A three year study covering one cycle in numbers of the brown and varying lemmings has been carried out at Baker Lake, Keewatin, N.W.T. An attempt was made to describe the events of the cycle in detail by snap trapping and live trapping techniques and by detailed autopsies on about 3U00 animals and from this to determine what explanations would fit the observations. Increase began from very low numbers in the summer of 1959 with tremendous population growth occurring over the winter of 1959-60. Little further increase occurred in the peak summer of 1960. A great decline occurred over the winter of 1960-61, and this decline continued through the summer of 1961 on the Main Study Area. Two changes in reproduction were associated with this cycle--changes in the length of the breeding season and in the weight at sexual maturity. Winter breeding occurred only in the period of increase, and a shortened summer breeding season occurred in the peak and to some degree in the decline. Young male Lemmus matured in the summer of increase but not in the peak or in the decline; young females matured in the increase and decline summers but not in the peak. The major change in mortality was a very high juvenile mortality in the summer of the decline. Changes in the quality of the animals were manifested not only by these reproductive and mortality changes but also by a 20-30% increase in mean body weights of the adults in the peak summer compared to the increase or decline summers. The role of the extrinsic factors is considered. There was no widespread destruction of the habitat, or any evidence of quantitative or qualitative food shortage in the animals of the decline. Neither predators, disease, nor parasites seemed to be the cause of the observed changes in mortality. The role of the intrinsic factors is also considered. Summer adrenal and spleen weights showed no clear relationship to the cycle. The amount of wounding on skins showed strong seasonal and yearly changes and was not a simple function of density. It was concluded from these observations that the lemming cycle could not be adequately explained by the conventional extrinsic factors such as food supply, but rather that it is essentially a self-regulatory phenomenon. The stress hypothesis proposed by Christian was also rejected as an adequate explanation of these events. The idea of Chitty that populations change in quality during changes in density was fully supported by these results. Behavioral changes in the population may constitute the crux of the lemming cycle, and Chitty's suggestion that these fluctuations may represent a genetic polymorphism involving aggressive behavior is not refuted by these data. / Science, Faculty of / Zoology, Department of / Graduate

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. [66]-77. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2009. / Bibliogr.: f. 67-76. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

De nombreux petits mammifères occupent une place centrale dans le réseau alimentaire de plusieurs écosystèmes dans le monde et l'Arctique ne fait pas exception. En exerçant une forte influence sur ses prédateurs et autres proies, les lemmings jouent un rôle clé dans le réseau alimentaire de la toundra arctique. Ainsi, la distribution spatiale des lemmings peut affecter la survie et le comportement de plusieurs espèces de ce réseau alimentaire. Cependant, on sait peu de choses sur les facteurs qui influencent la répartition spatiale des lemmings dans la toundra. Le but de ce projet était de caractériser l'influence de l'habitat sur la répartition des lemmings bruns (Lemmus trimucronatus) et des lemmings variables (Dicrostonyx groenlandicus) sur l'île Bylot dans le Haut-Arctique canadien à différentes échelles spatiales, allant de quelques dizaines de mètres à plusieurs dizaines de kilomètres. Le premier objectif était de déterminer l'influence des éléments biotiques et abiotiques sur l'utilisation de l'espace à l'échelle du domaine vital des lemmings bruns en été. Pour ce faire, nous avons déterminé comment les facteurs biotiques (i.e. végétation, prédation) et abiotiques (i.e. microtopographie, hydrologie) influençaient les variations spatiales des densités de lemmings bruns. Ceci a été réalisé à l'aide de captures multiples d'individus à l'intérieur de deux grilles de trappage de 11 ha. Nos résultats montrent que l'hydrologie, la prédation et l'approvisionnement en nourriture influencent la répartition des lemmings bruns à l'intérieur de leur domaine vital. Puisque l'hydrologie peut avoir des répercussions sur les risques de prédation et l'approvisionnement en nourriture, son rôle est majeur dans la répartition des lemmings bruns à fine échelle