Dendroclimatological research along a geographical gradient is important to understanding both spatial and temporal characteristics of climate influences on tree growth. In this study, three tree-ring width chronologies, obtained from field collection and previous research, were used to represent tree growth along a longitudinal transect from coast to inland in the southeastern U.S.: Hope Mills, located at the Atlantic Coastal Plain; Linville Mountain, located on the eastern side of the Appalachian Mountains; and Gold Mine Trail, located on the western side of the Appalachians. The variations of ring width indices in chronologies reflect extreme climatic events such as severe droughts or cold periods. Correlation and response function analyses were used to examine the climate-tree growth relationship at three sites. The temporal stationarity of climate signals was tested using moving interval analysis in DENDROCLIM2002. Winter temperature was the limiting climate factor for the western mountain site, while moisture was more important for tree growth in the eastern mountain and coastal area sites. However, all significant climate signals found in the trees were not stable over time. The tendency of a shift from precipitation signal to temperature signal is notable around the mid-20th century. Winter North Atlantic Oscillation (NAO) had positive correlations with radial growth at the two mountain sites, which might explain the winter temperature response by trees. The Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) showed an annual feature of associations with growth, and the multidecadal duration of significant correlations was also apparent. The Pacific-related Pacific Decadal Oscillation (PDO) and El Niño-Southern Oscillation (ENSO) also tended to influence tree growth. Along the coastal-inland transect, gradient features of climate oscillation signals did exist. Relationships changed with phase changes of the oscillations. Land-sea boundaries and high mountains may determine the climate response patterns in the Southeast. Other factors such as microenvironment, human disturbance, and biological reaction of trees to climate change also have influence. It is not reliable to use the composite chronology to study the effect of climate oscillations for the Southeast region. In the future, a large number of sample sites will be necessary to more extensively study the regional climate-tree growth relationship.

