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Modèles et algorithmes pour l'évolution biologique / Algorithms and methods for evolutive biology

Chabrol, Olivier 14 December 2017 (has links)
Cette thèse aborde plusieurs questions relatives à l’évolution biologique au moyen de modèles mathématiques et d’algorithmes de calcul les utilisant. Elle se trouve donc à l’intersection des mathématiques, de l’informatique et de la biologie. La question principale étudiée dans la thèse est la mise en évidence de signatures moléculaires de la convergence évolutive qui est le phénomène par lequel des espèces éloignées développent indépendamment des caractères similaires. Nous proposons une approche originale permettant de détecter les positions des protéines potentiellement impliquées dans la convergence d’un caractère binaire donné. Celle-ci repose sur une mesure du “niveau de convergence” des positions, qui est une espérance déterminée sous des modèles Markoviens d’évolution protéique. Nous donnons un algorithme de calcul polynomial de cet indice et montrons (i) qu’il discrimine mieux que les méthodes précédentes, les positions convergentes des “neutres” sur des simulations et (ii) que notre approche donne des résultats qui font sens biologiquement sur un exemple réel.Dans le but de pouvoir traiter à terme de la convergence de caractères continus, comme le poids ou la taille, nous nous sommes ensuite intéressés à la détection de changements de tendance évolutive le long d’un arbre représentant l’évolution des espèces. Nous proposons une nouvelle méthode qui, à notre connaissance, est la première à être basée sur un principe de parcimonie où l’on cherche à déterminer la position du changement permettant de minimiser un certain coût évolutif sur l’arbre. / In this thesis, we studied questions about biological evolution by using mathematical models and bio-informatic algorithms. This work is at the intersection of mathematics, computer science and biology.The major question addressed in this thesis is the detection molecular basisof phenotypic convergence. Evolutionary convergence is the process by which independent species develop similar traits. This evolutionary process is strongly related to fundamental questions such as the role of adaptation .After pointing out different biological concepts linked to evolutionary convergence, we proposed a novel approach combining an original measure of the extent to which a site supports a phenotypic convergence to a binary trait. Thismeasure is based on the “convergence level” of a site which is a mathematical expectation under Markov evolutionary model. We proposed a polynomial time algorithm to compute this index. Our algorithm outperformed two previous algorithms in distinguishing simulated convergent sites from non-convergent ones. With the aim to study the evolutionary convergence of continuous traits, like weight and size, we tried to detect change in evolutionary trends of continuous characters along the tree of life. We proposed a novel method based on anasymmetric version of the linear parsimony, for determining the position of the change in trend which minimizes the total evolutionary cost of the tree. By using the approach on two biological datasets, we obtained results consistentwith those given by previous stochastic approaches.
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Diversity, ecology and evolution of monocaulous plants in New Caledonia / Diversité, écologie et évolution des plantes monocaules de Nouvelle-Calédonie

Bruy, David 28 November 2018 (has links)
L’évolution convergente des formes de croissance est un phénomène fondamental reliant l’écologie et l’évolution des plantes. Remarquablement illustré dans plusieurs systèmes insulaires, ce phénomène n’a jamais été identifié en Nouvelle-Calédonie, pourtant connue pour la richesse et l’originalité de sa flore. Par une approche combinant architecture des plantes, traits fonctionnels, taxonomie, phylogénie et données environnementales, cette thèse analyse l’histoire évolutive de la monocaulie, une forme de croissance mal connue, en Nouvelle-Calédonie. Les monocaules sont des plantes autoportantes ligneuses dont les fonctions majeures sont assurées par une seule tige apparente. En Nouvelle-Calédonie, elles sont représentées par 182 espèces dicotylédones appartenant à 41 genres et 30 familles et sont gravement menacées d’extinction. L’évolution répétée de la monocaulie en Nouvelle-Calédonie, issue d’au moins 31 événements d’apparition, est l’un des cas les plus remarquables de convergence en milieu insulaire. Dans le genre Atractocarpus, la monocaulie est apparue récemment deux à trois fois via diverses réductions des branches en inflorescences, montrant l’importance des processus hétérochroniques dans l’évolution des formes de croissance. La monocaulie est fortement corrélée à plusieurs traits démontrant des contraintes majeures dans la coordination fonctionnelle. L’évolution de la monocaulie est fortement associée aux forêts denses humides et au substrat ultramafique, et semble avoir contribué à la diversification des lignées par des phénomènes de partitionnement de niche. La remarquable convergence de la monocaulie en Nouvelle-Calédonie peut s’expliquer par quatre hypothèses majeures liées (i) à la structure particulière des forêts denses humides (en lien avec les cyclones) favorisant l’exploration unidirectionnelle de l’espace, (ii) aux contraintes édaphiques liées aux substrats ultramafiques favorisant la paupérisation architecturale, (iii) à l’absence historique de grands brouteurs, auxquels les monocaules sont particulièrement sensibles, et (iv) à la persistance des forêts denses humides lors des épisodes glaciaires (servant de refuges pour ces espèces sensibles) et leur expansion post-glaciaire (fournissant de nombreuses opportunités écologiques). / The convergent evolution in growth habit is a fundamental phenomenon linking plant ecology and evolution. Remarkably illustrated in island biotas, this phenomenon has never been identified in the original and megadiverse New Caledonian biodiversity hotspot. Through an approach combining plant architecture, functional traits, taxonomy, phylogeny and environmental data, this thesis analyses the evolutionary history of the scarcely known monocaulous growth habit in New Caledonia. Monocauls are self-supporting woody plants whose cardinal functions rely on a single visible stem. In New Caledonia, they are represented by 182 dicotyledonous species belonging to 41 genera and 30 families and are critically endangered. The repeated evolution of the monocaulie in New Caledonia, resulting from at least 31 independent events, is one of the most remarkable cases of convergence in insular environments. In the genus Atractocarpus (Rubiaceae), monocauly evolved recently two to three times through branch reductions into inflorescences, emphasizing the importance of heterochronic processes in the evolution of growth habit. Monocauly is strongly correlated with several traits illustrating major constraints in functional coordination. The evolution of monocauly is strongly associated with rainforests and ultramafic substrate, and seems to have contributed to the diversification of lineages by niche partitioning. The remarkable convergence toward monocauly in New Caledonia can be explained by four major hypotheses: (i) the structural features of rainforests (related to cyclone frequency and intensity) favoring unidirectional exploration of space, (ii) the edaphic constraints associated with ultramafic substrate favoring architectural pauperization, (iii) the historical absence of large native browsers to which monocauls are particularly sensitive, and (iv) the persistence of rainforest during – and spread-out after – glacial episodes that served as refugia and further provided ecological opportunities.
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Convergence dans l'évolution de la spécialisation d'hôte chez des tiques : modèle tiques-oiseaux de mer à distribution mondiale / Convergence in the evolution of host specialization of ticks : insights from two worldwide tick-seabird model systems