spatiale. Le deuxième objectif était de comprendre comment la répartition des populations des deux espèces varie en fonction de l'habitat à l'échelle du paysage. Nous avons également évalué la synchronie (ou asynchronie) spatiale des cycles de population à cette échelle en tenant compte de l'hétérogénéité de l'habitat. L'abondance de chaque espèce a été déterminée par la densité des nids d'hiver sur cinq sites s'étalant sur une distance de 50 kilomètres. Nous avons ensuite étudié l'influence des variables abiotiques (i.e. la propension du sol au creusage, la couverture de sable) et biotiques (i.e. les types de végétation, la couverture de matière organique) sur l'abondance de chaque espèce selon les sites. Nous avons trouvé une synchronie spatiale dans l'abondance des populations de lemmings variables à l'échelle de ~50 km, mais pas chez les lemmings bruns. Les types de communautés végétales selon un gradient hydrologique et la dureté du sol étaient les caractéristiques de l'habitat les plus influentes pour les deux espèces, les lemmings variables étant positivement liés à ces caractéristiques, alors que l'inverse a été observé pour les lemmings bruns. Ce projet met en évidence l'effet hiérarchique de différentes composantes de l'habitat, selon l'échelle spatiale, sur la répartition des lemmings dans la toundra. Nous avons ainsi démontré que les facteurs qui influencent la répartition des lemmings pouvaient varier entre les échelles du domaine vital de l'individu et du paysage et aussi de façon saisonnière, et que des variables d'habitat pouvaient affecter la synchronie spatiale dans les fluctuations de population d'une espèce. / Many small mammals occupy a central place in the food web of several ecosystems around the world and the Arctic is no exception. With a strong influence on its predators and other prey, lemmings play a key role in the food web of the arctic tundra. Thus, the spatial distribution of lemmings may affect the survival and behaviour of several species in this food web. However, little is known about the factors that influence the spatial distribution of lemmings in the tundra. The goal of this project was to characterize how habitat influences the distribution of brown (Lemmus trimucronatus) and collared (Dicrostonyx groenlandicus) lemmings on Bylot Island in the Canadian High Arctic at different spatial scales, ranging from tens of meters to tens of kilometres. The first objective was to determine the influence of biotic and abiotic elements on space use at the home range level of brown lemmings. This was achieved using multiple captures of individuals within two 11-ha trapping grids. To do so, we determined how biotic (i.e. vegetation, predation) and abiotic (i.e. microtopography, hydrology) factors influenced spatial variations in brown lemming densities. Our results show that hydrology, predation, and food supply influence the distribution of brown lemmings within their home range. Since hydrology can impact predation risk and food supply, its role is major in the distribution of brown lemmings at fine spatial scales. The second objective was to understand how the distribution of the populations of the two species varies with the habitat at the landscape level. We also assessed spatial (a)synchrony of the population cycles at that scale considering the habitat heterogeneity. The abundance of each species was determined through winter nest densities at five sites, spread over 50 kilometres. We investigated how abiotic (i.e. soil suitability for burrowing, sand cover) and biotic (i.e. vegetation types, organic matter cover) variables influence the abundance of each lemming species among the sites. We found a spatial synchrony in the abundance of collared lemming populations at a ~50 km scale, but not in brown lemmings. Variations in plant communities according to hydrology and soil hardness were the most influential habitat characteristics for both species, with collared lemmings being positively related to them, while the converse was observed for brown lemmings. This project highlights the hierarchical effect of different habitat components according to the spatial scale on the distribution of lemmings in the tundra. Indeed, we demonstrated that factors influencing lemming distribution could vary in importance between the individual home range and landscape scales as well as seasonally, and that habitat variables can affect spatial synchrony in the population fluctuations of one species.