Face à un environnement changeant, la cellule a dû développer des systèmes de régulation lui permettant de s’adapter et d’assurer son développement et sa survie. Ces systèmes de régulation s’organisent autour de réseaux de régulation transcriptionnelle permettant l’expression des gènes codant pour les protéines dont la cellule a besoin. Dans la plupart des réseaux trancriptionnels, la régulation de la transcription des gènes est « raffinée » par la présence de circuits de rétroaction positifs et négatifs à l’origine de deux types de comportements différents: la multistabilité d’une part, et les comportements homéostatiques ou oscillants d’autre part. Deux réseaux de régulation transcriptionnelle de complexité différente ont été étudiés au cours de cette thèse : le réseau p53-Mdm2 impliqué dans l'arrêt de la croissance cellulaire, la réparation de l’ADN et l’apoptose chez les mammifères, et le réseau de facteurs transcriptionnels GATA impliqué dans la régulation du catabolisme de l’azote chez la levure Saccharomyces cerevisiae. L’analyse théorique du réseau p53-Mdm2 a eu pour principal objectif de reproduire et d’interpréter les données expérimentales disponibles dans la littérature concernant la réponse oscillante de la p53 lorsque l’ADN de la cellule est endommagé. L’analyse théorique des comportements du réseau GATA, quant à elle, a été couplée à une étude expérimentale dans les milieux de qualité intermédiaire en azote peu investigués jusqu’à présent. Pour analyser les propriétés dynamiques de ces deux réseaux, plusieurs approches complémentaires, se situant à différents niveaux de description, ont été utilisées: l’approche logique, différentielle et stochastique. La première partie de cette thèse a été consacrée à l’étude du réseau p53-Mdm2 pour lequel nous avons développé un modèle simple composé d’un circuit de rétroaction positif imbriqué dans un circuit de rétroaction négatif. Les résultats de notre analyse logique montrent que les principales propriétés dynamiques du réseau peuvent être résumées par un petit nombre de diagrammes de bifurcation logique. Ces scénarios de bifurcations diffèrent par la séquence d’activation du circuit positif et négatif composant le réseau et dépendent d’une part de l’affinité de la p53 pour ses gènes cibles et d’autre part de son activité transcriptionnelle. Nous proposons que différents stress et types cellulaires pourraient correspondre à différents scénarios de bifurcation et donc conduire à des réponses différentes après irradiation. Cette première analyse qualitative nous a permis de rendre compte de différents aspects de la dynamique du réseau observés expérimentalement, tels que le changement de fréquence des oscillations en cours de réponse, les oscillations de longue durée de la p53 ou l’amortissement rapide des oscillations à l’échelle d’une population de cellules. Pour nous affranchir des fortes non-linéarités inhérentes au traitement logique, nous avons ensuite traduit le modèle logique en un modèle différentiel et montré que les principaux comportements présentés par le modèle logique sont conservés, suggérant que la structure du réseau détermine dans une large mesure les principales potentialités dynamiques du système. L’analyse des propriétés de bifurcation du modèle différentiel en fonction du niveau de dommage à l’ADN nous a également permis de mettre en évidence la présence de deux régimes oscillants d’amplitude, de valeur moyenne et de fréquence nettement différentes, séparés par une zone de bicyclicité où ces deux régimes coexistent. Cette propriété permet d’expliquer l’existence des deux fréquences d’oscillation différentes qui ont été observées expérimentalement en fonction de la dose d’irradiation. Enfin l’analyse stochastique de notre modèle nous a, en particulier, permis de rendre compte de l’augmentation du nombre de cellules oscillant à des fréquences élevées lorsque la dose d’irradiation augmente, observée expérimentalement. La deuxième partie de notre thèse a été consacrée à l’étude du réseau de facteurs GATA chez la levure S.cerevisiae. Ce réseau, constitué des activateurs Gln3 et Nil1 et des répresseurs Dal80 et Gzf3, comporte plusieurs circuits de rétroaction positifs et négatifs interconnectés. Dans le but d’aider à comprendre le rôle et le fonctionnement du réseau GATA, nous avons effectué une analyse théorique et expérimentale de son comportement dynamique en fonction de la qualité de la source azotée. L’analyse différentielle montre la possibilité d’un comportement bistable dans les milieux de qualité intermédiaire en azote et d’oscillations amorties suite à un transfert nutritionnel d’une condition azotée à une autre, lorsque l’activation des gènes du réseau par Gln3 et Nil1 est synergique ou lorsque le gène Gln3 est supprimé. Gzf3 serait le répresseur clef impliqué dans la bistabilité tandis que Dal80 serait le répresseur clef impliqué dans les comportements oscillants. L’analyse stochastique nous a permis d’étudier l’effet des fluctuations moléculaires sur ces comportements et les distributions de variables importantes du système dans une population de cellules. Pour le modèle synergique de la souche sauvage et celui du mutant gln3°, elle a montré l’existence, dans des milieux de qualité intermédiaire en azote, de deux populations de cellules qui coexistent : une population où l’expression de Dal80 est réprimée, une autre où son expression est activée. Enfin, l’étude de la dynamique du couplage entre la protéine fluorescente Gfp, sous le contrôle du promoteur de DAL80, et le réseau GATA montre que, pour des ordres de grandeur physiologique de la vitesse de disparition de la Gfp, la bimodalité présente au niveau du réseau GATA devrait se refléter au niveau de la Gfp. Les comportements bistables et oscillants mis en évidence dans notre étude théorique du réseau GATA ont ensuite été testés expérimentalement en suivant la Gfp sous le contrôle du promoteur de DAL80 en fonction de la concentration de la source azotée glutamine. Cette étude expérimentale nous a permis de mettre en évidence l’existence d’oscillations amorties de la fluorescence de la protéine de fusion Dal80-Gfp. De telles oscillations cependant n’ont pas été observées dans les expériences réalisées sur les autres souches testées pour lesquelles le gène de la Gfp est fusionné au promoteur de DAL80. Notre étude expérimentale montre également l’existence, chez la souche sauvage, d’une population unique de cellules fluorescentes quelle que soit la concentration du milieu extérieur en glutamine testé (0.2mM à 10mM). Un modèle additif où l’activation des gènes du réseau par Gln3 et Nil1 n’est pas synergique serait donc en meilleur accord avec nos observations. Chez les souches où le facteur Gln3 est inactivé, par contre, deux populations cellulaires, l’une de forte fluorescence et constituée de cellules de grande taille, l’autre de plus faible fluorescence et constituée de cellules de taille plus petite, coexistent pour des concentrations intermédiaires du milieu extérieur en glutamine. La forte corrélation observée entre la taille et la fluorescence des cellules suggère que le comportement bimodal observé au niveau de la fluorescence est lié au comportement bimodal observé au niveau de la taille. Enfin, un modèle phénoménologique de la croissance cellulaire nous a permis de reproduire l’existence de deux populations cellulaires de taille distincte.

