Importance of abiotic stress as a range-limit determinant for European plants: insights from species' responses to climatic gradients

Aim We examined whether species occurrences are primarily limited by physiological tolerance in the abiotically more stressful end of climatic gradients (the asymmetric abiotic stress limitation (AASL) hypothesis) and the geographical predictions of this hypothesis: abiotic stress mainly determines upper-latitudinal and upper-altitudinal species range limits, and the importance of abiotic stress for these range limits increases the further northwards and upwards a species occurs. Location Europe and the Swiss Alps. Methods The AASL hypothesis predicts that species have skewed responses to climatic gradients, with a steep decline towards the more stressful conditions. Based on presence-absence data we examined the shape of plant species responses (measured as probability of occurrence) along three climatic gradients across latitudes in Europe (1577 species) and altitudes in the Swiss Alps (284 species) using Huisman-Olff-Fresco, generalized linear and generalized additive models. Results We found that almost half of the species from Europe and one-third from the Swiss Alps showed responses consistent with the predictions of the AASL hypothesis. Cold temperatures and a short growing season seemed to determine the upper-latitudinal and upper-altitudinal range limits of up to one-third of the species, while drought provided an important constraint at lower-latitudinal range limits for up to one-fifth of the species. We found a biome-dependent influence of abiotic stress and no clear support for abiotic stress as a stronger upper range-limit determinant for species with higher latitudinal and altitudinal distributions. However, the overall influence of climate as a range-limit determinant increased with latitude. Main conclusions Our results support the AASL hypothesis for almost half of the studied species, and suggest that temperature-related stress controls the upper-latitudinal and upper-altitudinal range limits of a large proportion of these species, while other factors including drought stress may be important at the lower range limits.

Tracking the ghost of coevolution in specific plant-insect interactions : the case of the pollination system between the globeflower Trollius europaeus and seven european Chiastocheta flies

This study aims at understanding the evolutionary processes at work in specialized species interactions. Prom the macroevolutionary perspective, coevolution among specialized taxa was proposed to be one of the major processes generating biodiversity. We challenge this idea from the theoretical and practical perspective and through a literature review and show that the major hypotheses linking coevolutionary process with macroevolutionary patterns do not necessarily predict lineage co diversification and parallel speciation, limit¬ing the utility of the comparative phylogenenetic approach for investigating coevolution¬ary processes. We also point to the rarity of observed long-term coevolutionary dynamics among lineages and propose that coevolution rather occurs in shorter timescales, followed by ecological fitting. Prom the empirical point, we focus on the nursery pollination interaction between the European globeflower Trollius europaeus (Ranunculaceae) and its associated Chiastocheta flies (Anthomyiidae; Diptera) as a model system of evolution and maintenance of special¬ized interactions. The flies are obligate parasites of the seeds, but also pollinate the plant - it was thus proposed that both species are mutually dependent. Contrasting with the paradigm used for two decades of research on this system, we show that the female fitness component of the plant is similar in the populations with and without Chiastocheta. The plant is thus not exclusively dependent on the flies for reproduction. We discuss this result in the context of the factors responsible for the evolution of mutualistic systems. Understanding the evolution of a biological system requires understanding of its phylo- genetic context. Previous studies showed large mismatch between mtDNA phylogeny and morphological taxonomy in Chiastocheta. By using a large set of RAD-sequencing loci, we delineate the species limits that are congruent with morphology, and show that the discordance is best explained by the scenario of mitochondrial capture among fly species. Finally, we examine this system from a phylogeographic perspective, and identify the lack of congruence in spatial genetic structures of the plant and associated insects across their whole geographic range. The flies show lower numbers of spatial genetic groups than the plant, indicating that not all of the plant réfugia were shared by all the fly species or that the migration dynamics homogenized some of the groups. The incongruence in spatial genetic patterns indicates that fly migrations were largely independent from the genetic background of the plant, following rather a scenario of resource tracking, without the signature of coevolutionary process at this scale. Indeed, while the flies require the plant to survive climatic oscillations, the opposite is not true. Eventually, we show that there is no phylogenetic signal of spatial genetic structures, meaning that neither histories nor life- history traits are shared among closely related species and that species are characterized by unique trajectories of their genes. -- Cette étude vise à comprendre les processus évolutifs à l'oeuvre au sein d'interactions en¬tre espèces spécialisées. Du point de vue macroévolutif, la coévolution entre les taxons spécialisée a été considérée comme l'un des principaux processus générateur de biodiversité. Nous contestons cette idée du point de vue théorique et pratique à travers une revue de la littérature. Nous montrons que les hypothèses majeures reliant les processus coévolutifs avec les patterns de diversité au niveau macroévolutif ne prédisent pas nécessairement la co- diversification des lignées et leur spéciation parallèle, ce qui limite l'utilité de l'approche de phylogénie comparative pour étudier les processus coévolutifs . Nous rappelons également le peu d'exemples de dynamique coévolutive à long terme et proposons que la coévolution se produit plutôt dans des intervalles courts, suivis d'ajustements écologiques. Du point empirique, nous nous concentrons sur l'interaction de pollinisation entre le Trolle d'Europe Trollius europaeus (Ranunculaceae) et ses pollinisateurs associés, du genre Chiastocheta (Anthomyiidae; Diptera) en tant que système-modèle pour étudier l'évolution et le maintien des interactions spécialisées. Les mouches sont des parasites obligatoires des semences, mais pollinisent également la plante. Il a donc été proposé que les deux espèces soient mutuellement dépendantes. Contrastant avec le paradigme utilisé pendant deux décennies de recherche sur ce système, nous montrons, que la composante de fitness femelle de la plante est similaire dans les populations avec et sans Chiastocheta. La plante ne dépend donc pas exclusivement de son interaction avec les mouches pour la reproduction. Nous discutons de ce résultat dans le contexte des facteurs responsables de l'évolution des systèmes mutualistes. Comprendre l'évolution d'un système biologique nécessite la compréhension de son con- texte phylogénétique. Des études antérieures ont montré, chez Chiastocheta, de grandes disparités entre les phylogénies obtenues à partir d'ADN mitochondrial et la taxonomie basée sur les critères morphologiques. En utilisant un grand nombre de loci obtenus par RAD-sequencing, nous traçons les limites des espèces, qui concordent avec les car¬actéristiques morphologies, et montrons que la discordance s'explique en fait par un scénario de capture mitochondriale entre espèces de mouches. Enfin, nous examinons le système d'un point de vue phylogéographique, et identi¬fions les incohérences entre structurations génétiques spatiales de la plante et des insectes associés dans toute leur aire de distribution géographique. Les mouches présentent un nombre de groupes génétiques inférieur à la plante, indiquant que tous les refuges de la plante n'étaient pas partagés par toutes les espèces de mouches ou que les dynamiques migratoires ont homogénéisés certains des groupes chez les mouches. Les différences ob¬servées dans les patrons de structuration génétique spatiale indique que les migrations et dispersions des mouches ont été indépendantes du contexte génétique de la plante, et ces dernières ont été uniquement tributaires de la disponibilité des ressources, sans qu'il n'y ait de signature du processus de coévolution à cette échelle. En effet, tandis que les mouches ont besoin de la plante pour survivre aux oscillations climatiques, le contraire n'est pas exact. Finalement, nous montrons qu'il n'y a pas de signal phylogénétique des structurations génétiques spatiales chez les mouches, ce qui signifie que ni l'histoire, ni les traits d'histoire de vie ne sont partagés entre les espèces phylogénétiquement proches et que les espèces sont caractérisées par des trajectoires uniques de leurs gènes.

