Altruism, spite and choosy females

Natural selection favours the genes which are able to introduce replicates of themselves in the next generation with higher certainty than do rival genes (Hamilton 1963). The fitness of an individual, it?s ability to produce future parents, depends on it?s own behaviour as well as on the behaviour of other individuals in the population. For instance, the intensity of competition an individual experience depends on the exploitation of resources by neighbours. The fitness is thus frequency dependent on what neighbours do. Behaviours can be classified according to the costs and benefits they have on the fitness of the behaver and it?s neighbours (Hamilton 1964, Hamilton 1975). According to this classification there exist four distinct social behaviours. (1) A gene confering the ability to use a new ressource is called selfish because it has a positive e_ect on the bearer of the gene but a negative e_ect on neighbours by the concomitant increase in competition. (2) An altruistic behaviour is defined as an action where an individual increases the fitness of a neighbour at the expense of it?s own. The e_ect is deleterious for the actor but positive for the receptor. (3) More surprinsingly, an individual might sacrifice a fraction of it?s ressources to harm another at no direct benefits. This spitefull behaviour incurs a cost for the actor but is also deleterious for the receptor. (4) Finally a cooperative behaviour breeds benefits for both actors and neighbours. In this thesis I will continue on the path traced by numerous evolutionnary biologist which attempt to fine tune our understanding of the evolution of social behaviours since Hamilton?s foundation (1963, 1964). A critical development over the last 40 years has been the realisation that competition between kin can partly or completely cancel out the role of relatedness as an agent favouring altruism (Wilson et al., 1992; Taylor, 1992a,b). Of importance is thus to determine the scale at which competition and altruism occur. One mechanism avoiding the complete dilution of relatedness by competition is the conditionnal expression of the social behaviors. Focus will be given in this thesis at the role played by di_erent recognition mechanism in paving the way to altruism (Komdeur and Hatchwell, 1999) when the population has a spatial structure. Further, the evolution of spite will also be considered in these settings. The thesis is fractionated into two parts. First, di_erent models promoting altruism cooperation and spite will be compared under the same theoretical umbrella. This is a rather informal and more personnal part of my thesis. It also serve as a justification and basis to "Altruism among kin and non-kin individuals" which is an article attempting to clas- sify the mechanisms leading to altruism and cooperation. Second, in the annexe, there are three research papers about kin selection, altruism and dispersal: "Is sociality driven by the costs of dispersal or the benefits of philopatry?: A role for kin-discrimination mechanism", "Altruism, dispersal and phenotype kin recognition" and "Inbreeding avoidance through kin recognition: choosy female boost male dispersal" this last paper incorporates kin recognition as an agent favoring sex-biased dispersal.

Linking landscape- and population ecology for large population management modelling: the case of Ibex (capra ibex) in Switzerland

La biologie de la conservation est communément associée à la protection de petites populations menacées d?extinction. Pourtant, il peut également être nécessaire de soumettre à gestion des populations surabondantes ou susceptibles d?une trop grande expansion, dans le but de prévenir les effets néfastes de la surpopulation. Du fait des différences tant quantitatives que qualitatives entre protection des petites populations et contrôle des grandes, il est nécessaire de disposer de modèles et de méthodes distinctes. L?objectif de ce travail a été de développer des modèles prédictifs de la dynamique des grandes populations, ainsi que des logiciels permettant de calculer les paramètres de ces modèles et de tester des scénarios de gestion. Le cas du Bouquetin des Alpes (Capra ibex ibex) - en forte expansion en Suisse depuis sa réintroduction au début du XXème siècle - servit d?exemple. Cette tâche fut accomplie en trois étapes : En premier lieu, un modèle de dynamique locale, spécifique au Bouquetin, fut développé : le modèle sous-jacent - structuré en classes d?