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Le manteau neigeux constitue un élément clé des paysages nordiques en hiver et peut affecter les espèces qui y vivent de multiples façons. Les processus hivernaux qui influencent l'écologie des espèces nordiques demeurent mal compris, même si de plus en plus d'études suggèrent qu'ils pourraient jouer un rôle essentiel dans leur cycle annuel. C'est le cas des lemmings, de petits rongeurs arctiques aux fluctuations cycliques de populations, qui demeurent actifs tout l'hiver sous le manteau neigeux. Ces petits mammifères jouent un rôle essentiel dans l'écosystème arctique, comme ils sont la proie principale de nombreux prédateurs retrouvés dans ces régions. Cette thèse examine l'impact de la neige sur les populations de lemmings bruns (Lemmus trimucronatus) et de lemmings variables (Dicrostonyx groenlandicus), les principales espèces retrouvées dans le Haut-Arctique canadien. Plus spécifiquement, cette thèse vise à comprendre l'impact des propriétés physiques de la neige sur (1) l'utilisation des différentes couches du manteau neigeux par les lemmings, (2) leur performance et leur effort déployé pour creuser dans la neige, (3) leur utilisation de l'habitat hivernal, et (4) leurs paramètres démographiques. Nous avions également pour but de contraster les impacts des propriétés physiques de la neige entre les deux espèces de lemmings. Cette étude a pris place à l'île Bylot, au Nunavut, où un suivi à long terme a permis l'utilisation de données provenant d'une série temporelle s'étalant de 2004 à 2022. En caractérisant les tunnels de lemmings dans le manteau neigeux, nous avons trouvé que ceux-ci sont toujours creusés dans la couche basale de givre de profondeur, généralement la couche la plus friable du manteau neigeux arctique. Contrairement à la croyance générale, les tunnels de lemmings sont creusés plus haut que le niveau du sol, tout juste sous une couche de neige plus dure, probablement pour éviter l'effondrement de leurs tunnels et ainsi les réutiliser. Ensuite, en exposant des individus captifs à de la neige de différentes duretés, nous avons montré que les lemmings creusent plus lentement et déploient plus d'effort à creuser dans une neige dure par rapport à une neige plus molle. L'étude de leurs nids d'hiver à travers le paysage nous a permis de mettre en lumière que les lemmings utilisent davantage les habitats où les manteaux neigeux sont plus épais, probablement pour réduire leur coût de thermorégulation. Cependant, l'utilisation préférentielle de ces sites vient souvent avec le compromis de la présence d'une couche basale de plus forte densité, ce qui semble nuire à la reproduction hivernale des lemmings. Nous avons également mis en évidence que les épisodes de pluie-sur-neige et de fonte-regel menant au durcissement de la couche basale de neige influencent négativement la reproduction ainsi que la croissance hivernale des populations de lemmings. Concernant les différences interspécifiques, nous avons trouvé que les lemmings variables sont plus performants à creuser dans la neige comparativement aux lemmings bruns et qu'ils ont un taux de reproduction hivernal plus élevé, appuyant l'hypothèse d'une meilleure adaptation à la vie hivernale. En somme, mes travaux soutiennent l'idée qu'un durcissement du manteau neigeux est néfaste pour les populations de lemmings, principalement en diminuant leur capacité à se reproduire en hiver, ce qui pourrait entraîner des répercussions sur leurs principaux prédateurs. Dans un contexte où les changements climatiques menacent de perturber le manteau neigeux, il est nécessaire d'approfondir notre compréhension de ses interactions avec les espèces nordiques. En fournissant des évidences quant à l'influence des propriétés physiques du manteau neigeux sur la thermorégulation et sur la locomotion des espèces nordiques, ma thèse contribue significativement à l'avancement des connaissances en écologie hivernale. / The snowpack constitutes a key element of Nordic landscapes in winter and can affect the species inhabiting them in various ways. Winter processes influencing the ecology of Nordic species remain poorly understood, even though an increasing number of studies suggest that they might play a crucial role in their annual cycle. This is the case for lemmings, small Arctic rodents with cyclic population fluctuations, which remain active throughout the winter under the snowpack. These small mammals play a vital role in the Arctic ecosystem as primary prey of numerous predators in the region. This thesis aims to elucidate the impact of snow on populations of brown lemmings (Lemmus trimucronatus) and collared lemmings (Dicrostonyx groenlandicus), the main species found in the Canadian High Arctic. More specifically, this thesis examines the impact of snow physical properties on (1) lemming use of the different snow layers; (2) their efficiency and effort to dig in the snow; (3) their winter habitat