Lifetime and intergenerational fitness consequences of harmful male interactions for female lizards.

Male mating behaviors harmful to females have been described in a wide range of species. However, the direct and indirect fitness consequences of harmful male behaviors have been rarely quantified for females and their offspring, especially for long-lived organisms under natural conditions. Here, lifetime and intergenerational consequences of harmful male interactions were investigated in female common lizards (Lacerta vivipara) using field experiments. We exposed females to male harm by changing the population sex ratio from a normal female-biased to an experimental male-biased sex ratio during the first experimental year. Thereafter, females and their first generation of offspring were monitored during two additional years in a common garden with a female-biased sex ratio. We found strong immediate fitness costs and lower lifetime reproductive success in females subjected to increased male exposure. The immediate fitness costs were partly mitigated by direct compensatory responses after exposure to male excess, but not by indirect benefits through offspring growth, offspring survival, or mating success of offspring. These results support recent empirical findings showing that the direct costs of mating are not outweighed by indirect benefits.

VIS-NIR SPECTROMETRY, SOIL PHOSPHATE EXTRACTION METHODS AND INTERACTIONS OF SOIL ATTRIBUTES

The objective of this study was to evaluate the relationships between the spectra in the Vis-NIR range and the soil P concentrations obtained from the PM and Prem extraction methods as well as the effects of these relationships on the construction of models predicting P concentration in Oxisols. Soil samples' spectra and their PM and Prem extraction solutions were determined for the Vis-NIR region between 400 and 2500 nm. Mineralogy and/or organic matter content act as primary attributes allowing correlation of these soil phosphorus fractions with the spectra, mainly at wavelengths between 450-550, 900-1100 nm, near 1400 nm and between 2200-2300 nm. However, the regression models generated were not suitable for quantitative phosphate analysis. Solubilization of organic matter and reactions during the PM extraction process hindered correlations between the spectra and these P soil fractions. For Prem,, the presence of Ca in the extractant and preferential adsorption by gibbsite and iron oxides, particularly goethite, obscured correlations with the spectra.

