Wave propagation in a medium with disordered excitability

The effect of quenched disorder on the propagation of autowaves in excitable media is studied both experimentally and numerically in relation to the light-sensitive Belousov-Zhabotinsky reaction. The spatial disorder is introduced through a random distribution with two different levels of transmittance. In one dimension the (time-averaged) wave speed is smaller than the corresponding to a homogeneous medium with the mean excitability. Contrarily, in two dimensions the velocity increases due to the roughening of the front. Results are interpreted using kinematic and scaling arguments. In particular, for d = 2 we verify a theoretical prediction of a power-law dependence for the relative change of the propagation speed on the disorder amplitude.

Regular wave propagation out of noise in chemical active media

A pacemaker, regularly emitting chemical waves, is created out of noise when an excitable photosensitive Belousov-Zhabotinsky medium, strictly unable to autonomously initiate autowaves, is forced with a spatiotemporal patterned random illumination. These experimental observations are also reproduced numerically by using a set of reaction-diffusion equations for an activator-inhibitor model, and further analytically interpreted in terms of genuine coupling effects arising from parametric fluctuations. Within the same framework we also address situations of noise-sustained propagation in subexcitable media.

Dynamics of turing patterns under spatiotemporal forcing

We study, both theoretically and experimentally, the dynamical response of Turing patterns to a spatiotemporal forcing in the form of a traveling-wave modulation of a control parameter. We show that from strictly spatial resonance, it is possible to induce new, generic dynamical behaviors, including temporally modulated traveling waves and localized traveling solitonlike solutions. The latter make contact with the soliton solutions of Coullet [Phys. Rev. Lett. 56, 724 (1986)] and generalize them. The stability diagram for the different propagating modes in the Lengyel-Epstein model is determined numerically. Direct observations of the predicted solutions in experiments carried out with light modulations in the photosensitive chlorine dioxide-iodine-malonic acid reaction are also reported.

Travelling-stripe forcing generates hexagonal patterns

We study the response of Turing stripe patterns to a simple spatiotemporal forcing. This forcing has the form of a traveling wave and is spatially resonant with the characteristic Turing wavelength. Experiments conducted with the photosensitive chlorine dioxide-iodine-malonic acid reaction reveal a striking symmetry-breaking phenomenon of the intrinsic striped patterns giving rise to hexagonal lattices for intermediate values of the forcing velocity. The phenomenon is understood in the framework of the corresponding amplitude equations, which unveils a complex scenario of dynamical behaviors.

Spatiotemporal order out of noise

Experimental observations of self-organized behavior arising out of noise are also described, and details on the numerical algorithms needed in the computer simulation of these problems are given.

Phase separation dynamics under stirring

Phase separation dynamics in the presence of externally imposed stirring is studied. The stirring is assumed independent of the concentration and it is generated with a well-defined energy spectrum. The domain growth process is either favored or frozen depending on the intensity and correlation length of this advective flow. This behavior is explained by analytical arguments.

External Fluctuations in Front Propagation

We study the effects of external noise in a one-dimensional model of front propagation. Noise is introduced through the fluctuations of a control parameter leading to a multiplicative stochastic partial differential equation. Analytical and numerical results for the front shape and velocity are presented. The linear-marginal-stability theory is found to increase its range of validity in the presence of external noise. As a consequence noise can stabilize fronts not allowed by the deterministic equation.

Fingerlike aggregates in thin-layer electrodeposition

Electrodeposition experiments conducted in a thin-layer horizontal cell containing a nonbinary aqueous electrolyte prepared with cupric sulfate and sodium sulfate gave rise to fingerlike deposits, a novel and unexpected growth mode in this context. Both the leading instability from which fingers emerge and some distinctive features of their steady evolution are interpreted in terms of a simple model based on the existing theory of fingering in fluids.

Diffusive transport in spatially periodic hydrodynamic flows

We calculate the effective diffusion coefficient in convective flows which are well described by one spatial mode. We use an expansion in the distance from onset and homogenization methods to obtain an explicit expression for the transport coefficient. We find that spatially periodic fluid flow enhances the molecular diffusion D by a term proportional to D-1. This enhancement should be easy to observe in experiments, since D is a small number.

Traveling waves and nonequilibrium stationary patterns in two-component reactive Langmuir monolayers

A simple kinetic model of a two-component phase-separating Langmuir monolayer with a chemical reaction is proposed. Its analysis and numerical simulations show that nonequilibrium periodic stationary structures and patterns of traveling stripes can spontaneously develop. The nonequilibrium phase diagram of this system is constructed and the properties of the patterns are discussed.

Néphropathie au produit de contraste [Contrast-induced nephropathy].

