Les variations de forme affectant le mentum et les ailes de Chironomus riparius (Insecte, Diptère), en réponse à un stress toxique, ont été analysées par morphométrie traditionnelle et par morphométrie géométrique. Afin de comprendre les causes et les mécanismes impliqués dans la genèse de ces variations phénotypiques, nous avons étudié : (1) la relation entre stress chimique, réponse cellulaire et variations de forme, (2) l'importance des variations de forme selon que le stress soit simple ou multiple, (3) l'évolution des variations de forme après la métamorphose des organismes ainsi que leur transmission à la génération suivante. Pour ce faire, nous avons exposé des larves de Chironomus riparius pendant l'intégralité de leur cycle larvaire, à du plomb (entre 3 et 500 mg/kg de MS), à du 4-nonylphénol (entre 0 et 200 mg/kg de MS), ainsi qu'à deux sédiments multi-contaminés provenant du milieu naturel : l'un caractérisé par une faible pollution d'origine urbaine, l'autre par une forte pollution d'origine urbaine et industrielle. Nous avons mesuré les effets du plomb sur la biochimie des organismes (réserves énergétiques, concentration en métallothionéines et dommages cellulaires). En outre, pour tous les essais, nous avons évalué les variations morphologiques (phénodéviations, asymétrie fluctuante et changement de la forme moyenne) affectant une pièce buccale du chironome : le mentum. Nous les avons également quantifiées, pour les essais portant sur les matrices provenant du milieu naturel, sur les ailes des adultes ainsi que sur le mentum des larves appartenant à la génération suivante. Enfin, dans la station dans laquelle le sédiment faiblement contaminé a été échantillonné, les variations phénotypiques affectant le mentum de la population en place, appartenant au genre Chironomus, ont été mesurées. Si le plomb affecte la biochimie de la larve de chironome, son action est, en revanche, peu visible au niveau de la forme du mentum. De même, nous n'observons que peu de variations morphologiques de cette pièce buccale après une exposition au 4-nonylphénol. Au contraire, nous notons une augmentation des phénodéviations du mentum chez les larves ayant crû dans le sédiment faiblement contaminé provenant du milieu naturel, ce qui suggère un effet toxique de cette matrice. Dans le sédiment fortement pollué, les faibles niveaux de phénodéviations et d'asymétrie fluctuante observés pourraient être expliqués par la sélection au cours du développement larvaire des individus présentant les phénotypes les plus stables. Cette hypothèse expliquerait, en outre, la ré-augmentation des instabilités de développement que nous observons chez la génération suivante placée dans un sédiment témoin. Aucune augmentation du niveau d'asymétrie fluctuante n'est détectée sur les ailes des adultes provenant de larves exposées. Enfin, nous remarquons que le niveau d'anomalies du mentum relevé dans le milieu naturel est similaire à celui observé sur la souche de laboratoire exposée au sédiment provenant de cette station. Les résultats obtenus mettent en évidence la faible réponse des biomarqueurs de forme étudiés en présence d'une pression toxique, qu'elle soit unique ou multiple. Ils soulignent, en outre, l'importance de la génétique de la population dans la réponse morphologique observée. Ces résultats suggèrent un intérêt limité de ces marqueurs ontogéniques pour révéler un stress chimique chez Chironomus riparius / Using traditional and geometric morphometrics, we analysed morphological variations of the mentum and the wings in Chironomus riparius (Insecta, Diptera) exposed to toxic stress. To understand both the causes and mechanisms involved in phenotypic changes, we studied: (1) the relationship between toxic stress, cellular response and shape variations, (2) the pattern of shape variations according to the type of stress: single vs toxic mixture, (3) the evolution of shape variations after metamorphosis and the transmission of the morphological defects to the next generation. To achieve this, Chironomus riparius larvae were exposed during their entire larval life cycle, first to sediment spiked with lead (from 3 to 500 mg/kg dry weight) or 4-NP (from 0 to 200 mg/kg dry weight), second to two sediments sampled in the wild. The first of the latter was characterized by light urban pollution and the other by heavy urban and industrial pollution. We measured the effects of lead on three biochemical markers (energy reserve content, concentrations of metallothionein and cellular damages). Furthermore, for all the bioassays, we assessed shape variations (phenodeviations, fluctuating asymmetry and mean shape changes) of the mentum, a mouthpart structure of the chironomid larvae. For both the sediments sampled in the wild, we also