On the homogeneous and heterogeneous nucleation of some organic compounds

The conversion of a metastable phase into a thermodynamically stable phase takes place via the formation of clusters. Clusters of different sizes are formed spontaneously within the metastable mother phase, but only those larger than a certain size, called the critical size, will end up growing into a new phase. There are two types of nucleation: homogeneous, where the clusters appear in a uniform phase, and heterogeneous, when pre-existing surfaces are available and clusters form on them. The nucleation of aerosol particles from gas-phase molecules is connected not only with inorganic compounds, but also with nonvolatile organic substances found in atmosphere. The question is which ones of the myriad of organic species have the right properties and are able to participate in nucleation phenomena. This thesis discusses both homogeneous and heterogeneous nucleation, having as theoretical tool the classical nucleation theory (CNT) based on thermodynamics. Different classes of organics are investigated. The members of the first class are four dicarboxylic acids (succinic, glutaric, malonic and adipic). They can be found in both the gas and particulate phases, and represent good candidates for the aerosol formation due to their low vapor pressure and solubility. Their influence on the nucleation process has not been largely investigated in the literature and it is not fully established. The accuracy of the CNT predictions for binary water-dicarboxylic acid systems depends significantly on the good knowledge of the thermophysical properties of the organics and their aqueous solutions. A large part of the thesis is dedicated to this issue. We have shown that homogeneous and heterogeneous nucleation of succinic, glutaric and malonic acids in combination with water is unlikely to happen in atmospheric conditions. However, it seems that adipic acid could participate in the nucleation process in conditions occurring in the upper troposphere. The second class of organics is represented by n-nonane and n-propanol. Their thermophysical properties are well established, and experiments on these substances have been performed. The experimental data of binary homogeneous and heterogeneous nucleation have been compared with the theoretical predictions. Although the n-nonane - n-propanol mixture is far from being ideal, CNT seems to behave fairly well, especially when calculating the cluster composition. In the case of heterogeneous nucleation, it has been found that better characterization of the substrate - liquid interaction by means of line tension and microscopic contact angle leads to a significant improvement of the CNT prediction. Unfortunately, this can not be achieved without well defined experimental data.Aineen olomuodon muuntuminen metastabiilista termodynaamisesti vakaaseen faasiin tapahtuu molekyyliryppäiden eli klusterien muodostumisen kautta. Erikokoisia molekyyliklustereita syntyy kaikissa metastabiileissa faaseissa (esim. höyryissä) spontaanisti, mutta nukleoituakseen eli muodostaakseen uuden vakaan faasin, niiden täytyy kasvaa riittävän suuriksi. Tätä uuden faasin syntymiseksi tarvittavaa rajakokoa kutsutaan kriittiseksi kooksi. Nukleaatiota on kahta tyyppiä: homogeenista, jossa nukleoituneet klusterit muodostuvat puhtaaseen faasiin; sekä heterogeenista, jossa klusterit syntyvät erillisen valmiiksi olemassa olevan faasin pinnalle. Ilmakehän aerosolihiukkasten syntyyn nukleaatiolla osallistuvat epäorgaanisten aineiden lisäksi joukko orgaanisia yhdisteitä joilla on matala höyrynpaine. On kuitenkin vielä osittain epäselvää, mitkä ilmakehän lukuisista orgaanisista höyryistä pystyvät ilmakehän olosuhteissa tiivistymään ja siten osallistumaan hiukkasmuodostusprosesseihin. Tässä väitöskirjassa tutkitaan homogeenista ja heterogeenista nukleaatiota termodynamiikkaan perustuvan klassisen nukleaatioteorian (Classical Nucleation Theory, CNT) avulla. Työssä tutkitaan erityyppisiä orgaanisia aineita. Ensimmäisen tutkitun ryhmän muodostavat neljä dikarboksyylihappoa: maloni-, sukkiini-, glutaari- ja adipiinihappo. Näitä happoja havaitaan ilmakehässä sekä hiukkas- että kaasufaasissa, ja ne ovat vesiliukoisuutensa sekä alhaisten kylläisen höyryn paineidensa takia hyviä ehdokkaita osallistumaan aerosolihiukkasten muodostumiseen. Niiden osallisuutta nukleaatioprosesseihin on kuitenkin tutkittu varsin vähän. Klassisen nukleaatioteorian soveltaminen happojen vesiliuoksille vaatii tarkkaa tietoa niiden termodynaamisista ominaisuuksista. Dikarboksyylihappojen vesiliuosten nukleaatio-ominaisuuksien tutkiminen onkin yksi tämän työn perustavoitteista. Työssä osoitetaan, että maloni-, sukkiini- ja glutaarihapon osallistuminen veden ohella ilmakehän nukleaatioprosesseihin on epätodennäköistä. Adipiinihappo sen sijaan saattaa osallistua hiukkasmuodostukseen, erityisesti ylätroposfäärissä. Toisen tutkitun orgaanisten aineiden ryhmän muodostavat n-nonaani ja n- propanoli. Niiden fysikaaliset ominaisuudet tunnetaan hyvin, ja laboratoriomittauksia niiden käyttäytymisestä on saatavilla. Tässä työssä mittaustuloksia nonaanin ja propanolin homogeenisesta ja heterogeenisesta nukleaatiosta verrataan teoreettisiin ennusteisiin. Vaikka n-nonaani - n- propanoliseos on kaukana ideaaliseoksesta, klassinen nukleaatioteoria vaikuttaa toimivan hyvin, erityisesti klusterien koostumusta ennustettaessa. Heterogeenisen nukleaation tapauksessa havaitaan, että viivajännityksen (vrt. pintajännitys) ja mikroskooppisen kontaktikulman käsitteiden lisääminen klassiseen nukleaatioteoriaan parantaa sen ennusteita huomattavasti. Näiden tekijöiden tarkkaan analyysiin tarvitaan kuitenkin lisää tunnetuille malliaineille tehtyjä mittauksia