use; and (4) their demographic parameters. We also aimed to contrast the impact of snow properties between the two lemming species. This study took place on Bylot Island, Nunavut, where a long-term monitoring provided a time series data spanning from 2004 to 2022. By characterizing lemming tunnels within the snowpack, we discovered that they are consistently dug in the basal depth hoar, typically the softest layer of the arctic snowpack. Contrary to common belief, tunnels are excavated slightly above ground level, just beneath a harder snow layer, likely to prevent tunnel collapse and facilitate reuse. Then, in an experiment in which we exposed captive individuals to snow of varying hardness, we found that lemmings decrease their digging speed and increase their digging effort in hard snow compared to softest snow. The study of their winter nests across the landscape allowed us to highlight that lemmings use habitats where snowpacks is deeper, likely to reduce their thermoregulation costs. However, preferential use of these sites often comes at the cost of a denser basal snow layer, which appears to hinder the winter reproduction of lemmings. We also demonstrated that rain-on-snow and melt-freeze events leading to a hardening of the basal snow layer negatively impact winter reproduction and population growth of lemmings. Regarding interspecific differences, we found that collared lemmings are better at digging in the snowpack compared to brown lemmings and that they have a higher winter reproductive rate, which supports the hypothesis of a better adaptation to winter conditions. In summary, my work supports the idea that a hardening of the snowpack is detrimental to lemming populations, primarily by reducing their ability to reproduce in winter, which could have implications for their main predators. In a context where climate change threaten to disrupt the snowpack, it is essential to deepen our understanding of its interactions with Nordic species. By providing evidence of an influence of physical properties of the snowpack on thermoregulation and locomotion of Nordic species, my thesis significantly contributes to advancing our knowledge on winter ecology.

Nous examinons l'effet du couvert de neige sur la distribution spatiale des nids d'hiver des lemmings variables (Discrofonyx groenlandicus) et des lemmings bruns (Lemmus frimucronafus) sur l'île Bylot au Nunavut, Canada. Nous validons une méthode permettant de détecter l'activité de reproduction des petits mammifères à l'intérieur des nids d'hiver et étudions l'effet de la structure de l'habitat sur l'occurrence de cette reproduction. Nous évaluons le rôle du couvert nival en tant que protection contre la prédation exercée par l'hermine (Musfela erminea) et le renard arctique (Vulpes lagopus) sur les nids d'hiver des lemmings. Nos résultats suggèrent -que les nids d'hiver des deux espèces de lemmings sont principalement distribués sur des sites où l'hétérogénéité de la micro-topographie est élevée, la pente est forte, le couvert nival est épais et offre une protection thermique et l'abondance des mousses est relativement élevée. Nous démontrons qu'il est possible d'inférer l'occurrence de reproduction hivernale des petits mammifères à partir des fèces récupérées dans les nids d'hiver. Les probabilités d'occurrence de reproduction augmentent dans les sites à faible altitude à l'intérieur des nids de lemmings variables et avec la disponibilité de certaines plantes graminoïdes à l'intérieur des nids de lemmings bruns. L'épaisseur du couvert nival n'influence pas la prédation des nids d'hiver des lemmings par les hermines, mais semble limiter les tentatives de prédation exercées par les renards arctiques. En somme, nous concluons que le couvert nival joue un rôle déterminant sur la structure spatiale des populations de lemmings pendant l'hiver arctique.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Prédire l'abondance d'une espèce en un lieu donné représente encore aujourd'hui un défi de taille vu la diversité de facteurs à considérer et ce, à différentes échelles spatiotemporelles. En générant beaucoup de variabilité, autant dans leur abondance que dans les facteurs la régulant, les populations cycliques présentent des systèmes de choix pour étudier la dynamique des populations. Ce mémoire s'intéresse aux interactions prédateurs-proies, en examinant l'influence qu'a un prédateur spécialiste résident, l'hermine (Mustela richardsonii), sur les cycles de populations des lemmings du Haut-Arctique canadien (Lemmus trimucronatus & Dicrostonyx groenlandicus). Au chapitre 1, nous avons reconstitué les niveaux d'abondance de ce prédateur sur près de 30 ans grâce aux témoignages fournis par d'anciens