This thesis consists in the study of a periodically forced slow-fast system in both its excitable and oscillatory regimes. The slow-fast system under consideration is the FitzHugh-Nagumo model, and the periodic forcing consists of a train of Gaussian-shaped pulses, the width of which is much shorter than the action potential duration. This system is a qualitative model for both an excitable cell and a spontaneously beating cell submitted to periodic electrical stimulation. Such a configuration has often been studied in cardiac electrophysiology, due to the fact that it constitutes a simplified model of the situation of a cardiac cell in the intact heart, and might therefore contribute to the understanding of cardiac arrhythmias. Using continuation methods (AUTO software), we compute periodic-solution branches for the periodically forced system, taking the stimulation period as bifurcation parameter. We then study the evolution of the resulting bifurcation diagram as the stimulation amplitude is raised. In both the excitable and the oscillatory regimes, we find that a critical amplitude of stimulation exists below which the behaviour of the system is trivial: in the excitable case, the bifurcation diagram is restricted to a stable subthreshold period-1 branch, and in the oscillatory case, all the stable periodic solutions belong to isolated loops (i.e., to distinct closed solution branches). Due to the slow-fast nature of the system, the changes that take place in the bifurcation diagram as the critical amplitude is crossed are drastic, while the way the bifurcation diagram re-simplifies above some second amplitude is much more gentle. In the oscillatory case, we show that the critical amplitude is also the amplitude at which the topology of phase-resetting changes type. We explain the origin of this coincidence by considering a one-dimensional discrete map of the circle derived from the phase-resetting curve of the oscillator (the phase-resetting map), map which constitutes a good approximation of the original differential equations under certain conditions. We show that the bifurcation diagram of any such circle map, where the bifurcation parameter appears only in an additive fashion, is always characterized by the period-1 solutions belonging to isolated loops when the topological degree of the map is one, while these period-1 solutions belong to a unique branch when the topological degree of the map is zero.

Une particularité de la modalité sensorielle olfactive est la nature complexe du stimulus chimique à représenter. Les cellules sensorielles de la cavité nasale sont sensibles aux traits physico-chimiques des molécules et transmettent cette information vers le bulbe olfactif, premier relais central de cette modalité. L'organisation des voies de projection vers le bulbe entraîne une spatialisation de l'activité dans cette structure, ce qui constitue un mode de représentation de l'information mais qui n'est pas suffisant à lui seul. Le bulbe olfactif est également marqué par des phénomènes dynamiques prépondérants. Tout d'abord le rythme respiratoire, qui organise temporellement le niveau d'activation de l'appareil sensoriel, ensuite les oscillations des potentiels de champs locaux, et enfin les oscillations sous-liminaires des potentiels de membrane des cellules. Ces éléments dynamiques pourraient être le support de la formation d'assemblées de neurones, sous-populations de cellules synchronisées transitoirement et permettant la représentation de l'information suivant un principe spatio-temporel. Les travaux présentés dans cette thèse sont basés sur l'enregistrement conjoint des activités unitaires des cellules du bulbe, des oscillations des potentiels de champs locaux et de la respiration en réponse à des stimulations olfactives. Nous montrons les relations existant entre les différents phénomènes dynamiques et comment ils permettent d'organiser l'activité des cellules pour aboutir à la formation d'assemblées de neurones fonctionnelles. Nous mettons particulièrement en évidence le rôle central de la respiration dans le fonctionnement intégré du bulbe olfactif.