Astringent Food Compounds and Their Interactions with Taste Properties

Astringency is traditionally thought to be induced by plant tannins in foods. Because of this current research concerning the mechanism of astringency is focused on tannin‐protein interactions and thus on precipitation, which may be perceived by mechanoreceptors. However, astringency is elicited by a wide range of different phenolic compounds, as well as, some non‐phenolic compounds in various foods. Many ellagitannins or smaller compounds that contribute to astringent properties do not interact with salivary proteins and may be directly perceived through some receptors. Generally, the higher degree of polymerization of proanthocyanidins can be associated with more intense astringency. However, the astringent properties of smaller phenolic compounds may not be directly predicted from the structure of a compound, although glycosylation has a significant role. The astringency of organic acids may be directly linked to the perception of sourness, and this increases along with decreasing pH. Astringency can be divided into different sub‐qualities, including even other qualities than traditional mouth‐drying, puckering or roughing sensations. Astringency is often accompanied by bitter or sour or both taste properties. The different sub‐qualities can be influenced by different astringent compounds. In general, the glycolysation of the phenolic compound results in more velvety and smooth mouthdrying astringency. Flavonol glycosides and other flavonoid compounds and ellagitannins contribute to this velvety mouthdrying astringency. Additionally, they often lack the bitter properties. Proanthocyanidins and phenolic acids elicit more puckering and roughing astringency with some additional bitter properties. Quercetin 3‐O‐rutinoside, along with other quercetin glycosides, is among the key astringent compounds in black tea and red currants. In foods, there are always various other additional attributes that are perceived at the same with astringency. Astringent compounds themselves may have other sensory characteristics, such as bitter or sour properties, or they may enhance or suppress other sensory properties. Components contributing to these other properties, such as sugars, may also have similar effects on astringent sensations. Food components eliciting sweetness or fattiness or some polymeric polysaccharides can be used to mask astringent subqualities. Astringency can generally be referred to as a negative contributor to the liking of various foods. On the other hand, perceptions of astringent properties can vary among individuals. Many genetic factors that influence perceptions of taste properties, such as variations in perceiving a bitter taste or variations in saliva, may also effect the perception of astringency. Individuals who are more sensitive to different sensations may notice the differences between astringent properties more clearly. This may not have effects on the overall perception of astringency. However, in many cases, the liking of astringent foods may need to be learned by repetitive exposure. Astringency is often among the key sensory properties forming the unique overall flavour of certain foods, and therefore it also influences whether or not a food is liked. In many cases, astringency may be an important sub‐property suppressed by other more abundant sensory properties, but it may still have a significant contribution to the overall flavour and thus consumer preferences. The results of the practical work of this thesis show that the astringent phenolic compounds are mostly located in the skin fractions of black currants, crowberries and bilberries (publications I–III). The skin fractions themselves are rather tasteless. However, the astringent phenolic compounds can be efficiently removed from these skin fractions by consecutive ethanol extractions. Berries contain a wide range of different flavonol glycosides, hydroxycinnamic acid derivatives and anthocyanins and some of them strongly contribute to the different astringent and bitterness properties. Sweetness and sourness are located in the juice fractions along with the majority of sugars and fruit acids. The sweet and sour properties of the juice may be used to mask the astringent and bitterness properties of the extracts. Enzymatic treatments increase the astringent properties and fermented flavour of the black currant juice and decrease sweetness and freshness due to the effects on chemical compositions (IV). Sourness and sweetness are positive contributors to the liking of crowberry and bilberry fractions, whereas bitterness is more negative (V). Some astringent properties in berries are clearly negative factors, whereas some may be more positive. The liking of berries is strongly influenced by various consumer background factors, such as motives and health concerns. The liking of berries and berry fractions may also be affected by genetic factors, such as variations in the gene hTAS2R38, which codes bitter taste receptors (V).

