In this thesis, material properties have been examined under extreme conditions in computer-based calculations. The research on iron (Fe), nickel (Ni), and ferropericlase (Mg1-xFexO) are not only important for our understanding of the Earth, but also for an improved knowledge of these materials per se. An embedded-atom model for Fe demonstrated to reproduce properties such as structure factors, densities and diffusion constants, and was employed to evaluate temperature gradients at Earth core conditions. A similar interaction together with a two-temperature method was applied for the analysis of shock-induced melting of Ni. For Mg1-xFexO, the magnetic transition pressure was shown to increase with iron content. Furthermore, the C44 softening with pressure and iron composition supports the experimentally observed phase transition for Mg0.8Fe0.2O at 35 GPa. The properties of high density helium (He) is of great interest as the gas is one of the most abundant elements in the solar system. Furthermore, He and neon (Ne) are often used as pressure media in diamond anvil cells. The melting of He showed a possible fcc-bcc-liquid transition starting at T=340 K, P=22 GPa with a Buckingham potential, whereas the bcc phase was not seen with the Aziz form. For Ne, Monte Carlo calculations at ambient pressure showed very accurate results when extrapolating the melting temperatures to an infinite cluster limit. At high pressure, a one-phase ab initio melting curve showed a match with one-phase L-J potential results, which could imply a correspondence between ab initio/classical one-phase/two-phase calculations. In the search for hard materials, ab initio calculations for four TiO2 phases were compared. Just as imposed by experiment, the cotunnite phase was found to be very hard. The anomalous elastic behavior of the superconducting group-V metals V, Nb, Ta was found to be related to shrinking nesting vectors and the electronic topological transition (ETT).

There is solid evidence that complex human diseases can be caused by rare variants. Next generation sequencing technology has revolutionized the study of complex human diseases, and made possible detecting associations with rare variants. Traditional statistical methods can be inefficient for analyzing sequence data and underpowered. In addition, due to high cost of sequencing, it is also necessary to explore novel cost effective studies in order to maximize power and reduce sequencing cost. In this thesis, three important problems for analyzing sequence data and detecting associations with rare variants are presented. In the first chapter, we presented a new method for detecting rare variants/binary trait associations in the presence of gene interactions. In the second chapter, we explored cost effective study designs for replicating sequence based association studies, combining both sequencing and customized genotyping. In the third chapter, we present a method for analyzing multiple phenotypes in selected samples, such that phenotypes that are commonly measured in different studies can be jointly analyzed to improve power. The methods and study designs presented are important for dissecting complex trait etiologies using sequence data.

In recent years, the United States Departments of Homeland Security (DHS) and Customs and Border Protection (CBP) have been charged with the task of scanning every cargo container crossing domestic borders for illicit radioactive material. This is accomplished by using gamma-ray detection systems capable of discriminating between non-threatening radioisotopes, such as Cs-137, which is often used in nuclear medicine, and fissile material, such as U-238, that can be used to make nuclear weapons or "dirty" bombs. Scintillation detector systems, specifically thallium-doped sodium iodide (NaI(Tl)) single crystals, are by far the most popular choice for this purpose because they are inexpensive relative to other types of detectors, but are still able to identify isotopes with reasonable accuracy. However, increased demand for these systems has served as a catalyst for the research and development of new scintillator materials with potential to surpass NaI(Tl). The focus of a majority of recent scintillator materials research has centered on sintered transparent ceramics, phosphor-doped organic matrices, and the development of novel single crystal compositions. Some of the most promising new materials are glass-ceramic nanocomposites. By precipitating a dense array of nano-scale scintillating crystals rather than growing a single monolith, novel compositions such as LaBr₃(Ce) may be fabricated to useful sizes, and their potential to supersede the energy resolution of NaI(Tl) can be fully explored. Also, because glass-ceramic synthesis begins by casting a homogeneous glass melt, a broad range of geometries beyond the ubiquitous cylinder can be fabricated and characterized. Finally, the glass matrix ensures environmental isolation of the hygroscopic scintillating crystals, and so glass-ceramic scintillators show potential to serve as viable detectors in alpha- and neutron-spectroscopy in addition to gamma-rays. However, for the improvements promised by glass-ceramics to become reality, several material properties must be considered. These include the degree of control over precipitated crystallite size, the solubility limit of the glass matrix with respect to the scintillating compounds, the variation in maximum achievable light yield with composition, and the peak wavelength of emitted photons. Studies will focus on three base glass systems, sodium-aluminosilicate (NAS), sodium-borosilicate (NBS), and alumino-borosilicate (ABS), into which a cerium-doped gadolinium bromide (GdBr₃(Ce)) scintillating phase will be incorporated. Scintillator volumes of 50 cubic centimeters or greater will be fabricated to facilitate comparison with NaI(Tl) crystals currently available.