assessed the shape changes of imago wings and the shape changes of the mentum affecting the next generation. At the station where the sediment was characterized by light urban pollution, we also measured morphological variations of the mentum in the Chironomid population belonging to the genus Chironomus. Despite the adverse effects of lead observed at the biochemical level, only slight effects were observed in the mentum shape. Similarly, 4-NP exposure did not induce strong phenotypic defects. On the contrary, mentum deformities increased in Chironomid larvae exposed to slightly contaminated sediment sampled in the wild. This might have been due to the exposure to the toxic mixture. In the heavily contaminated sediment, the low levels of both deformities and fluctuating asymmetry observed might have been the result of selection acting during early developmental stages. This hypothesis could thus explain the increase of developmental instability observed in the next generation placed in a control sediment. In the imago from exposed larvae, no increases in fluctuating wing asymmetry were detected. We observed that the level of morphological variations observed in natural population was similar to that detected in the laboratory in our stock culture reared in the sediment from this station. These results underlined the weak response of the shape biomarkers studied to toxic stress, whether related to multiple toxic exposure or not. Moreover, they highlighted the importance of genetics in shape changes. Consequently, the use of these ontogenic biomarkers as indicators of toxic stress in Chironomus riparius seems to be of limited interest

Le Morvan et les Cévennes sont des massifs protégés pour leur paysage et leur biodiversité exceptionnels. Cependant dès la Protohistoire, ces régions réputées pour la qualité de leur environnement ont été le lieu d’activités minières et métallurgiques. Les effets de telles activités peuvent être rémanents sur les écosystèmes, il est donc important dans un premier temps de les localiser, puis de quantifier leur impact sur la faune et la flore. Le présent travail propose une démarche pluridisciplinaire alliant archéologie, géochimie, écologie et écotoxicologie. L’application de méthodes statistiques empruntées à la prospection minière a permis de dresser des cartes de potentiel minier, supposées guider l’archéologue dans ses recherches de terrain. Des cartes de distribution spatiale des éléments traces métalliques ont été construites sur six sites (trois dans chaque parc). La biodisponibilité des éléments traces métalliques a été estimée sur des mulots, des truites et des bryophytes. Bien que la plupart de ces éléments semblent appartenir à la fraction non-extractible des sols, la part biodisponible restante peut être détectée dans des bioindicateurs. Une relation négative entre les indices de condition et la concentration en plomb dans les animaux, et dans certains cas une plus grande instabilité de développement a été trouvée, suggérant la présence d’effets délétères sur les organismes. L’impact des anciens sites miniers et métallurgiques est donc toujours décelable dans les écosystèmes actuels. Ces sites doivent être surveillés, notamment au sein des zones protégées supposées à tort comme éloignées de toutes contaminations anthropiques. / The Morvan and the Cevennes Massifs are nowadays protected for their outstanding landscape and biodiversity. However since Prehistory, these regions experienced mining and smelting activities. Because of remnant properties, locating these ancient sites is capital and then impact on fauna and flora must be estimated. This present work is based in on a pluridisciplinary approach combining archeology, geochemistry, ecology and ecotoxicology. Statistical methods, from modern prospection technique, have been applied in order to delineate geochemical anomalies, potentially due to mining exploitation and thus facilitate the archeological prospection. Spatial distribution maps of trace metals were built on six sites (three in each park). Biodisponibility was assessed thanks to the analyses of wood mice, trout and bryophytes. Even if it seems that most of these elements belong to the non-extractible fraction of soil, the remaining bioavailable trace metals can be detected in the bioindicators. A negative relationship between Pb concentrations in animals and their body condition indices was found, and in some cases developmental instability was higher, suggesting deleterious effect on current wildlife. As a consequence, the impact of past mining and smelting works is still traceable in ecosystems. For this reason, these sites should be monitored, particularly in protected areas thought to be relatively free of anthropogenic contamination.

