionary studies. Furthermore, this work identifies novel targets for manipulating chemosensory-driven behaviours of agricultural pests and disease vectors.

Genomic islands: tools of bacterial horizontal gene transfer and evolution.

Abstract Bacterial genomes evolve through mutations, rearrangements or horizontal gene transfer. Besides the core genes encoding essential metabolic functions, bacterial genomes also harbour a number of accessory genes acquired by horizontal gene transfer that might be beneficial under certain environmental conditions. The horizontal gene transfer contributes to the diversification and adaptation of microorganisms, thus having an impact on the genome plasticity. A significant part of the horizontal gene transfer is or has been facilitated by genomic islands (GEIs). GEIs are discrete DNA segments, some of which are mobile and others which are not, or are no longer mobile, which differ among closely related strains. A number of GEIs are capable of integration into the chromosome of the host, excision, and transfer to a new host by transformation, conjugation or transduction. GEIs play a crucial role in the evolution of a broad spectrum of bacteria as they are involved in the dissemination of variable genes, including antibiotic resistance and virulence genes leading to generation of hospital 'superbugs', as well as catabolic genes leading to formation of new metabolic pathways. Depending on the composition of gene modules, the same type of GEIs can promote survival of pathogenic as well as environmental bacteria.

On learning dynamics underlying the evolution of learning rules.

In order to understand the development of non-genetically encoded actions during an animal's lifespan, it is necessary to analyze the dynamics and evolution of learning rules producing behavior. Owing to the intrinsic stochastic and frequency-dependent nature of learning dynamics, these rules are often studied in evolutionary biology via agent-based computer simulations. In this paper, we show that stochastic approximation theory can help to qualitatively understand learning dynamics and formulate analytical models for the evolution of learning rules. We consider a population of individuals repeatedly interacting during their lifespan, and where the stage game faced by the individuals fluctuates according to an environmental stochastic process. Individuals adjust their behavioral actions according to learning rules belonging to the class of experience-weighted attraction learning mechanisms, which includes standard reinforcement and Bayesian learning as special cases. We use stochastic approximation theory in order to derive differential equations governing action play probabilities, which turn out to have qualitative features of mutator-selection equations. We then perform agent-based simulations to find the conditions where the deterministic approximation is closest to the original stochastic learning process for standard 2-action 2-player fluctuating games, where interaction between learning rules and preference reversal may occur. Finally, we analyze a simplified model for the evolution of learning in a producer-scrounger game, which shows that the exploration rate can interact in a non-intuitive way with other features of co-evolving learning rules. Overall, our analyses illustrate the usefulness of applying stochastic approximation theory in the study of animal learning.

Evolution and functional characterisation of the IR chemosensory receptors in the Drosophila larval gustatory system