observateurs. Selon nos résultats, les données issues des témoignages sont comparables à celles récoltées systématiquement. Au chapitre 2, en utilisant la série-temporelle d'abondance d'hermine issue du chapitre précédent, nous avons testé l'hypothèse du prédateur spécialistes (HPS) qui suppose un rôle prépondérant de ces prédateurs dans la génération des cycles de micromammifères. Comme prévu par l'HPS, nos résultats montrent que l'abondance d'hermine à l'an t est autant déterminée par les abondances passées (t-1) que présentes (t) de proies. De plus, des analyses saisonnières circonscrivent l'impact négatif de l'hermine sur les lemmings surtout à l'hiver, ce qui indique un rôle potentiel dans les déclins et le maintien à faible abondance des lemmings sur plus d'un an. Nos simulations soulignent aussi l'importance de l'hermine dans la création de phases de faible abondance. En somme, nos résultats montrent que l'hermine est nécessaire, bien qu'insuffisante, pour générer les cycles de 3 à 5 ans observés dans le Haut-Arctique. Ces travaux empiriques délimitent les conditions dans lesquelles les petits mustélidés pourraient influencer les cycles de populations et proposent des mécanismes permettant cette influence. / Predicting the abundance of a species at a given location still represents a sizable challenge given the multiple factors present at different spatiotemporal scales. By generating a lot of variability in their abundance as well as in the factors regulating it, cyclic populations become prime study systems to study population dynamics. This thesis focuses on the role of predator-prey interactions by investigating the influence that a specialist resident predator, the ermine (Mustela richardsoni), has on the population cycles of Canadian High-Arctic lemmings (Lemmus trimucronatus & Dicrostonyx groenlandicus). In the first chapter, we reconstructed the abundance of this predator over nearly 30 years thanks to the testimonials of past observers. Our results show that testimonial-based and systematically collected data are comparable. In chapter 2, using the abundance time-serie of ermine from the previous chapter, we tested the specialist predator hypothesis (SPH) which suppose a predominant role of these predators in generating small mammal cycles. As suggested by the SPH, our result showed that ermine abundance at year t was determined as much by past (t-1) and current (t) prey densities. Moreover, seasonal analysis suggests the negative impact of ermines on lemmings is mostly limited to winter, indicating a potential role in the decline and the maintenance of lemmings to low abundances for more than a year. Our simulations also indicate the importance of ermines in the generation of pluriannual low abundance phases. In sum, our results suggests that ermines are necessary yet insufficient to create the 3- to 5-year cycles observed in the High-Arctic. This empirical work delimits the conditions in which small mustelids may influence population cycles and suggests mechanisms permitting such influence.

Les lemmings sont célèbres pour leurs cycles de population multi-annuels. Pourtant, les forces qui contrôlent ces cycles sont encore mal comprises. Nos connaissances sur leur écologie hivernale sont limitées et il a été proposé qu’un couvert de neige de bonne qualité soit essentiel pour maintenir la dynamique cyclique des populations de lemmings. Premièrement, nous avons augmenté l’épaisseur de neige en installant des clôtures à neige et avons trouvé que les densités de nids d’hiver étaient plus élevées là où la neige était plus épaisse mais que la reproduction n’était pas influencée. Nous avons ensuite utilisé une série temporelle d’abondance de lemming brun (Lemmus trimucronatus) de 18 ans pour tester si la neige pouvait expliquer la variation résiduelle entre les densités de lemming observées et celles prédites par des modèles où la cyclicité était prise en compte. Nos analyses supportent l’hypothèse que le couvert de neige peut affecter l’amplitude des cycles de population de lemming. L’abondance estivale des lemmings était plus élevée suite à des hivers avec un couvert de neige épais et une couche de neige près du sol de faible densité. De plus, nous avons tenté de capturer des lemmings sous la neige dans leurs habitats hivernaux préférés en utilisant des boîtes ayant la forme de cheminée. Nous émettons l’hypothèse que notre faible succès de capture est dû aux lemmings qui quittent les zones de haut enneigement pour des zones de faible enneigement lors de l’inversion des températures sous-nivales au printemps. Nous avons aussi examiné si les populations de lemming pouvaient être limitées par les ressources alimentaires hivernales en