Interactions of ANP and ANG II in tubular nephron acidification

(ANP, 1 µM) on the kinetics of bicarbonate reabsorption in the rat middle proximal tubule, we performed in vivo experiments using a stopped-flow microperfusion technique with the determination of lumen pH by Sb microelectrodes. These studies confirmed that ANG II added to the luminal or peritubular capillary perfusion fluid stimulates proximal bicarbonate reabsorption and showed that ANP alone does not affect this process, but impairs the stimulation caused by ANG II. We also studied the effects and the interaction of these hormones in cortical distal nephron acidification. Bicarbonate reabsorption was evaluated by the acidification kinetic technique in early (ED) and late (LD) distal tubules in rats during in vivo stopped-flow microperfusion experiments. The intratubular pH was measured with a double-barreled microelectrode with H+-sensitive resin. The results indicate that ANG II acted by stimulating Na+/H+ exchange in ED (81%) and LD (54%) segments via activation of AT1 receptors, as well as vacuolar H+-ATPase in LD segments (33%). ANP did not affect bicarbonate reabsorption in either segment and, as opposed to what was seen in the proximal tubule, did not impair the stimulation caused by ANG II. To investigate the mechanism of action of these hormones in more detail, we studied cell pH dependence on ANG II and ANP in MDCK cells using the fluorescent probe BCECF. We showed that the velocity of cell pH recovery was almost abolished in the absence of Na+, indicating that it is dependent on Na+/H+ exchange. ANP (1 µM) alone had no effect on this recovery but reversed both the acceleration of H+ extrusion at low ANG II levels (1 pM and 1 nM), and inhibition of H+ extrusion at higher ANG II levels (100 nM). To obtain more information on the mechanism of interaction of these hormones, we also studied their effects on the regulation of intracellular free calcium concentration, [Ca2+]i, monitored with the fluorescent probe Fura-2 in MDCK cells in suspension. The data indicate that the addition of increasing concentrations of ANG II (1 pM to 1 µM) to the cell suspension led to a progressive increase in [Ca2+]i to 2-3 times the basal level. In contrast, the addition of ANP (1 µM) to the cell suspension led to a very rapid 60% decrease in [Ca2+]i and reduced the increase elicited by ANG II, thus modulating the effect of ANG II on [Ca2+]i. These results may indicate a role of [Ca2+]i in the regulation of the H+ extrusion process mediated by Na+/H+ exchange and stimulated/impaired by ANG II. The data are compatible with stimulation of Na+/H+ exchange by increases of [Ca2+]i in the lower range, and inhibition at high [Ca2+]i levels

Quantitative receptor radioautography in the study of receptor-receptor interactions in the nucleus tractus solitarii

The nucleus tractus solitarii (NTS) in the dorsomedial medulla comprises a wide range of neuropeptides and biogenic amines. Several of them are related to mechanisms of central blood pressure control. Angiotensin II (Ang II), neuropeptide Y (NPY) and noradrenaline (NA) are found in the NTS cells, as well as their receptors. Based on this observation we have evaluated the modulatory effect of these peptide receptors on a2-adrenoceptors in the NTS. Using quantitative receptor radioautography, we observed that NPY and Ang II receptors decreased the affinity of a2-adrenoceptors for their agonists in the NTS of the rat. Cardiovascular experiments agreed with the in vitro data. Coinjection of a threshold dose of Ang II or of the NPY agonists together with an ED50 dose of adrenergic agonists such as NA, adrenaline and clonidine counteracted the depressor effect produced by the a2-agonist in the NTS. The results provide evidence for the existence of an antagonistic interaction between Ang II at1 receptors and NPY receptor subtypes with the a2-adrenoceptors in the NTS. This receptor interaction may reduce the transduction over the a2-adrenoceptors which can be important in central cardiovascular regulation and in the development of hypertension

Fluvio-morphological processes of meander bends - Combining conventional field measurements, close-range remote sensing and computational modelling

Meandering rivers have been perceived to evolve rather similarly around the world independently of the location or size of the river. Despite the many consistent processes and characteristics they have also been noted to show complex and unique sets of fluviomorphological processes in which local factors play important role. These complex interactions of flow and morphology affect notably the development of the river. Comprehensive and fundamental field, flume and theoretically based studies of fluviomorphological processes in meandering rivers have been carried out especially during the latter part of the 20th century. However, as these studies have been carried out with traditional field measurements techniques their spatial and temporal resolution is not competitive to the level achievable today. The hypothesis of this study is that, by exploiting e increased spatial and temporal resolution of the data, achieved by combining conventional field measurements with a range of modern technologies, will provide new insights to the spatial patterns of the flow-sediment interaction in meandering streams, which have perceived to show notable variation in space and time. This thesis shows how the modern technologies can be combined to derive very high spatial and temporal resolution data on fluvio-morphological processes over meander bends. The flow structure over the bends is recorded in situ using acoustic Doppler current profiler (ADCP) and the spatial and temporal resolution of the flow data is enhanced using 2D and 3D CFD over various meander bends. The CFD are also exploited to simulate sediment transport. Multi-temporal terrestrial laser scanning (TLS), mobile laser scanning (MLS) and echo sounding data are used to measure the flow-based changes and formations over meander bends and to build the computational models. The spatial patterns of erosion and deposition over meander bends are analysed relative to the measured and modelled flow field and sediment transport. The results are compared with the classic theories of the processes in meander bends. Mainly, the results of this study follow well the existing theories and results of previous studies. However, some new insights regarding to the spatial and temporal patterns of the flow-sediment interaction in a natural sand-bed meander bend are provided. The results of this study show the advantages of the rapid and detailed measurements techniques and the achieved spatial and temporal resolution provided by CFD, unachievable with field measurements. The thesis also discusses the limitations which remain in the measurement and modelling methods and in understanding of fluvial geomorphology of meander bends. Further, the hydro- and morphodynamic models’ sensitivity to user-defined parameters is tested, and the modelling results are assessed against detailed field measurement. The study is implemented in the meandering sub-Arctic Pulmanki River in Finland. The river is unregulated and sand-bed and major morphological changes occur annually on the meander point bars, which are inundated only during the snow-melt-induced spring floods. The outcome of this study applies to sandbed meandering rivers in regions where normally one significant flood event occurs annually, such as Arctic areas with snow-melt induced spring floods, and where the point bars of the meander bends are inundated only during the flood events.