Chemosensory receptor gene families encode divergent proteins capable of detecting a huge diversity of environmental stimuli that are constantly changing over evolutionary time as organisms adapt to distinct ecological niches. While olfaction is dedicated to the detection of volatile compounds, taste is key to assess food quality for nutritional value and presence of toxic substances. The sense of taste also provides initial signals to mediate endocrine regulation of appetite and food metabolism and plays a role in kin recognition. The fruit fly Drosophila melanogaster is a very good model for studying smell and taste because these senses are very important in insects and because a broad variety of genetic tools are available in Drosophila. Recently, a family of 66 chemosensory receptors, the Ionotropic Receptors (IRs) was described in fruit flies. IRs are distantly related to ionotropic glutamate receptors (iGluRs), but their evolutionary origin from these synaptic receptors is unclear. While 16 IRs are expressed in the olfactory system, nothing is known about the other members of this repertoire. In this thesis, I describe bioinformatic, expression and functional analyses of the IRs aimed at understanding how these receptors have evolved, and at characterising the role of the non-olfactory IRs. I show that these have emerged at the basis of the protostome lineage and probably have acquired their sensory function very early. Moreover, although several IRs are conserved across insects, there are rapid and dramatic changes in the size and divergence of IR repertoires across species. I then performed a comprehensive analysis of IR expression in the larva of Drosophila melanogaster, which is a good model to study taste and feeding mechanisms as it spends most of its time eating or foraging. I found that most of the divergent members of the IR repertoire are expressed in both peripheral and internal gustatory neurons, suggesting that these are involved in taste perception. Finally, through the establishment of a new neurophysiological assay in larvae, I identified for the first time subsets of IR neurons that preferentially detect sugars and amino acids, indicating that IRs might be involved in sensing these compounds. Together, my results indicate that IRs are an evolutionarily dynamic and functionally versatile family of receptors. In contrast to the olfactory IRs that are well-conserved, gustatory IRs are rapidly evolving species-specific receptors that are likely to be involved in detecting a wide variety of tastants. - La plupart des animaux possèdent de grandes familles de récepteurs chimiosensoriels dont la fonction est de détecter l'immense diversité de composés chimiques présents dans l'environnement. Ces récepteurs évoluent en même temps que les organismes s'adaptent à leur écosystème. Il existe deux manières de percevoir ces signaux chimiques : l'olfaction et le goût. Alors que le système olfactif perçoit les composés volatiles, le sens du goût permet d'évaluer, par contact, la qualité de la nourriture, de détecter des substances toxiques et de réguler l'appétit et le métabolisme. L'un des organismes modèles les plus pertinents pour étudier le sens du goût est le stade larvaire de la mouche du vinaigre Drosophila melanogaster. En effet, la principale fonction du stade larvaire est de trouver de la nourriture et de manger. De plus, il est possible d'utiliser tous les outils génétiques développés chez la drosophile. Récemment, une nouvelle famille de 66 récepteurs chimiosensoriels appelés Récepteurs Ionotropiques (IRs) a été découverte chez la drosophile. Bien que leur orogine soit peu claire, ces récepteurs sont similaires aux récepteurs ionotropiques glutamatergiques impliqués dans la transmission synaptique. 16 IRs sont exprimés dans le système olfactif de la mouche adulte, mais pour l'instant on ne connaît rien des autres membres de cette famille. Durant ma thèse, j'ai effectué des recherches sur l'évolution de ces récepteurs ainsi que sur l'expression et la fonction des IRs non olfactifs. Je démontre que les IRs sont apparus chez l'ancêtre commun des protostomiens et ont probablement acquis leur fonction sensorielle très rapidement. De plus, bien qu'un certain nombre d'IRs olfactifs soient conservés chez les insectes, d'importantes variations dans la taille et la divergence des répertoires d'IRs entre les espèces ont été constatées. J'ai également découvert qu'un grand nombre d'IRs non olfactifs sont exprimés dans différents organes gustatifs, ce qui leur confère probablement une fonction dans la perception des goûts. Finalement, pour la première fois, des neurones exprimant des IRs ont été identifiés pour leur fonction dans la perception de sucres et d'acides aminés chez la larve. Mes résultats présentent les IRs comme une famille très dynamique, aux fonctions très variées, qui joue un rôle tant dans l'odorat que dans le goût, et dont la fonction est restée importante tout au long de l'évolution. De plus, l'identification de neurones spécialisés dans la perception de certains composés permettra l'étude des circuits neuronaux impliqués dans le traitement de ces informations.

Elemental (C/N ratios) and isotopic (δ15N(org), δ13C(org)) compositions of sedimentary organic matter from a high-altitude mountain lake (Meidsee, 2661 m a.s.l., Switzerland): Implications for Lateglacial and Holocene Alpine landscape evolution