Le cancer colorectal (CCR) est le troisième cancer dans le monde et devenu un véritable enjeu de santé publique. Environ 5% sont associés à une forme familiale : la polypose adénomateuse familiale, le Syndrome de Lynch et la MAP (MUTYH-Associated Polyposis). Implication du syndrome MAP dans les polyposes: Parmi 31 patients avec une polypose sans mutation sur APC, 6 (20%) présentaient une mutation biallélique sur MUTYH. Fréquence de la mutation c.1185_1186dup dans les MAP: Au sein d'un groupe de 36 familles mutées sur MUTYH, 11 avaient une mutation biallélique homozygote c.1185_1186dup. Cette mutation était significativement plus fréquemment observée chez les patients d'Afrique du Nord (79% vs. 5%, p<0,0001). La recherche d'un haplotype commun en utilisant 10 microsatellites a identifié un segment de 1,3 cM présent chez tous les patients avec la mutation c.1185_1186dup. Variants rares (VR) de la cycline D1 : La comparaison des fréquences alléliques des VR de la cycline D1 fut réalisée entre les cas (112 patients avec une polypose indéterminée et 44 avec un CCR précoce) et 866 témoins. Les VR étaient plus fréquemment observés dans le groupe de malades. En combinant les VR, une augmentation du risque était retrouvée pour le groupe de patients avec une polypose indéterminée: (OR=2,2); 95%IC, 1,1-4,4; P=0,03). Rôle des variants rares : 70 variants provenant de 17 gènes ont été examinés au sein de la même population. 21 était des VR (fréquence<1%) et 4 étaient plus fréquemment observés chez les cas (EXO1-12, MLH1-1, CTNNB1-1 et BRCA2-37, p<0,05). En combinant tous les VR avec une fréquence allélique <0,5%, un sur risque de 3,2 était observé (95%CI=1,1-9,5; p=0,04)

Norfloxacin For Hepatopulmonary Syndrome: A Pilot Study of a Rare Disease Samir Gupta, Masters of Science, 2008 Graduate Department of Health Policy, Management and Evaluation University of Toronto Introduction: Hepatopulmonary Syndrome is a rare disease characterized by abnormal gas-exchange and a poor prognosis, with no known effective medical therapy. A rat model and preliminary human data suggest that this disease may be caused by intestinal bacterial overgrowth, systemic endotoxemia and increased nitric oxide. Methods: We conducted a pilot crossover randomized controlled trial of norfloxacin versus placebo over four weeks, in seven subjects with HPS or a milder condition called pre-HPS, with a primary outcome of alveolar-arterial oxygen gradient (AaDO2). Results: There was no trend toward improved AaDO2, this outcome and other intermediate outcomes were highly variable, and results suggested that a longer treatment course might be necessary. We identified multiple obstacles to recruitment. Conclusion: We believe that a full-scale study of norfloxacin therapy for HPS will require 1) a six-month therapeutic period, 2) more specific HPS diagnostic criteria for clinical and study populations, and 3) creative recruitment maneuvers.