Dupraz, Marlène 15 December 2016 (has links)
Les interactions intimes et répétées entre hôtes et parasites peuvent engendrer la spécialisation d’un parasite à son hôte, grâce à des adaptations comportementales, morphologiques et/ou génétiques, combinées avec un flux de gènes limité. C’est un processus clef car il participe à l’évolution de la biodiversité parasitaire et peut ainsi permettre de mieux comprendre l’émergence d’organismes pathogènes. Encore peu étudié, une spécialisation d’hôtes a néanmoins été démontré lors de précédentes études chez deux espèces de tiques nidicoles : chez Ixodes uriae une tique dure, parasite des oiseaux marins coloniaux en zone arctique, et dans un complexe de tiques molles Ornithodoros capensis sensu lato, parasitant aussi de nombreuses espèces d’oiseaux marins, mais cette fois-ci en zones tempérées et tropicales. Ces deux espèces sont vectrices d’une grande diversité d’agents pathogènes incluant des virus, des bactéries et des protozoaires. Cependant, les facteurs impliqués dans le phénomène de spécialisation d’hôte restent inconnus. Dans ce cadre, le but de ma thèse était donc de déterminer 1) si l’évolution des divergences en fonction des hôtes est toujours accompagnée par les mêmes changements phénotypiques et 2) si ces changements pourraient permettre d’identifier les facteurs de sélection sous-jacents. Dans ce contexte, des campagnes d’échantillonnage de tiques ont été menées durant la période de reproduction des hôtes oiseaux dans les différentes zones de leur répartition et nous avons réalisé des analyses morphométriques, basées sur l’utilisation de landmarks et de contours sur chaque individu tique et des analyses phylogénétiques et génétiques des populations sur les mêmes individus. L’ensemble de ces résultats suggère la présence de convergences morphologiques au sein de ces systèmes et souligne un rôle de la sélection dans ce processus de divergence. En effet, les caractéristiques écologiques des hôtes mais aussi le micro-habitat exercent des pressions sélectives importantes dans ces deux systèmes pouvant être à l’origine de la divergence observée entre les populations. De plus, les caractéristiques biologiques de chaque espèce de tiques, telle que la capacité de dispersion, entrent également en jeu et peuvent fortement modifier l’épidémiologie des agents infectieux dont elles sont vectrices.Mots clés : Argasidae, écologie de la transmission, évolution convergente, interactions hôte-parasite, Ixodidae, oiseaux marins. / Intimate and repeated interactions between hosts and parasites can lead to parasite specialization to a given host via behavioral, morphological and/or genetic adaptations that act in combination with restricted gene flow. Specialization is a key process leading to the generation of parasite biodiversity and can help us understand the emergence of pathogenic organisms. Although little studied, host specialization has already been demonstrated to occur in previous studies of two nidicolous tick species: Ixodes uriae a hard tick parasitizing colonial seabirds in polar regions, and soft ticks of the complex Ornithodoros capensis sensu lato, that also exploit colonial seabirds, but this time in temperate and tropical zones. Both of these species act as vector to a wide variety of pathogenic organisms, including viruses, bacteria and protozoa. However, the factors involved in host specialization remain unknown. In this context, the aim of my thesis was to determine 1) whether the evolution of host specialization is always accompanied by the same phenotypic changes and 2) whether these changes could help to identify the selective factors that influence this phenomenon. In this context, tick collections were conducted during the breeding period of the host birds in different areas of their distribution and morphometric analyses, based on landmark and contour methods, were performed on each individual tick. Phylogenetic and population genetic analyses were also carried out using the same individuals. Overall, the results demonstrate that morphological convergence occurs within these systems, highlighting the role of selection in the divergence process. Indeed, the ecological characteristics of the hosts, but also their micro-habitat, may exert significant selective pressures on ticks and may cause the observed divergence among populations. Likewise, the biological characteristics of each tick species, particularly in relation to dispersal capacity, may also come into play and will greatly modify the epidemiology of associated infectious agents.Keywords: Argasidae, convergent evolution, host-parasite interactions, Ixodidae, transmission ecology, seabirds.

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