installant des exclos dans leurs habitats préférés et en échantillonnant annuellement la biomasse de plantes à l’intérieur et à l’extérieur des exclos à la fonte de la neige et à la fin de la saison de croissance. Le broutement hivernal a eu très peu d’impact sur la biomasse totale de plante au printemps. Globalement, la croissance des plantes au courant de l’été n’a montré que de faibles variations annuelles et n’était pas réduite pendant les années de fortes abondances de lemming. Nos résultats suggèrent qu’il est peu probable que l’épuisement de la nourriture durant l’hiver soit la cause du déclin de la population de lemming après une année de pic d’abondance. Nous avons ensuite testé si la qualité de la neige pouvait affecter les taux de prédation mammalienne sur les lemmings et nous avons trouvé qu’un couvert de neige épais et dur contraignait le renard arctique (Vulpes lagopus) seulement lorsque celui-ci tentait d’attraper les lemmings en sautant à travers la neige, mais pas lorsqu’il creusait. La prédation par l’hermine (Mustela erminea) n’était pas affectée par l’épaisseur de neige et faiblement par la densité de nids d’hiver, mais était plus élevée dans l’habitat formée par les coulées bordant les ruisseaux. Finalement, nous avons examiné les patrons de prédation de l’hermine sur les lemmings. Nos résultats indiquent que l’hermine pourrait jouer un rôle clé dans la phase de déclin du cycle des lemmings en prélevant une forte proportion de la population de lemming durant les étés de pic d’abondance et en maintenant une pression de prédation élevée au cours de l’hiver suivant. En conclusion, il apparaît peu probable qu’à l’Île Bylot les processus du contrôle par le bas soient à l’origine du cycle des lemmings. Par contre, les prédateurs en combinaison avec le couvert nival pourraient jouer un rôle majeur dans le cycle des lemmings. / Lemmings are renowned for their multi-annual population cycles. Yet, what controls these cycles is still poorly understood. There are large gaps in our understanding of their winter ecology and a snow cover of good quality is thought to be an important factor for maintaining the cyclic dynamic of lemming populations. We first enhanced snow cover by setting out snow fences and found that densities of winter nests were higher where snow depth was increased but that reproduction was not influenced. We then used an 18-year time series of brown lemming (Lemmus trimucronatus) abundance to test if snow variables could explain the residual variation between the observed lemming density and the one predicted by models where cyclicity had been accounted for. Our analysis provides support for the hypothesis that snow cover can affect the amplitude of lemming population cycles. Summer abundance of lemmings was higher following winters with a deep snow cover and a low-density snow pack near the ground. In addition, we attempted to live trap lemmings under the snow in their preferred winter habitat using chimney-like boxes. We hypothesize that our low trapping success resulted from lemmings leaving the deeper snow areas where our boxes were located and moving to shallower snow or exposed tundra due to an inversion of sub-nivean temperatures in spring. We also examined if winter food resources could limit lemming populations by installing exclosures in their preferred habitat and sampling annually plant biomass inside and outside exclosures at snow-melt and at peak growth. Winter grazing had little impact on total plant biomass at snow-melt. Overall, plant regrowth during the summer showed few annual variation and was not reduced in years of high lemming abundance. Our results suggest that it is unlikely that food depletion during winter was the cause of the decline in lemming abundance following a year of peak abundance. We then tested if snow quality should affect mammalian predation rates on lemmings and found that deep and hard snow restricted fox (Vulpes lagopus) predation attempts made by jumping through the snow, but not those made by digging. Ermine (Mustela erminea) predation was unaffected by snow depth and weakly by nest density but was higher in stream gully habitats. Finally, we examined patterns of predation by ermines on lemmings. Our results indicate that ermines may play a key role in the lemming decline phase, by removing a large proportion of the lemming population during summers of peak abundance and by maintaining a high predation pressure during the following winter. In conclusion, it appears unlikely that bottom-up forces are at the origin of the lemming cycle at Bylot Island. However, our results suggest that predation, in combination with snow cover, could play a major role in the lemming population cycle.