Norfloxacin For Hepatopulmonary Syndrome: A Pilot Study of a Rare Disease Samir Gupta, Masters of Science, 2008 Graduate Department of Health Policy, Management and Evaluation University of Toronto Introduction: Hepatopulmonary Syndrome is a rare disease characterized by abnormal gas-exchange and a poor prognosis, with no known effective medical therapy. A rat model and preliminary human data suggest that this disease may be caused by intestinal bacterial overgrowth, systemic endotoxemia and increased nitric oxide. Methods: We conducted a pilot crossover randomized controlled trial of norfloxacin versus placebo over four weeks, in seven subjects with HPS or a milder condition called pre-HPS, with a primary outcome of alveolar-arterial oxygen gradient (AaDO2). Results: There was no trend toward improved AaDO2, this outcome and other intermediate outcomes were highly variable, and results suggested that a longer treatment course might be necessary. We identified multiple obstacles to recruitment. Conclusion: We believe that a full-scale study of norfloxacin therapy for HPS will require 1) a six-month therapeutic period, 2) more specific HPS diagnostic criteria for clinical and study populations, and 3) creative recruitment maneuvers.

Les Basses-Terres du Saint-Laurent renferment des saumures ayant des salinités équivalentes à 10 fois la salinité de l'eau de mer. Ces saumures, trouvées dans les unités cambro-ordoviciennes du Potsdam, Beekmantown, Chazy, Black River et Trenton, sont parfois associées à des accumulations de gaz naturel. Junex Inc. possède plusieurs puits dans la région de Bécancour où l'on retrouve ces saumures et accumulations de gaz naturel. On développa donc, en partenariat avec la société Junex, un projet permettant de caractériser les saumures en y analysant les concentrations et les rapports isotopiques en gaz rares. L'objectif initial de ce projet était de déterminer la provenance de ces saumures, d'évaluer un temps de résidence et de contraindre un âge de migration, s'il y avait lieu. Les analyses en ions majeurs (Ca, Na et CI) et isotopiques (δ¹⁸O, δD et ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr) indiquent que les saumures ont probablement interagi pendant un certain temps avec une roche silicatée, impliquant que les saumures auraient migré verticalement du socle ou du grès de base à leur position stratigraphique actuelle. Afin de mieux caractériser l'origine des saumures, on échantillonna du gaz provenant de 8 puits appartenant à la société Junex Inc. Ces échantillons furent analysés au laboratoire de gaz rares de l'Université du Michigan pour les divers isotopes d'hélium, néon, argon, krypton et xénon. Les résultats des isotopes de ceux-ci présentent une signature mantellique diluée par une production radiogénique et une contamination atmosphérique. Les relations entre les principaux isotopes radiogéniques (⁴He, ²¹Ne* et ⁴⁰Ar*) suggèrent que ceux-ci sont tous présents et produits dans la roche. On peut donc déduire que le signal mantellique provient d'une source avec un rapport ²¹Ne/²²Ne plus faible que celui des MORB (0.075) et implique donc la présence d'une source plus profonde. On s'est inspiré du modèle de Torgersen pour produire un modèle de vieillissement du signal mantellique. En testant un signal mantellique initial provenant des Montérégiennes, soit une source de type HIMU, on obtient des âges correspondants, soit entre 66 Ma et 250 Ma. Puisque le modèle est concordant, on peut affirmer que les Montérégiennes sont la source la plus plausible pour le signal mantellique observé. On peut aussi statuer que les saumures et les gaz rares mantelliques observés ont probablement une origine commune. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Géochimie des gaz rares, Saumures, Gaz naturel, Bécancour, Intrusions Montérégiennes.