âge et de sexe - est basé sur une matrice de Leslie à laquelle ont été ajoutées la densité-dépendance, la stochasticité environnementale et la chasse de régulation. Ce modèle fut implémenté dans un logiciel d?aide à la gestion - nommé SIM-Ibex - permettant la maintenance de données de recensements, l?estimation automatisée des paramètres, ainsi que l?ajustement et la simulation de stratégies de régulation. Mais la dynamique d?une population est influencée non seulement par des facteurs démographiques, mais aussi par la dispersion et la colonisation de nouveaux espaces. Il est donc nécessaire de pouvoir modéliser tant la qualité de l?habitat que les obstacles à la dispersion. Une collection de logiciels - nommée Biomapper - fut donc développée. Son module central est basé sur l?Analyse Factorielle de la Niche Ecologique (ENFA) dont le principe est de calculer des facteurs de marginalité et de spécialisation de la niche écologique à partir de prédicteurs environnementaux et de données d?observation de l?espèce. Tous les modules de Biomapper sont liés aux Systèmes d?Information Géographiques (SIG) ; ils couvrent toutes les opérations d?importation des données, préparation des prédicteurs, ENFA et calcul de la carte de qualité d?habitat, validation et traitement des résultats ; un module permet également de cartographier les barrières et les corridors de dispersion. Le domaine d?application de l?ENFA fut exploré par le biais d?une distribution d?espèce virtuelle. La comparaison à une méthode couramment utilisée pour construire des cartes de qualité d?habitat, le Modèle Linéaire Généralisé (GLM), montra qu?elle était particulièrement adaptée pour les espèces cryptiques ou en cours d?expansion. Les informations sur la démographie et le paysage furent finalement fusionnées en un modèle global. Une approche basée sur un automate cellulaire fut choisie, tant pour satisfaire aux contraintes du réalisme de la modélisation du paysage qu?à celles imposées par les grandes populations : la zone d?étude est modélisée par un pavage de cellules hexagonales, chacune caractérisée par des propriétés - une capacité de soutien et six taux d?imperméabilité quantifiant les échanges entre cellules adjacentes - et une variable, la densité de la population. Cette dernière varie en fonction de la reproduction et de la survie locale, ainsi que de la dispersion, sous l?influence de la densité-dépendance et de la stochasticité. Un logiciel - nommé HexaSpace - fut développé pour accomplir deux fonctions : 1° Calibrer l?automate sur la base de modèles de dynamique (par ex. calculés par SIM-Ibex) et d?une carte de qualité d?habitat (par ex. calculée par Biomapper). 2° Faire tourner des simulations. Il permet d?étudier l?expansion d?une espèce envahisseuse dans un paysage complexe composé de zones de qualité diverses et comportant des obstacles à la dispersion. Ce modèle fut appliqué à l?histoire de la réintroduction du Bouquetin dans les Alpes bernoises (Suisse). SIM-Ibex est actuellement utilisé par les gestionnaires de la faune et par les inspecteurs du gouvernement pour préparer et contrôler les plans de tir. Biomapper a été appliqué à plusieurs espèces (tant végétales qu?animales) à travers le Monde. De même, même si HexaSpace fut initialement conçu pour des espèces animales terrestres, il pourrait aisément être étndu à la propagation de plantes ou à la dispersion d?animaux volants. Ces logiciels étant conçus pour, à partir de données brutes, construire un modèle réaliste complexe, et du fait qu?ils sont dotés d?une interface d?utilisation intuitive, ils sont susceptibles de nombreuses applications en biologie de la conservation. En outre, ces approches peuvent également s?appliquer à des questions théoriques dans les domaines de l?écologie des populations et du paysage.<br/><br/>Conservation biology is commonly associated to small and endangered population protection. Nevertheless, large or potentially large populations may also need human management to prevent negative effects of overpopulation. As there are both qualitative and quantitative differences between small population protection and large population controlling, distinct methods and models are needed. The aim of this work was to develop theoretical models to predict large population dynamics, as well as computer tools to assess the parameters of these models and to test management scenarios. The alpine Ibex (Capra ibex ibex) - which experienced a spectacular increase since its reintroduction in Switzerland at the beginning of the 20th century - was used as paradigm species. This task was achieved in three steps: A local population dynamics model was first developed specifically for Ibex: the underlying age- and sex-structured model is based on a Leslie matrix approach with addition of density-dependence, environmental stochasticity and culling. This model was implemented into a management-support software - named SIM-Ibex - allowing census data maintenance, parameter automated assessment and culling strategies tuning and simulating. However population dynamics is driven not