Increased coherence among striatal regions in the theta range during attentive wakefulness

The striatum, the largest component of the basal ganglia, is usually subdivided into associative, motor and limbic components. However, the electrophysiological interactions between these three subsystems during behavior remain largely unknown. We hypothesized that the striatum might be particularly active during exploratory behavior, which is presumably associated with increased attention. We investigated the modulation of local field potentials (LFPs) in the striatum during attentive wakefulness in freely moving rats. To this end, we implanted microelectrodes into different parts of the striatum of Wistar rats, as well as into the motor, associative and limbic cortices. We then used electromyograms to identify motor activity and analyzed the instantaneous frequency, power spectra and partial directed coherence during exploratory behavior. We observed fine modulation in the theta frequency range of striatal LFPs in 92.5 ± 2.5% of all epochs of exploratory behavior. Concomitantly, the theta power spectrum increased in all striatal channels (P < 0.001), and coherence analysis revealed strong connectivity (coefficients >0.7) between the primary motor cortex and the rostral part of the caudatoputamen nucleus, as well as among all striatal channels (P < 0.001). Conclusively, we observed a pattern of strong theta band activation in the entire striatum during attentive wakefulness, as well as a strong coherence between the motor cortex and the entire striatum. We suggest that this activation reflects the integration of motor, cognitive and limbic systems during attentive wakefulness.

Metal oxides prepared through the nanocasting approach-mechanistic study, surface interactions and applications in separation

Mesoporous metal oxides are nowadays widely used in various technological applications, for instance in catalysis, biomolecular separations and drug delivery. A popular technique used to synthesize mesoporous metal oxides is the nanocasting process. Mesoporous metal oxide replicas are obtained from the impregnation of a porous template with a metal oxide precursor followed by thermal treatment and removal of the template by etching in NaOH or HF solutions. In a similar manner to the traditional casting wherein the product inherits the features of the mold, the metal oxide replicas are supposed to have an inverse structure of the starting porous template. This is however not the case, as broken or deformed particles and other structural defects have all been experienced during nanocasting experiments. Although the nanocasting technique is widely used, not all the processing steps are well understood. Questions over the fidelity of replication and morphology control are yet to be adequately answered. This work therefore attempts to answer some of these questions by elucidating the nanocasting process, pin pointing the crucial steps involved and how to harness this knowledge in making wholesome replicas which are a true replication of the starting templates. The rich surface chemistry of mesoporous metal oxides is an important reason why they are widely used in applications such as catalysis, biomolecular separation, etc. At times the surface is modified or functionalized with organic species for stability or for a particular application. In this work, nanocast metal oxides (TiO2, ZrO2 and SnO2) and SiO2 were modified with amino-containing molecules using four different approaches, namely (a) covalent bonding of 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES), (b) adsorption of 2-aminoethyl dihydrogen phosphate (AEDP), (c) surface polymerization of aziridine and (d) adsorption of poly(ethylenimine) (PEI) through electrostatic interactions. Afterwards, the hydrolytic stability of each functionalization was investigated at pH 2 and 10 by zeta potential measurements. The modifications were successful except for the AEDP approach which was unable to produce efficient amino-modification on any of the metal oxides used. The APTES, aziridine and PEI amino-modifications were fairly stable at pH 10 for all the metal oxides tested while only AZ and PEI modified-SnO2 were stable at pH 2 after 40 h. Furthermore, the functionalized metal oxides (SiO2, Mn2O3, ZrO2 and SnO2) were packed into columns for capillary liquid chromatography (CLC) and capillary electrochromatography (CEC). Among the functionalized metal oxides, aziridinefunctionalized SiO2, (SiO2-AZ) showed good chemical stability, and was the most useful packing material in both CLC and CEC. Lastly, nanocast metal oxides were synthesized for phosphopeptide enrichment which is a technique used to enrich phosphorylated proteins in biological samples prior to mass spectrometry analysis. By using the nanocasting technique to prepare the metal oxides, the surface area was controlled within a range of 42-75 m2/g thereby enabling an objective comparison of the metal oxides. The binding characteristics of these metal oxides were compared by using samples with different levels of complexity such as synthetic peptides and cell lysates. The results show that nanocast TiO2, ZrO2, Fe2O3 and In2O3 have comparable binding characteristics. Furthermore, In2O3 which is a novel material in phosphopeptide enrichment applications performed comparably with standard TiO2 which is the benchmark for such phosphopeptide enrichment procedures. The performance of the metal oxides was explained by ranking the metal oxides according to their isoelectric points and acidity. Overall, the clarification of the nanocasting process provided in this work will aid the synthesis of metal oxides with true fidelity of replication. Also, the different applications of the metal oxides based on their surface interactions and binding characteristics show the versatility of metal oxide materials. Some of these results can form the basis from which further applications and protocols can be developed.