In this thesis various subjects at the crossroads of quantummechanics and device physics are treated, spanning from afundamental study on quantum measurements to fabricationtechniques of controlling gates for nanoelectroniccomponents. Electron waveguide components, i.e. electronic componentswith a size such that the wave nature of the electron dominatesthe device characteristics, are treated both experimentally andtheoretically. On the experimental side, evidence of partialballistic transport at room-temperature has been found anddevices controlled by in-plane Pt/GaAs gates have beenfabricated exhibiting an order of magnitude improvedgate-efficiency as compared to an earlier gate-technology. Onthe theoretical side, a novel numerical method forself-consistent simulations of electron waveguide devices hasbeen developed. The method is unique as it incorporates anenergy resolved charge density calculation allowing for e.g.calculations of electron waveguide devices to which a finitebias is applied. The method has then been used in discussionson the influence of space-charge on gate-control of electronwaveguide Y-branch switches. Electron waveguides were also used in a proposal for a novelscheme of carrierinjection in low-dimensional semiconductorlasers, a scheme which altogether by- passes the problem ofslow carrier relaxation in suchstructures. By studying aquantum mechanical two-level system serving as a model forelectroabsorption modulators, the ultimate limits of possiblemodulation rates of such modulators have been assessed andfound to largely be determined by the adiabatic response of thesystem. The possibility of using a microwave field to controlRabi oscillations in two-level systems such that a large numberof states can be engineered has also been explored. A more fundamental study on quantum mechanical measurementshas been done, in which the transition from a classical to aquantum "interaction free" measurement was studied, making aconnection with quantum non-demolition measurements.

In this thesis, gas explosions inside pipes are considered. Laboratory experiments and numerical simulations are the basis of the thesis. The target of the work was to develop numerical models that could predict accidental gas explosions inside pipes. Experiments were performed in circular steel pipes, with an inner diameter of 22.3 mm, and a plexiglass pipe, with an inner diameter of 40 mm. Propane, acetylene and hydrogen at various equivalence ratios in air were used. Pressure was recorded by Kistler pressure transducers and flame propagation was captured by photodiodes, a SLR camera and a high-speed camera. The experiments showed that acoustic oscillations would occur in the pipes, and that the frequencies of these oscillations are determined by the pipe length. Several inversions of the flame front can occur during the flame propagation in a pipe. These inversions are appearing due to quenching of the flame front at the pipe wall and due to interactions of the flame front with the longitudinal pressure waves in the pipe. Transition to detonation was achieved in acetylene-air mixtures in a 5 m steel pipe with 4 small obstructions. Simulations of the flame propagation in smooth pipes were performed with an 1D MATLAB version of the Random Choice Method (RCMLAB). Methods for estimation of quasi 1D burning velocities and of pipe outlet conditions from experimental pressure data were implemented into this code. The simulated pressure waves and flame propagation were compared to the experimental results and there are good agreements between the results. Simulations were also performed with the commercial CFD code FLACS. They indicated that to properly handle the longitudinal pressure oscillations in pipes, at least 7 grid cells in each direction of the pipe cross-section and a Courant number of maximum 1 should be used. It was shown that the current combustion model in FLACS gave too high flame speeds initially for gas explosions in a pipe with an inner width of 40 mm.

We report on the combination of slow light propagation with the resonance properties of a photonic crystal (PhC) cavity and with the slow mode of a PhC waveguide. We demonstrate theoretically and experimentally that slow light induced by the Coherent Population Oscillation (CPO) effect enables to have small-size and ultrahigh quality (Q) factor cavity, regardless of the technological and design issues. The experimental proof is performed in a L3 2D PhC cavity with semiconductor quantum wells as active, medium in which the CPO effect is induced. We achieve a cavity Q-factor of 520000, which corresponds to an enhancement by a factor 138 in comparison with the original Q-factor of the cavity. We present a theoretical approach to the combination of CPO-based slow light and slow mode in PhC waveguides, showing that the total group index is a multiplication of the group indices associated respectively to the CPO slow light and to the waveguide slow mode. We also set the basis for the experimental demonstration by designing and fabricating samples in the clean room facilities of LPN and addressing the challenging issue of coupling and extracting light in and from the waveguides. A particular design of the PhC in the waveguide is issued as a grating that allows to couple light perpendicularly to the plane of the PhC from free space. The vertical coupler has also been designed and fabricated along the waveguide and has been experimentally characterized. Slow light based on CPO effect in the PhC waveguides is always under experimental investigation.