only by demographic factors, but also by dispersal and colonisation of new areas. Habitat suitability and obstacles modelling had therefore to be addressed. Thus, a software package - named Biomapper - was developed. Its central module is based on the Ecological Niche Factor Analysis (ENFA) whose principle is to compute niche marginality and specialisation factors from a set of environmental predictors and species presence data. All Biomapper modules are linked to Geographic Information Systems (GIS); they cover all operations of data importation, predictor preparation, ENFA and habitat suitability map computation, results validation and further processing; a module also allows mapping of dispersal barriers and corridors. ENFA application domain was then explored by means of a simulated species distribution. It was compared to a common habitat suitability assessing method, the Generalised Linear Model (GLM), and was proven better suited for spreading or cryptic species. Demography and landscape informations were finally merged into a global model. To cope with landscape realism and technical constraints of large population modelling, a cellular automaton approach was chosen: the study area is modelled by a lattice of hexagonal cells, each one characterised by a few fixed properties - a carrying capacity and six impermeability rates quantifying exchanges between adjacent cells - and one variable, population density. The later varies according to local reproduction/survival and dispersal dynamics, modified by density-dependence and stochasticity. A software - named HexaSpace - was developed, which achieves two functions: 1° Calibrating the automaton on the base of local population dynamics models (e.g., computed by SIM-Ibex) and a habitat suitability map (e.g. computed by Biomapper). 2° Running simulations. It allows studying the spreading of an invading species across a complex landscape made of variously suitable areas and dispersal barriers. This model was applied to the history of Ibex reintroduction in Bernese Alps (Switzerland). SIM-Ibex is now used by governmental wildlife managers to prepare and verify culling plans. Biomapper has been applied to several species (both plants and animals) all around the World. In the same way, whilst HexaSpace was originally designed for terrestrial animal species, it could be easily extended to model plant propagation or flying animals dispersal. As these softwares were designed to proceed from low-level data to build a complex realistic model and as they benefit from an intuitive user-interface, they may have many conservation applications. Moreover, theoretical questions in the fields of population and landscape ecology might also be addressed by these approaches.

Contribution à la connaissance du métabolisme secondaire des Thymelaeaceae et investigation phytochimique de l'une d'elles: "Gnidia involucrata" Steud. ex A. Rich

Dans le but de mieux connaître le métabolisme secondaire de la famille des Thymelaeaceae et de découvrir de nouveaux composés naturels à intérêt thérapeutique, 30 extraits provenant de 8 espèces africaines ont été soumis à un criblage chimique et biologique. Les cibles biologiques suivantes ont servi à l?évaluation de l?activité des extraits étudiés : la moisissure phytopathogène Cladosporium cucumerinum, la levure commensale Candida albicans, la bactérie opportuniste Bacillus subtilis, la larve du moustique vecteur de la fièvre jaune Aedes aegypti et l?hôte intermédiaire mollusque de la schistosomiase urinaire Biomphalaria glabrata. Les propriétés antiradicalaires et inhibitrices de l?acétylcholinestérase de ces extraits ont également été dépistées. Des analyses sur CCM avec révélation chimique, ainsi que des expériences LC/DAD-UV, ont permis demettre en évidence la présence de tanins, de flavonoïdes et de xanthones dans les extraits polaires. Sur la base des résultats de ces analyses préliminaires, l?investigation phytochimique des extraits méthanoliques des racines et des parties aériennes de Gnidia involucrata a été entreprise. Cette démarche a permis l?isolement de 8 composés naturels et leur caractérisation complète au moyen de méthodes spectroscopiques (UV, MS, CD, 1H- et 13C-NMR). Les activités de ces produits purs ont été évaluées et il est apparu qu?ils possédaient presque tous des propriétés antiradicalaires intéressantes, supérieures à celles du BHT, un antioxydant de synthèse (E 321) utilisé dans l?industrie alimentaire. Deux benzophénones simples, respectivement O- et C-glucosylées, ont été isolées des parties aériennes de G. involucrata au côté de la mangiférine, une C-glycosylxanthone ubiquitaire. Ces découvertes sont remarquables à plusieurs titres : (1) les benzophénones simples (nonprénylées) sont très rares dans la nature ; (2) c?est la première fois qu?une Oglycosylbenzophénone a été décrite ; (3) aucune xanthone n?avait été mise en évidence auparavant dans la famille et (4) les benzophénones semblent ne pas être que des produits intermédiaires dans la biosynthèse des xanthones. Trois 3,8??