Prédiction des impacts pharmacocinétiques des interactions médicamenteuses impliquant des CYP3A et les glycoprotéines-P : développement de modèles physiologiques et analyse de sensibilité

Les propriétés pharmacocinétiques d’un nouveau médicament et les risques d’interactions médicamenteuses doivent être investigués très tôt dans le processus de recherche et développement. L’objectif principal de cette thèse était de concevoir des approches prédictives de modélisation du devenir du médicament dans l’organisme en présence et en absence de modulation d’activité métabolique et de transport. Le premier volet de recherche consistait à intégrer dans un modèle pharmacocinétique à base physiologique (PBPK), le transport d’efflux membranaire gouverné par les glycoprotéines-P (P-gp) dans le cœur et le cerveau. Cette approche, basée sur des extrapolations in vitro-in vivo, a permis de prédire la distribution tissulaire de la dompéridone chez des souris normales et des souris déficientes pour les gènes codant pour la P-gp. Le modèle a confirmé le rôle protecteur des P-gp au niveau cérébral, et a suggéré un rôle négligeable des P-gp dans la distribution tissulaire cardiaque pour la dompéridone. Le deuxième volet de cette recherche était de procéder à l’analyse de sensibilité globale (ASG) du modèle PBPK précédemment développé, afin d’identifier les paramètres importants impliqués dans la variabilité des prédictions, tout en tenant compte des corrélations entre les paramètres physiologiques. Les paramètres importants ont été identifiés et étaient principalement les paramètres limitants des mécanismes de transport à travers la membrane capillaire. Le dernier volet du projet doctoral consistait à développer un modèle PBPK apte à prédire les profils plasmatiques et paramètres pharmacocinétiques de substrats de CYP3A administrés par voie orale à des volontaires sains, et de quantifier l’impact d’interactions médicamenteuses métaboliques (IMM) sur la pharmacocinétique de ces substrats. Les prédictions des profils plasmatiques et des paramètres pharmacocinétiques des substrats des CYP3A ont été très comparables à ceux mesurés lors d’études cliniques. Quelques écarts ont été observés entre les prédictions et les profils plasmatiques cliniques mesurés lors d’IMM. Cependant, l’impact de ces inhibitions sur les paramètres pharmacocinétiques des substrats étudiés et l’effet inhibiteur des furanocoumarins contenus dans le jus de pamplemousse ont été prédits dans un intervalle d’erreur très acceptable. Ces travaux ont contribué à démontrer la capacité des modèles PBPK à prédire les impacts pharmacocinétiques des interactions médicamenteuses avec une précision acceptable et prometteuse.

Interactions didactiques en classe de français : enseignement/apprentissage de l’accord du verbe en première secondaire

Notre recherche vise à décrire les connaissances grammaticales élaborées par des élèves de première secondaire au cours de l’enseignement/apprentissage de l’accord du verbe. Cette description se fonde sur l’observation des interactions didactiques entre les élèves, et leur enseignant autour de l’objet de savoir « accord du verbe » : elle concerne plus particulièrement l’interaction entre les pôles « élève » et « savoir ». Notre recherche s’inscrit dans le courant de la grammaire pédagogique moderne. La théorie de la transposition didactique de Chevallard (1985/1991) constitue également la pierre angulaire de nos travaux : les concepts de transposition didactique externe (le passage du savoir savant au savoir à enseigner) et interne (le passage du savoir à enseigner au savoir effectivement enseigné) agissent à titre d’analyseurs des interactions didactiques. L’observation, la description et la théorisation des interactions didactiques imposent une démarche écologique pour la collecte des données. Pour notre recherche, les données ont été recueillies grâce à la captation vidéo de séquences didactiques portant sur l’accord du verbe : elles consistent en des interactions verbales entre élèves ou entre les élèves et leur enseignant. L’analyse des données s’est effectuée selon une perspective macro et micro : (1) L’analyse macro indique que les connaissances antérieures des élèves résistent à l’institutionnalisation des savoirs puisque le savoir enseigné n’est pas celui qui est exclusivement mobilisé. Les élèves recourent à un vaste éventail de connaissances de types procédural et déclaratif pour l’identification du verbe et du sujet, dont la réussite n’est par ailleurs pas assurée. De plus, les connaissances qu’ils ont élaborées autour de la règle d’accord et du transfert des traits morphologiques sont également nombreuses et variées et ne les conduisent pas à accorder le verbe avec constance. (2) L’analyse micro suggère que l’élaboration des connaissances relatives à l’accord du verbe dépend de la manière dont les outils de la grammaire (manipulations syntaxiques et phrase de base) sont utilisés par les élèves. Plus précisément, le savoir piétine ou recule lorsque les manipulations syntaxiques ne sont pas appliquées dans la phrase ou qu’elles ne sont pas adaptées dans certains contextes syntaxiques; le savoir fait des bonds en avant dans les classes où les élèves sont en mesure de recourir à la phrase de base pour soutenir leur analyse grammaticale. Les descriptions proposées dans le cadre de notre thèse conduisent à discuter de leurs implications pour la transposition didactique externe et, plus généralement, pour la didactique du français et de la grammaire.