Parmi les approches employées pour caractériser l’état sanitaire des populations antérieures, l’utilisation de l’asymétrie fluctuante (AF) pour rendre compte de la stabilité de développement (DS) du squelette est rare. Après plus d’un demi-siècle de recherches, la DS reste assez méconnue chez l’Homme. Aujourd’hui, les techniques de morphométrie géométrique permettent de quantifier plus finement les variations en analysant de nouveaux aspects morphologiques en 3D.Les objectifs de ce travail étaient:1-Déterminer si l’analyse morpho-géométrique de l’AF chez l’Homme permet de distinguer deux populations.2-Établir si cette distinction peut être attribuée à une différence d’état sanitaire.Les données de deux populations caractérisées par des contextes sanitaires distincts ont été confrontées. Deux échantillons de 70 paires de fémurs adultes d'âge et de sexe comparables ont été sélectionnés. Vingt-sept points-repères ont été positionnés sur chaque surface osseuse reconstruite en 3D. L’AF a été analysée en termes d’amplitude et de localisation sur le fémur.Finalement, cette analyse morpho-géométrique a permis de distinguer deux populations au contextes sanitaires distincts. La population la moins favorisée a exprimé un degré d’AF plus élevé. Considérant l’impact des facteurs potentiels de variation, le stress sanitaire explique le mieux les perturbations de la DS. Au vu de la localisation de l’AF sur le fémur, le facteur biomécanique semble aussi jouer un rôle relatif. Chez l’Homme, la localisation de l’asymétrie fluctuante peut donc être dirigée en partie par les contraintes biomécaniques, cependant son amplitude est principalement influencée par le stress sanitaire. / Among the approaches used to characterize the health status in past populations, the use of fluctuating asymmetry (FA) to evaluate developmental stability (DS) in bone is rare. After more than half a century of research, DS remains relatively unknown in humans. Today, geometric morphometrics techniques offer new perspectives. It is now possible to quantify variations more precisely and approach them by analyzing a new morphological element: shape.The aim of this work was twofold:1-Determine whether the geometric morphometrics analysis of FA in humans can distinguish two populations.2-Determine whether this distinction can be attributed to a difference in health status.The data of two populations of known and distinct health statuses and environmental contexts were compared. Two samples of 70 pairs of adult femurs of comparable age and sex were selected. Two sets of 27 landmarks were placed on the 3D isosurfaces of each femur. FA was analyzed and characterized in terms of range of magnitude and pattern of expression in the femur.Finally, this geometric morphometrics analysis allowed to distinguish two populations that have developed under distinct environmental conditions. The population that experienced higher levels of stress expressed a higher degree of FA. After considering the impact of potential factors of variation, the health stress seems to best explain disturbances of DS. However, given its pattern of expression on the femur, the biomechanical factor seems to play also a relative role. Therefore, in humans, the pattern of expression of FA is directed in part by biomechanical constraints but its magnitude remains mostly influenced by health stress.

Le but de notre étude était de valider un indicateur de la qualité de l’environnement, parmi trois approches : des mesures morphologiques de juvéniles de poissons ; la quantification de l’asymétrie fluctuante de leurs otolithes ; l’analyse de la forme de leurs otolithes. Les résultats in aquaria sur Dicentrarchus labrax ont montré une absence d’effet de mono contaminations par des polluants classiques comme le phosphore ou le zinc, à des concentrations correspondant à celles in situ en zones fortement anthropisées. Des concentrations plus élevées de zinc ont toutefois induit une modification de la forme des otolithes en plus d’un effet négatif sur la taille et le poids. Par nos prélèvement in situ sur trois ans d’Oblada melanura, nous avons mis en évidence de manière reproductible que, comparativement à des sites préservés et des arrivées de petits cours d’eau, des ports de plaisance de taille moyenne ont un effet négatif sur la longueur standard des juvéniles et induisent une modification de la forme de leurs otolithes. De l’ensemble de nos résultats nous pouvons déduire que tailles et poids sont facilement mesurables mais présentent des variabilités dans leurs réponses. La mesure de l’asymétrie des otolithes de juvéniles ne semble pas adaptée à une utilisation en bioindication. Au contraire, l’analyse de formes des sagittae de juvéniles paraît adaptée pour suivre des modifications de l’environnement pour des poissons de deux familles différentes, Moronidés et Sparidés. Cette analyse semble un outil prometteur en bioindication, applicable pour les gestionnaires de l’environnement. / The aim of our study was to validate the most suitable environmental indicator among three approaches: morphological measurements of fish juveniles; quantification of the fluctuating asymmetry of their otoliths; analysis of their otolith shape. In aquaria, results for Dicentrarchus labrax have shown that mono-contamination by classical pollutants, such as phosphorus or zinc, has no effect for concentrations corresponding to those measured in highly anthropized environments. Nevertheless, higher zinc concentrations induce otolith shape alterations in addition to their negative impact on fish size and weight. On the basis of our three-year in situ Oblada melanura samplings, we have demonstrated that, in a replicable manner, compared to preserved areas and small waterway mouths, mid-size recreational harbours negatively impact juvenile standard length and also alter otolith shape. By comparison with in aquaria results, these alterations are consistent with a synergy of disturbance sources which taken independently do not have any impact. Taking into account all our results, we deduce that size and weight are easy to measure but show response variability. Measurement of fish juvenile otoliths' fluctuating asymmetry does not seem to be suitable for use in bioindication. Conversely, fish juvenile sagittae shape analysis is well-suited to surveys of environmental modifications, for fishes from two different families, Moronidae and Sparidae. This analysis seems to be a promising tool for bioindication, with a practical application for environmental managers.