Au Canada, un nombre élevé d'espèces de fougères ne se trouve que dans des habitats très restreints et spécialisés et n'ont qu'un faible nombre de populations connues, contenant seulement quelques individus. Ceci est reflété par le nombre élevé de fougères par rapport aux autres plantes vasculaires que l'on retrouve sur les listes d'espèces en péril. Un exemple de ceci est la woodsie à lobes arrondis (Woodsia obtusa), qui, bien que très commune vers le centre de son aire de répartition, est extrêmement rare dans la partie septentrionale de son aire de répartition dans le sud du Canada, où elle est connue à partir de seulement huit populations contenant peu d'individus. Des travaux récents ont montré que de l'habitat propice est disponible pour cette espèce à l'intérieur et à proximité de ses populations existantes au Canada. Par conséquent, il semblerait que, contrairement au paradigme qui suggère que les fougères sont principalement limitées par la disponibilité de l'habitat propice en raison des faibles limitations à la dispersion et à l'établissement, la woodsie à lobes arrondis est limitée dans sa capacité à disperser ses spores et/ou à recruter des individus et/ou à survivre en tant que sporophyte, puisque ces limitations sont les seules explications probables de non-saturation de l'habitat propice. Par une série d'expériences de terrain et de laboratoire, nous tentons de déterminer si une ou plusieurs des étapes du cycle de vie de la woodsie à lobes arrondis sont affectées négativement par certains facteurs environnementaux à la partie septentrionale de son aire de répartition, ce qui aurait comme effet de limiter la capacité de l'espèce à saturer l'habitat propice et donc d'établir plus de populations que l'on en retrouve actuellement. Ces expériences sont séparées en trois volets : i) la dispersion, ii) le recrutement des gamétophytes et des sporophytes et iii) la survie du sporophyte. Pour mesurer la dispersion des spores, nous avons recueilli des échantillons de sol à l'intérieur et autour (jusqu'à 50 mètres) de deux populations de l'espèce et nous les avons incubées dans des conditions propices pour favoriser la germination des spores et le développement ultérieur des gamétophytes. Des spores viables de woodsie à lobes arrondis (n = 638) ont germé dans plus de la moitié des échantillons de sol prélevés (69/130). Sur les 638 spores qui ont germé, 571 provenaient des sols situés à l'intérieur de cinq mètres du centre des populations, montrant un patron très inégal (leptokurtique) de dispersion des spores. Bien que nos résultats montrent que des spores viables se dispersent dans l'habitat propice, un manque apparent de recrutement in situ suggère que certains facteurs, notamment les taux faibles d'humidité dans l'habitat xérique de la woodsie à lobes arrondis au Canada, limite l'établissement de nouveaux individus, réduisant ainsi la dispersion fonctionnelle à un minimum. Pour le recrutement des gamétophytes et sporophytes, des spores de woodsie à lobes arrondis ont été recueillies dans deux populations. Ces spores ont ensuite été semées dans des conditions contrôlées au laboratoire afin de mesurer les facteurs affectant le recrutement du gamétophyte et du sporophyte. Les paramètres testés étaient les suivants : le pH, l'intensité de la lumière, l'humidité initiale, l'arrosage ultérieur et la densité des spores. Pour le recrutement des gamétophytes, un pH acide est un facteur limitant, et l'arrosage et la lumière réduite avaient un effet positif faible, mais significatif. Pour les sporophytes, des niveaux extrêmes de pH (4 et 8,5) limitent le recrutement, et les deux traitements d'eau (humidité initiale et arrosage hebdomadaire) augmentent significativement le recrutement. Les résultats suggèrent que les faibles niveaux d'eau observés dans les habitats naturels de la woodsie à lobes arrondis au Canada limitent le recrutement des gamétophytes et, surtout, le recrutement des sporophytes. Ceci suggère que la niche de l'espèce est très réduite au Canada comparativement à celle observée dans le centre de son aire de répartition. Pour la survie des sporophytes, des sporophytes de six mois cultivés en serre ont été transplantés dans des parcelles expérimentales dans deux populations naturelles et la survie de ces sporophytes a été suivie pendant quatre ans. Dans chaque parcelle, des données environnementales ont été recueillies. Des modèles de régression logistique multivariée ont été construits pour expliquer quels facteurs environnementaux ont significativement affecté la survie. La survie des sporophytes transplantés était plus élevée au parc Frontenac (27,4%), où l'ouverture du couvert forestier était la plus importante (13,5%). Après quatre ans, tous les individus survivants produisaient des sporanges. Les principaux facteurs environnementaux favorables à la survie des sporophytes sont un haut niveau de luminosité et une faible quantité de litière. Ces études expérimentales ont révélé un certain nombre de facteurs limitants agissant à des degrés différents à toutes les étapes du cycle de vie de la woodsie à lobes arrondis. Toutefois, le principal facteur expliquant la rareté de la woodsie à lobes arrondis au Canada semble être les différences observées entre les niches des deux générations de son cycle de vie (gamétophyte et sporophyte). En fait il semblerait que, contrairement à la plupart des exemples tirés de la littérature, que dans ce cas, les niches du gamétophyte et du sporophyte sont très différentes, et montrent très peu de chevauchement. Les résultats montrent que le recrutement du gamétophyte et du sporophyte requièrent de l'eau, mais que les quantités d'eau nécessaires pour ces deux types de recrutement sont rarement trouvées dans les habitats xériques où les sporophytes adultes de la woodsie à lobes arrondis ont le plus de succès. Bien que l'exploitation de niches différentes à des étapes distinctes d'un cycle de vie soit un phénomène relativement commun chez les espèces animales mobiles (par exemple les amphibiens et les insectes), ceci s'avère un énorme handicap pour une espèce sessile, signifiant que pour s'établir un individu doit se trouver au bon endroit au bon moment pour que les deux générations de son cycle de vie puissent bénéficier de conditions favorables. Cela pourrait potentiellement expliquer la rareté de plusieurs espèces de fougères (ou d'autres taxons sessiles à deux générations distinctes) à la limite de leur aire de distribution, et pourrait être au moins en partie, sinon entièrement responsable du patron de rareté observé chez de nombreuses espèces de fougères. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Woodsie à lobes arrondis, dispersion, établissement, rareté, survie, théorie de la niche