Interactions entre le sommeil, l’attention et le contrôle postural chez des sujets jeunes et âgés

Les pertes d’équilibre représentent une cause importante de blessure et de mortalité, notamment sur le milieu du travail et chez les personnes âgées. Cette thèse explore les effets du manque de sommeil sur le contrôle postural en fonction de l’âge et s’intéresse à l’influence des ressources attentionnelles, perceptuelles et motrices sur la relation entre le sommeil et le contrôle postural. Des sujets jeunes et âgés ont effectué diverses tâches posturales statiques sur des plates-formes de force après une nuit de sommeil et après 25 heures de privation de sommeil. L’étendue et la vitesse des déplacements du centre de pression ont été mesurées en gardant les yeux ouverts et les yeux fermés sous trois niveaux de charge cognitive. Les résultats montrent que la privation de sommeil a augmenté l’étendue du centre de pression dans les deux groupes d’âge et a augmenté la vitesse du centre de pression chez les sujets âgés. De plus, les effets de la privation de sommeil sur le contrôle postural étaient davantage prononcés lorsque les sujets âgés gardent les yeux fermés. L’augmentation de la charge cognitive sous privation de sommeil a poussé la majorité des sujets jeunes à adopter un contrôle postural plus statique, alors que chez les sujets âgés, les effets de la charge cognitive ne se surajoutaient pas à ceux de la privation de sommeil. Ces observations suggèrent que la privation de sommeil ait des effets déstabilisateurs sur le contrôle postural qui sont plus marqués chez les personnes âgées, surtout lorsque les informations visuelles sont altérées. Il est donc proposé que le manque de sommeil soit un facteur de risque significatif pour les chutes.

Agreements with overlapping coalitions

Dans certaines circonstances, des actions de groupes sont plus performantes que des actions individuelles. Dans ces situations, il est préférable de former des coalitions. Ces coalitions peuvent être disjointes ou imbriquées. La littérature économique met un fort accent sur la modélisation des accords où les coalitions d’agents économiques sont des ensembles disjoints. Cependant on observe dans la vie de tous les jours que les coalitions politiques, environnementales, de libre-échange et d’assurance informelles sont la plupart du temps imbriquées. Aussi, devient-il impératif de comprendre le fonctionnement économique des coalitions imbriquées. Ma thèse développe un cadre d’analyse qui permet de comprendre la formation et la performance des coalitions même si elles sont imbriquées. Dans le premier chapitre je développe un jeu de négociation qui permet la formation de coalitions imbriquées. Je montre que ce jeu admet un équilibre et je développe un algorithme pour calculer les allocations d’équilibre pour les jeux symétriques. Je montre que toute structure de réseau peut se décomposer de manière unique en une structure de coalitions imbriquées. Sous certaines conditions, je montre que cette structure correspond à une structure d’équilibre d’un jeu sous-jacent. Dans le deuxième chapitre j’introduis une nouvelle notion de noyau dans le cas où les coalitions imbriquées sont permises. Je montre que cette notion de noyau est une généralisation naturelle de la notion de noyau de structure de coalitions. Je vais plus loin en introduisant des agents plus raffinés. J’obtiens alors le noyau de structure de coalitions imbriquées que je montre être un affinement de la première notion. Dans la suite de la thèse, j’applique les théories développées dans les deux premiers chapitres à des cas concrets. Le troisième chapitre est une application de la relation biunivoque établie dans le premier chapitre entre la formation des coalitions et la formation de réseaux. Je propose une modélisation réaliste et effective des assurances informelles. J’introduis ainsi dans la littérature économique sur les assurances informelles, quatre innovations majeures : une fusion entre l’approche par les groupes et l’approche par les réseaux sociaux, la possibilité d’avoir des organisations imbriquées d’assurance informelle, un schéma de punition endogène et enfin les externalités. Je caractérise les accords d’assurances informelles stables et j’isole les conditions qui poussent les agents à dévier. Il est admis dans la littérature que seuls les individus ayant un revenu élevé peuvent se permettre de violer les accords d’assurances informelles. Je donne ici les conditions dans lesquelles cette hypothèse tient. Cependant, je montre aussi qu’il est possible de violer cette hypothèse sous d’autres conditions réalistes. Finalement je dérive des résultats de statiques comparées sous deux normes de partage différents. Dans le quatrième et dernier chapitre, je propose un modèle d’assurance informelle où les groupes homogènes sont construits sur la base de relations de confiance préexistantes. Ces groupes sont imbriqués et représentent des ensembles de partage de risque. Cette approche est plus générale que les approches traditionnelles de groupe ou de réseau. Je caractérise les accords stables sans faire d’hypothèses sur le taux d’escompte. J’identifie les caractéristiques des réseaux stables qui correspondent aux taux d’escomptes les plus faibles. Bien que l’objectif des assurances informelles soit de lisser la consommation, je montre que des effets externes liés notamment à la valorisation des liens interpersonnels renforcent la stabilité. Je développe un algorithme à pas finis qui égalise la consommation pour tous les individus liés. Le fait que le nombre de pas soit fini (contrairement aux algorithmes à pas infinis existants) fait que mon algorithme peut inspirer de manière réaliste des politiques économiques. Enfin, je donne des résultats de statique comparée pour certaines valeurs exogènes du modèle.