The occurrence and ecology of the apicomplexan parasite Toxoplasma gondii in arctic wildlife is not well understood. Transmission cycles, especially in terrestrial systems, are enigmatic because environmentally resistant oocysts, shed by felid definitive hosts, might be less responsible for transmission in the Arctic than in more southern latitudes. Toxoplasma gondii can also be transmitted through the food web by carnivory, and by transmission from mother to fetus during gestation, and these routes are thought to play a large role in the ecology of T. gondii in the Arctic. In this thesis, I examine T. gondii in a well-described part of the food web at Karrak Lake, Nunavut, in the central Canadian Arctic and through experimental infections of domestic waterfowl. In the field over 3 years, I sampled generalist carnovires (arctic foxes), migratory herbivores (Ross’s Geese and Lesser Snow Geese), and resident herbivores (lemmings). Using an occupancy modeling approach that accounted for imperfect detection, I compared commonly used serological assays to estimate prevalence of T. gondii antibodies in sera from arctic foxes and eluted blood on filter paper from Ross’s geese and Lesser Snow Geese and compared commonly used serological assays. I also used a naïve estimator to determine prevalence of T. gondii antibodies in sera from Ross’s Geese and Lesser Snow Geese, and blood on filter paper from lemmings. I detected antibodies against T. gondii in sera from arctic foxes (47-60%, depending on age category), Ross’s Geese (32%) and Lesser Snow Geese (28%). I also detected antibodies in blood on filter paper from Ross’s Geese (39% seropositive) and Lesser Snow Geese (36% seropositive) but not in lemmings. These findings suggest that light geese might introduce T. gondii to the Karrak Lake ecosystem with the annual spring migration and that oocyst transmission might not occur in the terrestrial system, because the parasite was not detected in resident rodents. For the in vivo experimental infections, we used a novel application of a multi-scale occupancy framework to determine within-host detection probability of T. gondii in experimentally inoculated domestic geese and then used those results to guide tissue sampling in wild Ross’s Geese and Lesser Snow Geese. In the experimental inoculation trial, the heart and brain had the highest detection probability for T. gondii through a real-time PCR with melt-curve analysis. Toxoplasma gondii DNA was not detected in tissues from wild geese, suggesting that the parasite was either not present, or methodological difficulties prevented its detection. The research presented in this thesis forms the groundwork for further T. gondii studies in this region.

Les lentilles à cristaux liquides (CL) ajustables (TLCL en anglais) de différents diamètres sont activement développées pour différentes applications d'imagerie, telles que les caméras de téléphones intelligents et de surveillance, l'ophtalmologie, la réalité virtuelle et augmentée, etc. Grâce à l'anisotropie diélectrique et optique des matériaux CL, un changement dynamique de distance focale de la lentille est possible sans changer sa forme ou sans utiliser de mouvement mécanique, en appliquant un champ électrique externe. Cette thèse présente le projet de recherche, visant à créer un système de piège photographique pour l'observation des lemmings subnivéenne dans l'Arctique canadien. En particulier, il se concentre sur la partie optique du projet multidisciplinaire : concevoir une lentille à CL avec un foyer ajustable afin de rendre la caméra adaptative et d'obtenir une meilleure qualité d'image ou de vidéo. Les conditions environnementales extrêmes nécessitent une conception de TLCL particulière, qui fournira la puissance optique (PO) nécessaire, mais en même temps aura une faible consommation d'énergie et fonctionnera sans panne pour les températures froides. Dans le chapitre d'Introduction, un bref résumé des études d'observation des lemmings est présenté ainsi que des exemples de piégeage photographique d'animaux du monde entier. La deuxième partie d'Introduction est consacrée aux matériaux CL et aux différentes conceptions de TLCL. Des conceptions alternatives de lentilles adaptatives et des approches pour étendre la profondeur de champ sont également brièvement discutées. Le piégeage photographique dans l'Arctique présente de nombreux défis liés aux conditions météorologiques extrêmes et à son emplacement éloigné. Par conséquent, nous avons commencé le projet avec une conception de système de piège photographique qui peut surmonter ces défis et nous fournir des résultats préliminaires sur le terrain. Les particularités de la conception optique et mécanique de l'appareil sont expliquées dans le Chapitre 1 et les premières images de lemmings en Arctique sous la neige en hiver sont présentées. Les spectres de transmission des fenêtres optiques utilisées dans les pièges photographiques sont ajoutés en Annexe A. Pour rendre la caméra adaptative, nous avons commencé avec la conception bien connue de la lentille CL - lentille à contrôle modal, et avons étudié ses performances aux températures requises pour le projet (d'environ -20 ° à +20 °) - Chapitre 2. Afin d'assurer la bonne performance de la lentille malgré un changement de