Pour bien comprendre comment les espèces actuelles ont évolué, il est important d’étudier certains groupes clés. Ces groupes clés sont parfois bien négligés au profit d’autres groupes apparentés. L’embranchement Hemichordata forme, avec Echinodermata, le clade Ambulacraria. Ce dernier, avec l’embranchement Chordata, forme le super-embranchement Deuterostomia. Parmi les deutérostomes, la classe d’hémichordé Enteropneusta est souvent considérée comme étant la plus ressemblante au dernier ancêtre commun des deutérostomes. Les entéropneustes partagent en effet plusieurs caractéristiques avec Chordata et Ambulacraria et en étudiant celles-ci on peut reconstruire et comprendre leurs états ancestraux. Dans le chapitre d’introduction, j’aborde la morphologie générale des hémichordés et leurs relations évolutives avec les deux autres embranchement deutérostomes. Je présente aussi les caractéristiques qu’ils partagent avec les échinodermes et les cordés. J’aborde ensuite les formes que prennent les parties dures chez les animaux et en particulier chez les deutérostomes. Dans le chapitre deux, j’examine et décris la forme et la composition chimique des osselets chez huit espèces d’hémichordé. Cette étude représente un énorme bond dans nos connaissances sur la biominéralisation chez les hémichordés, car jusqu’à présent les osselets n’avaient été décrits que chez deux espèces, et la composition chimique déterminée chez une seule d’entre elle. J’interprète également ces données dans un contexte évolutif, car les osselets d’hémichordé sont probablement homologues au squelette des échinodermes. Ce chapitre est important, car il nous donne une hypothèse sur l’origine des osselets chez le dernier ancêtre commun des ambulacraires. Dans le chapitre trois, je quantifie l’asymétrie dans les fentes pharyngiennes de populations de deux espèces d’entéropneustes et d’une espèce de cordé non-vertébré. En mettant ces différents nivaux de symétrie en parallèle avec leur comportement alimentaire, les résultats supportent l’hypothèse de l’alimentation par filtration comme rôle initial des fentes pharyngiennes chez les deutérostomes et que la perte de cette fonction induit du bruit développemental, une vestigialisation ou une perte des fentes branchiales. Dans le chapitre quatre, J’utilise la micro-tomographie aux rayons-X pour décrire une espèce d’hémichordé qui était jusqu’à présent un numen nudum. Cette nouvelle technique est comparée avec l’histologie traditionnelle afin de prouver qu’elle pourrait être utilisée dans les futures études taxonomiques sur les hémichordés. Dans le chapitre cinq, je présente quelques expériences qui ont dû être exclues des chapitres précédents car elles ont donné des résultats négatifs non-publiables. Je discute des raisons pour lesquelles ces expériences ont échoué ainsi que quelques pistes de solutions possibles pour qui voudrait tenter de les refaire. Ensuite je récapitule les résultats des chapitres précédents pour montrer comment étudier les hémichordés peut encore nous apprendre beaucoup sur d’autres groupes pourtant déjà très étudiés. / The phylum Hemichordata forms, with Echinodermata, the group Ambulacraria that in turns forms with Chordata, the Deuterostomia. Among deuterostomes, the hemichordate class Enteropneusta is often viewed as the group that most closely resembles the last common ancestor of deuterostomes. Enteropneusts indeed share many traits with the other two deuterostome phyla and by studying them, we can infer the ancestral states of those traits. In the first chapter, I present the general morphology of hemichordates and their relationships with the other two deuterostome phyla. I also discuss the shared traits between the hemichordates, the echinoderms and the chordates. Last, I present the varied shapes that hard parts can take in animals, with a focus on deuterostomes. In chapter two, I describe the shape and mineral composition of ossicles in eight enteropneust species. This study is a major leap in our understanding of biomineralization in Hemichordata since up to this point ossicles were only described in two species and the mineral composition determined for only one. I discuss these results in an evolutionary context since hemichordate ossicles are probably homologous with echinoderm skeletal ossicles. This chapter is significant because it provides a hypothesis on the origin of ossicles in the last common ancestor of ambulacrarians. In chapter three, I quantify the level of asymmetry of the pharyngeal slits in populations of two species of enteropneusts and the invertebrate cephalochordate Branchiostoma floridae. We found that adults of these species display fluctuating asymmetry in the gills and that this asymmetry is lower in filter feeding. This is significant because it supports the hypothesis that filter feeding is an ancestral feature of deuterostomes and that the loss of this function increases developmental noise, vestigiality, or loss of the gills. In chapter four, I use X-ray microtomography to describe the enteropneust Balanoglossus occidentalis that was heretofore a nomen nudum. This new technique is compared with traditional histology to show that it is a viable tool in hemichordate taxonomical studies. In chapter five, I present a few experiments that had to be excluded from the other chapters because they gave negative, unpublishable results. I discuss the probable causes of their failures and potential ways to solve these issues for those who would want to pursue them further. Finally, I summarise the results of the previous chapters to show how studying hemichordates can still teach us a lot about the origin and evolution of the better studied deuterostome phyla.