Iodine and gadolinium-based contrast induced nephropathy is the third leading cause of hospital-acquired acute kidney injury. It is essentially observed in patients with defined risk factors and is associated with increased morbidity and mortality. The prevention of contrast induced nephropathy consists in volume expansion through intravenous sodium chloride 0.9% or sodium bicarbonate 1.4%. Comparative randomized controlled trials appear to show a benefit in favor of sodium bicarbonate over saline fluids. According to last evidence, N-acetylcysteine does not provide additional benefit over intravenous fluids.

Role of the renal circadian timing system in maintaining water and electrolytes homeostasis.

Many basic physiological functions exhibit circadian rhythmicity. These functional rhythms are driven, in part, by the circadian clock, an ubiquitous molecular mechanism allowing cells and tissues to anticipate regular environmental events and to prepare for them. This mechanism has been shown to play a particularly important role in maintaining stability (homeostasis) of internal conditions. Because the homeostatic equilibrium is continuously challenged by environmental changes, the role of the circadian clock is thought to consist in the anticipative adjustment of homeostatic pathways in relation with the 24h environmental cycle. The kidney is the principal organ responsible for the regulation of the composition and volume of extracellular fluids (ECF). Several major parameters of kidney function, including renal plasma flow (RPF), glomerular filtration rate (GFR) and tubular reabsorption and secretion have been shown to exhibit strong circadian oscillations. Recent evidence suggest that the circadian clock can be involved in generation of these rhythms through external circadian time cues (e.g. humoral factors, activity and body temperature rhythms) or, trough the intrinsic renal circadian clock. Here, we discuss the role of renal circadian mechanisms in maintaining homeostasis of water and three major ions, namely, Na(+), K(+) and Cl(-).

Monitoring of aglycons of yew glycosides (3,5-dimethoxyphenol, myrtenol and 1-octen-3-ol) as first indicator of yew presence.

The toxicity of yew (Taxus spp) is well known from ancient times and is mainly due to taxins acting as inhibitors of calcium and sodium transport across the cell membrane of cardiac myocytes. The confirmation of yew taxins in body fluids can be carried out by liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). However, before selecting this precise but expensive technique, an orientation test should be done to ascertain yew presence as toxic agent in the organism. As the 3,5-dimethoxyphenol (3,5-DMP), myrtenol and 1-octen-3-ol appear as glycosidically bound volatile compounds and are very yew specific, the detection of 3,5-DMP and the measurement of 1-octen-3-ol / myrtenol concentration ratio constitute reliable indicators of yew presence in forensic cases. The detection of these compounds is easily performed by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) (SIM) after an enzymatic hydrolysis (β-glucosidase) allowing the release of volatile compounds from yew glycosides. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.