température considérable, nous avons mesuré expérimentalement les paramètres du matériaux (CL et couche faiblement conductrice ou WCL en anglais). Ensuite, la modélisation théorique de la lentille à contrôle modal a été effectuée pour optimiser la conception de la lentille et des échantillons expérimentaux ont été fabriqués et testés dans la plage de température requise. Nous avons trouvé un moyen d'athermaliser la lentille à contrôle modal, afin de pouvoir maintenir les mêmes POs et la même qualité d'image. Cependant, le WCL reste pas optimal pour les environnements avec des températures variables car sa résistance en dépend fortement. De plus, il est difficile de fabriquer du WCL et de contrôler sa résistance de surface. Par conséquent, dans le Chapitre 3, nous proposons une nouvelle conception d'une lentille à CL, basée sur une structure en spirale de oxyde d'indium-étain (ITO en anglais). Elle présente de nombreux avantages en termes de simplicité de fabrication, de moindre dépendance à la température, de consommation électrique, etc. Cette approche est également prometteuse pour d'autres applications d'imagerie telles que l'ophtalmologie, l'endoscopie et la réalité augmentée. Dans les Annexes B et C des voies possibles d'implémentation des letilles à CL dans les caméras sont démontrées. Outre la dépendance à la température, une limitation majeure de l'imagerie CL est la diffusion de la lumière. Dans le Chapitre 4, nous explorons différentes manières de post-traitement d'image qui aident à réduire la dégradation de la qualité d'image causée par la diffusion de la lumière dans les CL et ouvre les nouvelles possibilités pour l'implémentation des TLCLs dans les appareils d'imagerie. / Tunable liquid crystal (LC) lenses (TLCLs) of different diameters are actively developed for different imaging applications, such as smartphone and surveillance cameras, ophthalmology, virtual and augmented reality, etc. Thanks to the dielectric and optical anisotropy of LC materials a dynamic change of focal distance of the lens is possible without changing its shape or without using any mechanical movement, by applying an external electric field. This thesis presents the research project, aiming at creating a camera trap system for subnivean lemming observation in the Canadian Arctic. In particular, it is focused on the optical design part of the multidisciplinary project: designing a LC lens with tunable focus in order to make the camera adaptive to achieve better image or video quality. Extreme environmental conditions require a particular TLCL design that would provide the necessary optical power (OP), but at the same time would have low power consumption and work without failures at cold temperatures. In the introductory chapter a brief summary of lemming observation studies is presented along with examples of animal camera trapping from around the world. The second part of Introduction is dedicated to the LC materials and different designs of TLCLs. Alternative designs of adaptive lenses and various approaches to extend the depth of field are also briefly discussed. Camera trapping in the Arctic has a lot of challenges related to the extreme weather condition and its remote location. Therefore, we started the project with a design of camera trap system that can overcome these challenges and provide us preliminary field results. The particularities of optical and mechanical design of the device are explained in Chapter 1 and first images of lemmings in the Arctic under snow during winter are presented. The transmission spectrums of the optical windows used in the camera traps are shown in Appendix A. To make the camera adaptive we started with a well known design of LC lens - modal control lens and studied its performance at the temperatures required for the project (from around -20°C to +20°C) - Chapter 2. In order to ensure good performance of the lens despite of considerable temperature change, we experimentally measured the material parameters (LC and weakly conductive layer or WCL) temperature dependence. Then theoretical modelling of modal control lens was performed to optimize the lens design and experimental samples were fabricated and tested in the required temperature range. We found a way to athermalize the modal control lens, so that we could maintain the same OPs and image quality. However, the WCL remains not optimal for environments with varying temperatures since its resistance strongly depends on it. Moreover, it is difficult to fabricate WCL and control its sheet resistance. Therefore, in Chapter 3 we propose a new design of an LC lens, based on a spiral indium tin oxide (ITO) structure. It has numerous advantages such as simple fabrication, smaller temperature dependence, lower power consumption, etc. This approach is also promising for other imaging applications: ophthalmology, endoscopy and augmented reality. In Appendices B and C some possible ways of LC lenses implementation in cameras are demonstrated. Along with the temperature dependence, a major limitation in LC imaging is light scattering. In Chapter 4 we explore different ways of image post-processing that help to reduce image quality degradation caused by LC light scattering and open new possibilities for TLCLs implementation in imaging devices.