Lithium and neodymium are two critical materials in our modern society, many technological solutions depend on them. Lithium is used in batteries, which are used in cars and portable electronics. Neodymium, which is a rare earth element, is mainly used in permanent magnets which are used in smartphones, hard disc drives and turbines. There are many reports regarding the availability of the metals, with different results. The available data on the reserves varies considerably, from the few sources there are. In this report, based on geological availability, forecasts are done to investigate how much the production can increase and when it will peak. The prognoses are based on historic production to which different functions, the logistic, gompertz and richards, are fitted with the least square method. The production will peak in the end of this century and in the beginning of the next century for both metals. The production of lithium does not seem to be sufficient for both producing electric and hybrid cars with only li-ion batteries along with fusion. The neodymium production will be sufficient for producing a lower percentage of direct driven wind turbines and electric cars with NiMH batteries. Lithium in seawater is sometimes considered a future source. Since the lithium concentration is low, large volumes have to be processed in order to extract a reasonable amount of lithium. Currently it is not economic to extract lithium from seawater.

On a global scale, the deployment of wind power plants is soaring. However, the availability of their construction materials could be a potential bottleneck, a problem rarely discussed in literature so far. Rare earth elements represent the most critical materials in terms of high economic importance, supply risk and environmental risk. This study therefore provides a market analysis of rare earths, ascertaining that geological scarcity is not the main problem. Instead, four kinds of market failure are identified: market power, co-production, by-production and negative externalities. Altogether, the market for rare earth metals is in a state of severe disequilibrium. Subsequently, an estimate of future rare earth demand patterns based on the wind power industry by 2050 reveals that the current level of supply is unlikely to be sufficient in the long run. To allow for a more elaborate analysis, two options of including a rare earth side condition in an integrated assessment model are finally suggested.