Elemental and isotopic zoning in natural alpine quartz

THESIS ABSTRACT : Stable isotope geochemistry is used to help resolve a large number of geological questions. In order to do this, it is essential to understand the different mechanisms that govern isotopic fractionation processes between different phases and to identify the conditions required to reach equilibrium fractionation. However, at low temperatures, these processes are poorly constrained and many factors can induce differential partitioning of the isotopes between sectors of a mineral species and the fluid during mineral growth. This can result in so-called 'sector zoning' of a mineral species. The aim of this thesis is to evaluate the occurrence of sector zoning of the oxygen isotopes and trace elements in natural α-quartz crystals and to identify the reasons for such zoning. The implications for the fluid-mineral interactions are studied in the context of the Alpine metamorphism. The approach chosen has focused on examining the crystal structure, cathodoluminescence appearance (CL), and on relating elemental (e.g. Li, Na, Al, P, K, Ca, Ge, Ti, Fe) to stable oxygen isotope compositions between and along different growth sectors. Low temperature quartz samples were selected from Alpine veins in different localities, where growth conditions have already been well constrained. The mineralogy as well as the isotopic compositions of the host rocks were also investigated, in order to interpret the variations obtained between the different growth stages in the framework of fluid-rock interaction during Alpine metamorphism. Depending on the growth conditions, most of the studied quartz is strongly zoned in CL, and it reveals corresponding zonations in the trace element content (e.g. growth zoning). Aluminium, substituting for Si in the lattice, was found in concentrations up to 1000's ppma, and its distribution is strongly related to Li and H and to a lesser extent, to Ge. Elemental sector zoning is evident from the distribution of these three elements since they exhibit differences in their respective concentrations between faces for distinct growth zones, with prismatic faces having the lowest Al contents. Quartz from veins in magmatic rocks, for example, tend to have lower Al concentrations and similar concentrations of Li and Ti suggesting also a contribution of these elements from the host rock. The relationship between Al and Li is still correlated. Only Alpine crystals grown at higher temperatures (~400°C) without any CL zoning feature are free of these impurities and do not show such zoning characteristics. Differences in the δ18O values were measured between different faces principally in the AIenriched growth zones or stages. These results were confirmed by the means of two different methods (in situ/non in situ). However, it was determined that the Al concentrations do not affect significantly oxygen isotope fractionations at 300°C. The results altogether suggest that the presence of sector zoning in quartz crystals is real, but not universal, and henceforth should be taken into consideration for any use of these systems. The occurrence of disequilibrium partitioning has been enhanced and is possibly related to kinetic processes as well as structural effects that do not affect similarly trace element incorporation and isotopic fractionation. In situ measurements also revealed fine scale δ18O zonations along growth paths that are useful to constrain fluid-rock interactions during Alpine metamorphism. Variations in the δ18O values present along growth vectors indicate changes in the fluid composition and origin. Association with oxygen isotope composition of the host rock allows for the deduction of interactions between rocks, veins and consequently fluids, as well as fluid regimes. RESUME DE LA THESE : A basses températures, (i.e. <400°C) les différents mécanismes qui régissent le fractionnement isotopique ainsi que les conditions nécessaires pour établir un état d'équilibre sont peu connus et nombre de paramètres peuvent entraîner un partitionnement chimique différentiel entre différents secteurs d'un minéral et le fluide en contact. Ainsi, ce travail de thèse a pour but d'évaluer la possible présence de zonages sectoriels en isotopes de l'oxygène mais aussi en éléments traces dans des cristaux naturels de quartz-α de basses températures, ainsi que les raisons d'un tel phénomène et enfin ses implications sur les interactions fluide-roche, principalement dans le cadre du métamorphisme Alpin. La structure et l'apparence en cathodoluminescence (CL) des échantillons ont été caractérisées avant de retracer en détail les compositions en élément traces (Li, Na, Al, P, K, Ca, Ge, Ti, Fe) et en isotopes de l'oxygène, le long et entre différents secteurs. Les échantillons de quartz sélectionnés proviennent majoritairement de veines Alpine de différentes localités, où les conditions de croissance ont été déjà bien caractérisées. Les compositions minéralogiques et isotopiques de la roche encaissante ont aussi été examinées, pour contraindre les variations obtenues dans un contexte Alpin. Selon leurs conditions de croissance, la plupart des cristaux étudiés sont fortement zonés, ce qui est souligné par un zonage des concentrations en éléments traces (e.g. zonage de croissance). L'Aluminium, qui peut se substituer à la Silice dans le réseau cristallin, a été retrouvé jusqu'en très grandes concentrations dans certaines zones (plusieurs milliers de ppma). De plus, la distribution en Al est fortement liée à celles de Li et H, ainsi que dans une moindre mesure à Ge. La présence de zonage sectoriel est évidente au niveau de ces éléments qui montrent de larges différences de concentrations entre différentes faces pour une même zone de croissance, avec les concentrations les plus basses retrouvées dans les faces prismatiques. Les quartz de veines situées dans des roches magmatiques par exemple possèdent des concentrations en Li et Ti de même ordre de grandeur, confirmant le rôle de la composition de la roche encaissante. La relation Li/Al est toujours fortement présente, mais ce rapport est fonction de la face mesurée. Seuls les cristaux Alpins de plus hautes températures (400°C) ne possédant pas de zones en CL ne présentent aucune