Many problems in fluid mechanics and material sciences deal with liquid-vapour flows. In these flows, the ideal gas assumption is not accurate and the van der Waals equation of state is usually used. This equation of state is non-convex and causes the solution domain to have two hyperbolic regions separated by an elliptic region. Therefore, the governing equations of these flows have a mixed elliptic-hyperbolic nature. Numerical oscillations usually appear with standard finite-difference space discretization schemes, and they persist when the order of accuracy of the semi-discrete scheme is increased. In this study, we propose to use a Chebyshev pseudospectral method for solving the governing equations. A comparison of the results of this method with very high-order (up to tenth-order accurate) finite difference schemes is presented, which shows that the proposed method leads to a lower level of numerical oscillations than other high-order finite difference schemes, and also does not exhibit fast-traveling packages of short waves which are usually observed in high-order finite difference methods. The proposed method can thus successfully capture various complex regimes of waves and phase transitions in both elliptic and hyperbolic regimes

Une caractéristique fondamentale des vertébrés est leur organisation métamerique, visible au niveau de la colonne vertébrale. Cette organisation se met en place au cours du développement embryonnaire et l'émergence des précurseurs des vertèbres, les somites, formés à partir du mésoderm paraxial présomitique (PSM). Depuis la découverte d'une activité transcriptionelle oscillatoire de la voie de signalisation Notch dans le PSM, on propose que cette activité oscillatoire représente l'action d'une horloge embryonnaire, l'horloge de segmentation, responsable de contrôler la formation des somites de façon périodique. Dans cette étude, je présente la découverte d'une nouvelle association de la voie Wnt avec l'horloge de segmentation en décrivant l'activité oscillatoire de Axin2, une cible de la voie Wnt, dans le PSM. Ensuite, j'ai mise en place un system d'imagerie biphoton qui nous permet d'observer l'action de l'horloge de segmentation en temps réel et in vivo dans les embryons de souris. Ce système permet de mesurer directement les paramètres des oscillations. Ultérieurement je décris la découverte d'un gradient d'expression de la protéine -caténine dans le PSM. A l'aide d'expériences de recombinaisons homologues conditionnelles nous avons déterminé que ce gradient de - caténine contrôle la maturation et différentiation des cellules dans le PSM. De plus, ce gradient constitue un signal essentiel et permissif pour les oscillations de l'horloge de segmentation. En conclusion, je propose un nouveau modèle de mise en place des somites incorporant les résultats présentés.

Le champ électromagnétique térahertz (THz) se situe dans l'intervalle de fréquence entre l'infrarouge et les micro-ondes, à peu près entre 1 THz à 10 THz. Ce domaine est hautement souhaitable tant pour la recherche fondamentale que pour les applications. Pourtant des sources THz compacts et accordables ne sont pas encore disponibles. Depuis la première proposition en 1970, les superréseaux semiconducteurs, dans lequel deux couches semi-conductrices atomiques avec bande interdite différente sont disposés périodiquement, fournissent de nouvelles possibilités. De nouvelles techniques et de nouveaux dispositifs deviennent réalisables. Dans cette thèse, les oscillations de Bloch dans des mini-bandes électroniques d'un superréseau polarise et la dispersion du gain associée sont utilisées pour réaliser une source THz compacte et accordable : l'oscillateur de Bloch THz. Un premier ensemble de dispositifs utilisent des réseaux dopes spécifiquement conçus pour éviter la formation de domaine d'accumulation de charges. Ces dispositifs utilisent une surface semi-isolante ou deux surfaces métalliques permettant un guidage par plasmon de surface. Cependant, malgré la réalisation de couplage par les bords ou par un réseau diffractant en surface et des mesures directes ou avec un interféromètre a transformation de Fourrier (FTIR), l'électroluminescence a été observée dans le domaine térahertz, avec un gain qui n'a pas pu etre relie aux oscillations de Bloch. Avec des superréseaux non dope, l'émission THz des oscillations de Bloch a été détectée par spectroscopie dans le domaine temporel. La dépendance de la fréquence d'émission avec le champ électrique appliqué constitue une preuve directe des oscillations de Bloch. L'échelle de Wannier Stark des trous sous pompage optique continu a aussi été observe dans les superréseaux non dopes. Avec l'augmentation de la puissance de pompage optique, les pics du photocourant se décalent et leurs formes deviennent asymétriques. L'évolution est attribue a l'accumulation des porteurs photogénérés dans les deux couches encadrant le superréseau. En outre, pour une puissance de pompage élevée, la bistabilité du photocourant a été également observée.