The deposition of Late Pleistocene and Holocene sediments in the high-altitude lake Meidsee (located at an altitude of 2661 m a.s.l. in the Southwestern Alps) strikingly coincided with global ice-sheet and mountain-glacier decay in the Alpine forelands and the formation of perialpine lakes. Radiocarbon ages of bottom-core sediments point out (pre-) Holocene ice retreat below 2700 m a.s.l., at about 16, 13, 10, and 9 cal. kyr BP. The Meidsee sedimentary record therefore provides information about the high-altitude Alpine landscape evolution since the Late Pleistocene/Holocene deglaciation in the Swiss Southwestern Alps. Prior to 5 cal. kyr BP, the C/N ratio and the isotopic composition of sedimentary organic matter (delta N-15(org), delta C-13(org)) indicate the deposition of algal-derived organic matter with limited input of terrestrial organic matter. The early Holocene and the Holocene climatic optimum (between 7.0 and 5.5 cal. kyr BP) were characterized by low erosion (decreasing magnetic susceptibility, chi) and high content of organic matter (C-org > 13 wt.%), enriched in C-13(org) (>-18 parts per thousand) with a low C/N (similar to 10) ratio, typical of modern algal matter derived from in situ production. During the late Holocene, there was a long-term increasing contribution of terrestrial organic matter into the lake (C/N > 11), with maxima between 2.4 and 0.9 cal. kyr BP. A major environmental change took place 800 years ago, with an abrupt decrease in the relative contribution of terrestrial organic material into the lake compared with aquatic organic material which subsequently largely dominated (C/N drop from 16 to 10). Nonetheless, this event was marked by a rise in soil erosion (chi), in nutrients input (N and P contents) and in anthropogenic lead deposition, suggesting a human disturbance of Alpine ecosystems 800 years ago. Indeed, this time period coincided with the migration of the Walser Alemannic people in the region, who settled at relatively high altitude in the Southwestern Alps for farming and maintaining Alpine passes.

Unexpected genomic variability in clinical and environmental strains of the pathogenic yeast Candida parapsilosis

Invasive candidiasis is the most commonly reported invasive fungal infection worldwide. Although Candida albicans remains the main cause, the incidence of emerging Candida species, such as C. parapsilosis is increasing. It has been postulated that C. parapsilosis clinical isolates result from a recent global expansion of a virulent clone. However, the availability of a single genome for this species has so far prevented testing this hypothesis at genomic scales. We present here the sequence of three additional strains from clinical and environmental samples. Our analyses reveal unexpected patterns of genomic variation, shared among distant strains, that argue against the clonal expansion hypothesis. All strains carry independent expansions involving an arsenite transporter homolog, pointing to the existence of directional selection in the environment, and independent origins of the two clinical isolates. Furthermore, we report the first evidence for the existence of recombination in this species. Altogether, our results shed new light onto the dynamics of genome evolution in C. parapsilosis.

Searching for sex-reversals to explain population demography and the evolution of sex chromosomes.

Sex determination can be purely genetic (as in mammals and birds), purely environmental (as in many reptiles), or genetic but reversible by environmental factors during a sensitive period in life, as in many fish and amphibians (Wallace et al. 1999; Baroiller et al. 2009a; Stelkens & Wedekind 2010). Such environmental sex reversal (ESR) can be induced, for example, by temperature changes or by exposure to hormone-active substances. ESR has long been recognized as a means to produce more profitable single-sex cultures in fish farms (Cnaani & Levavi-Sivan 2009), but we know very little about its prevalence in the wild. Obviously, induced feminization or masculinization may immediately distort population sex ratios, and distorted sex ratios are indeed reported from some amphibian and fish populations (Olsen et al. 2006; Alho et al. 2008; Brykov et al. 2008). However, sex ratios can also be skewed by, for example, segregation distorters or sex-specific mortality. Demonstrating ESR in the wild therefore requires the identification of sex-linked genetic markers (in the absence of heteromorphic sex chromosomes) followed by comparison of genotypes and phenotypes, or experimental crosses with individuals who seem sex reversed, followed by sexing of offspring after rearing under non-ESR conditions and at low mortality. In this issue, Alho et al. (2010) investigate the role of ESR in the common frog (Rana temporaria) and a population that has a distorted adult sex ratio. They developed new sex-linked microsatellite markers and tested wild-caught male and female adults for potential mismatches between phenotype and genotype. They found a significant proportion of phenotypic males with a female genotype. This suggests environmental masculinization, here with a prevalence of 9%. The authors then tested whether XX males naturally reproduce with XX females. They collected egg clutches and found that some had indeed a primary sex ratio of 100% daughters. Other clutches seemed to result from multi-male fertilizations of which at least one male had the female genotype. These results suggest that sex-reversed individuals affect the sex ratio in the following generation. But how relevant is ESR if its prevalence is rather low, and what are the implications of successful reproduction of sex-reversed individuals in the wild?