Une nouvelle méthode smoothed particle hydrodynamics : simulation des interfaces immergées et de la dynamique Brownienne des molécules avec des interactions hydrodynamiques

Dans cette thèse, nous présentons une nouvelle méthode smoothed particle hydrodynamics (SPH) pour la résolution des équations de Navier-Stokes incompressibles, même en présence des forces singulières. Les termes de sources singulières sont traités d'une manière similaire à celle que l'on retrouve dans la méthode Immersed Boundary (IB) de Peskin (2002) ou de la méthode régularisée de Stokeslets (Cortez, 2001). Dans notre schéma numérique, nous mettons en oeuvre une méthode de projection sans pression de second ordre inspirée de Kim et Moin (1985). Ce schéma évite complètement les difficultés qui peuvent être rencontrées avec la prescription des conditions aux frontières de Neumann sur la pression. Nous présentons deux variantes de cette approche: l'une, Lagrangienne, qui est communément utilisée et l'autre, Eulerienne, car nous considérons simplement que les particules SPH sont des points de quadrature où les propriétés du fluide sont calculées, donc, ces points peuvent être laissés fixes dans le temps. Notre méthode SPH est d'abord testée à la résolution du problème de Poiseuille bidimensionnel entre deux plaques infinies et nous effectuons une analyse détaillée de l'erreur des calculs. Pour ce problème, les résultats sont similaires autant lorsque les particules SPH sont libres de se déplacer que lorsqu'elles sont fixes. Nous traitons, par ailleurs, du problème de la dynamique d'une membrane immergée dans un fluide visqueux et incompressible avec notre méthode SPH. La membrane est représentée par une spline cubique le long de laquelle la tension présente dans la membrane est calculée et transmise au fluide environnant. Les équations de Navier-Stokes, avec une force singulière issue de la membrane sont ensuite résolues pour déterminer la vitesse du fluide dans lequel est immergée la membrane. La vitesse du fluide, ainsi obtenue, est interpolée sur l'interface, afin de déterminer son déplacement. Nous discutons des avantages à maintenir les particules SPH fixes au lieu de les laisser libres de se déplacer. Nous appliquons ensuite notre méthode SPH à la simulation des écoulements confinés des solutions de polymères non dilués avec une interaction hydrodynamique et des forces d'exclusion de volume. Le point de départ de l'algorithme est le système couplé des équations de Langevin pour les polymères et le solvant (CLEPS) (voir par exemple Oono et Freed (1981) et Öttinger et Rabin (1989)) décrivant, dans le cas présent, les dynamiques microscopiques d'une solution de polymère en écoulement avec une représentation bille-ressort des macromolécules. Des tests numériques de certains écoulements dans des canaux bidimensionnels révèlent que l'utilisation de la méthode de projection d'ordre deux couplée à des points de quadrature SPH fixes conduit à un ordre de convergence de la vitesse qui est de deux et à une convergence d'ordre sensiblement égale à deux pour la pression, pourvu que la solution soit suffisamment lisse. Dans le cas des calculs à grandes échelles pour les altères et pour les chaînes de bille-ressort, un choix approprié du nombre de particules SPH en fonction du nombre des billes N permet, en l'absence des forces d'exclusion de volume, de montrer que le coût de notre algorithme est d'ordre O(N). Enfin, nous amorçons des calculs tridimensionnels avec notre modèle SPH. Dans cette optique, nous résolvons le problème de l'écoulement de Poiseuille tridimensionnel entre deux plaques parallèles infinies et le problème de l'écoulement de Poiseuille dans une conduite rectangulaire infiniment longue. De plus, nous simulons en dimension trois des écoulements confinés entre deux plaques infinies des solutions de polymères non diluées avec une interaction hydrodynamique et des forces d'exclusion de volume.