de ces caractéristiques. Des différences dans les valeurs de δ18O de zones identiques enrichies en Al ont clairement été mesurées entre les différentes faces r, z, et m, mais aussi au sein d'une même seule zone, indiquant que le fractionnement a probablement eu lieu en déséquilibre. Il a été déterminé que la présence d'Al dans ces teneurs n'avait qu'un faible effet sur le fractionnement isotopique de l'oxygène. L'utilisation de deux méthodes différentes a permis d'obtenir des résultats in situ et non in situ concordants. La comparaison des résultats obtenus permet de démontrer que le zonage sectoriel est bien présent dans certains cristaux de quartz, et dépend des conditions de formation. La présence d'un partitionnement différentiel des éléments traces peut être due à des effets cinétiques aussi bien que structuraux, alors que le zonage sectoriel des isotopes de l'oxygène aurait d'autres origines. Il est alors évident que la possibilité de zonage sectoriel doit être désormais pris en considération avant toute interprétations de données isotopiques de cristaux zonés. Les mesures in situ ont de plus permis de distinguer de fines variations des valeurs δ18O au cours de la croissance, qui peuvent aider à retracer la circulations des fluides dans les Alpes durant cette période. En association avec les compositions des roches encaissantes, ii est possible de déduire les interactions entre roches, veines, et par conséquent fluides, au cours de différentes étapes. RESUME GRAND PUBLIC : La géochimie des isotopes stables a pris beaucoup d'importance depuis ces dernières années pour aider à résoudre nombre de questions géologiques, en se basant sur les caractéristiques du fractionnement isotopiques pour différents systèmes. Il est donc nécessaire d'avoir une connaissance approfondie des mécanismes qui s'appliquent au fractionnement isotopique entre les minéraux et les fluides à partir desquels ils se forment. Ces mécanismes ont été bien approchés par différents types de calibrations pour des systèmes à hautes températures, cependant cela n'est pas aussi évident pour les systèmes à des températures inférieures à 400-500°C. Ce travail de thèse a pour but d'aider à la description et la compréhension des phénomènes qui peuvent affecter le fractionnement isotopique à basses températures, ainsi que leurs implications, à partir de l'étude de cristaux de quartz. Le choix des échantillons s'est porté sur des cristaux naturels formés à des températures inférieures ou égales à 400°C, provenant majoritairement de fissures hydrothermales Alpines dont les conditions de formation ont déjà été déterminées. L'étude des cristaux Alpin permet de plus de replacer les résultats obtenus dans le contexte du métamorphisme Alpin au cours du Miocène (21-13 Ma). Après examen de la structure et de la morphologie des cristaux, et leur caractérisation par cathodoluminescence (CL), des analyses chimiques détaillées sur les éléments en traces pouvant entrer dans le réseau cristallin du quartz comme impuretés (i.e. Li, Na, Al, P, K, Ca, Ge, Ti), et des isotopes stables de l'oxygène, ont été menées. En fonction des conditions de croissance, la plupart des cristaux présentent des zonations, qui peuvent être facilement reliées à la distribution des éléments traces analysés par microsonde électronique, sonde ionique (SIMS) et LA-ICPMS. De fortes concentrations d'Aluminium (plusieurs milliers de parties par million atomique) ont pu être observées dans les zones les plus externes des cristaux. De plus, les concentrations en Al et en Li sont toujours corrélées; la présence d'Hydrogène déduite à partir d'analyses par FTIR suit cette même tendance. Les différentes faces des cristaux présentent des concentrations distinctes d'Al, Li et H pour des mêmes zones de croissance, avec par exemple les concentrations les plus faibles dans les zones des faces prismatiques. Cela implique la présence d'un zonage sectoriel, qui a déjà été observé principalement dans des carbonates mais jamais décrit auparavant pour des quartz. Seuls les cristaux alpins homogènes en CL dont la croissance s'est faite à plus haute température (400°C) ne présentent aucune de ces caractéristiques. Par analogie avec le zonage sectoriel en Al, élément qui se substitue au Si dans le réseau cristallin du quartz, il est possible de penser qu'un zonage sectoriel pourrait aussi s'appliquer aux isotopes de l'oxygène. Des précédentes études avaient en effet émis cette hypothèse. Nos résultats ont été obtenus à partir d'analyses à la fois in- situ par SIMS, et par extraction assistée par laser-CO2 sur des parties de quartz soigneusement séparées, et sont en accord entre les deux méthodes. Un zonage sectoriel est en effet bien présent pour les cristaux alpins, mais principalement au niveau des zones très riches en Aluminium. Cependant, il a été déterminé que la présence d'Al dans ces teneurs avait un effet plus que minimal sur le fractionnement isotopique de l'oxygène. Des différences importantes ont été observées entre les faces r & z mais aussi au sein d'une même et seule zone, indiquant que le fractionnement a pu avoir lieu en déséquilibre, ce qui est aussi visible au niveau des valeurs totalement opposées entre faces pour la dernière phase de croissance de certains cristaux. Ainsi l'association de ces résultats laisse suggérer que la présence d'un zonage sectoriel peut être liée à différents paramètres tels que le taux de croissance ou la structure de surface du cristal, mais qui n'affectent pas de la même façon l'incorporation des éléments traces et le fractionnement isotopique. La possibilité d'un zonage sectoriel est importante à prendre en compte lors de toute interprétation de données isotopiques. Les analyses des isotopes de l'oxygène effectuées par SIMS ont aussi permis de distinguer des variations importantes à petite échelle au cours de la croissance. Des mesures faites par laser CO2 sur certaines roches encaissantes, ont permis distinguer plusieurs étapes dans la croissance des minéraux et de déduire le rôle de l'encaissant et le type de fluide. En association avec de précédentes études, il a été ainsi possible de mieux contraindre la formation de ces cristaux dans le contexte alpin et la circulation de fluide au cours du métamorphisme alpin durant le Miocène.