-biflavanones du type GB ont été isolées des racines et des parties aériennes de la même plante, dont deux stéréoisomères se trouvant en mélange. Une analyse LC/CD a permis d?attribuer les configurations absolues des quatre carbones asymétriques de chaque molécule. Cette classe de métabolites secondaires est réputée pour ses propriétés analgésiques et sa présence chez les Thymelaeaceae est prometteuse. Des techniques couplées de pointe ont été utilisées dans ce travail et ont montré leur apport inestimable dans le domaine de la recherche phytochimique. Une analyse LC/ MSn a ainsi permis de mettre en évidence on-line trois C-glycosylflavones ? l?isoorientine, l?isovitexine et la vitexine ? dans les extraits méthanoliques bruts de G. involucrata. De plus, les parties aériennes de cette même plante ont servi de matériel pour le développement d?une nouvelle méthode d?analyse d?extraits bruts : la LC/1H-NMR time-slice. Cette approche consiste à « découper » le temps d?analyse par des interruptions régulières du flux LC, durant lesquelles les données NMR nécessaires sont acquises. Le problème de la faible sensibilité relative de la LC/NMR a été partiellement résolu par ce biais et a permis d?envisager l?utilisation de la NMR au sein de systèmes de couplages multiples en série avec d?autres méthodes spectrales (UV, MS, IR, CD,?).<br/><br/>With the aim of acquiring a better knowledge of the secondary metabolism of the family Thymelaeaceae and of the discovering of new natural therapeutics, 30 extracts from 8 African plant species were submitted to chemical and biological screening. The following biological targets were used to estimate the activity of the extracts under study: the phytopathogenic fungus Cladosporium cucumerinum, the commensal yeast Candida albicans, the opportunistic bacteria Bacillus subtilis, larvae of the yellow fever-transmitting mosquito Aedes aegypti and the intermediate snail host of urinary schistosomiasis Biomphalaria glabrata. The antiradical and acetylcholinesterase-inhibiting properties of these extracts were also investigated. TLC analyses followed by chemical detection, together with LC/DAD-UV experiments, showed the presence of tannins, flavonoids and xanthones in the polar extracts. On the basis of these results, a phytochemical investigation of the methanol extracts of the roots and the aerial parts of Gnidia involucrata was undertaken. This procedure led to the isolation of 8 natural products, which were then characterised by spectroscopic means (UV, MS, CD, 1H- and 13C-NMR). The activities of the pure compounds were then further evaluated: almost all of them exhibited very interesting antiradical properties, superior to those of BHT, a synthetic antioxidant (E 321) used in the food industry. Two simple benzophenones, one O- and one C-glycosylated, were isolated from the aerial parts of G. involucrata, together with mangiferin, a ubiquitous C-glycosylxanthone. These findings are of multiple importance: (1) simple (non-prenylated) benzophenones are very rare in nature; (2) it is the first time that an O-glycosylbenzophenone has been described; (3) no xanthones have been previously reported in the family and (4) benzophenones do not seem to be exclusive intermediates in the biosynthesis of xanthones. Three 3,8??-biflavanones of the GB type were isolated from the roots and the aerial parts of the same plant, among them two stereoisomers in mixture. A LC/CD analysis allowed the assignment of the absolute configurations of all four stereocenters in both molecules. This class of secondary metabolite is well known for its analgesic properties and its presence in the Thymelaeaceae is very promising. Advanced hyphenated techniques were used in this work and showed their inestimable contribution to the field of phytochemical research. A LC/MSn analysis, for example, allowed the on-line characterisation of three C-glycosylflavones ? isoorientin, isovitexin and vitexin ? in the crude methanol extracts of G. involucrata. Furthermore, the aerial parts of this plant were used as material for the development of a new analytical method for crude plant extracts: time-slice LC/1H-NMR. This approach consisted in "slicing" the analytical procedure by interrupting the LC flow at given intervals, during which the necessary NMR data were acquired. The relative lack of sensitivity of LC/NMR was partially surmounted by this means, allowing one to envisage the use of NMR in a multiple hyphenated system, together with other spectroscopic methods (UV, MS, IR, CD,?)