N-syndecan and HB-GAM in neural migration and differentiation : Modulation of growth factor activity in brain

The juvenile sea squirt wanders through the sea searching for a suitable rock or hunk of coral to cling to and make its home for life. For this task it has a rudimentary nervous system. When it finds its spot and takes root, it doesn't need its brain any more so it eats it. It's rather like getting tenure. Daniel C. Dennett (from Consciousness Explained, 1991) The little sea squirt needs its brain for a task that is very simple and short. When the task is completed, the sea squirt starts a new life in a vegetative state, after having a nourishing meal. The little brain is more tightly structured than our massive primate brains. The number of neurons is exact, no leeway in neural proliferation is tolerated. Each neuroblast migrates exactly to the correct position, and only a certain number of connections with the right companions is allowed. In comparison, growth of a mammalian brain is a merry mess. The reason is obvious: Squirt brain needs to perform only a few, predictable functions, before becoming waste. The more mobile and complex mammals engage their brains in tasks requiring quick adaptation and plasticity in a constantly changing environment. Although the regulation of nervous system development varies between species, many regulatory elements remain the same. For example, all multicellular animals possess a collection of proteoglycans (PG); proteins with attached, complex sugar chains called glycosaminoglycans (GAG). In development, PGs participate in the organization of the animal body, like in the construction of parts of the nervous system. The PGs capture water with their GAG chains, forming a biochemically active gel at the surface of the cell, and in the extracellular matrix (ECM). In the nervous system, this gel traps inside it different molecules: growth factors and ECM-associated proteins. They regulate the proliferation of neural stem cells (NSC), guide the migration of neurons, and coordinate the formation of neuronal connections. In this work I have followed the role of two molecules contributing to the complexity of mammalian brain development. N-syndecan is a transmembrane heparan sulfate proteoglycan (HSPG) with cell signaling functions. Heparin-binding growth-associated molecule (HB-GAM) is an ECM-associated protein with high expression in the perinatal nervous system, and high affinity to HS and heparin. N-syndecan is a receptor for several growth factors and for HB-GAM. HB-GAM induces specific signaling via N-syndecan, activating c-Src, calcium/calmodulin-dependent serine protein kinase (CASK) and cortactin. By studying the gene knockouts of HB-GAM and N-syndecan in mice, I have found that HB-GAM and N-syndecan are involved as a receptor-ligand-pair in neural migration and differentiation. HB-GAM competes with the growth factors fibriblast growth factor (FGF)-2 and heparin-binding epidermal growth factor (HB-EGF) in HS-binding, causing NSCs to stop proliferation and to differentiate, and affects HB-EGF-induced EGF receptor (EGFR) signaling in neural cells during migration. N-syndecan signaling affects the motility of young neurons, by boosting EGFR-mediated cell migration. In addition, these two receptors form a complex at the surface of the neurons, probably creating a motility-regulating structure.Merituppi aloittaa elämänsä muistuttaen sammakon nuijapäätä, ja sen hermosto ohjaa eläimen liikkumista sen etsiessä kiinnittymispaikkaa. Kun paikka on löytynyt, merituppi kiinnittyy merenpohjaan ja luopuu aivoistaan käyttämällä ne ravinnokseen. Alkeellisten eläinten keskushermosto on yksinkertainen ja suorittaa vain muutamia, yksinkertaisia tehtäviä. Sen kehitys on tiukasti säädeltyä, eikä joustavuutta juuri ole solujen lukumäärän, erilaistumisen ja hermoston kytköksien suhteen. Nisäkkäiden aivojen kehitys on varsin sotkuista merituppeen verrattuna. Aktiivisesti liikkuvien ja toimivien eläinten keskushermoston on oltava sekä kehityksessään, kypsymisessään, että toiminnassaan joustava. Nisäkkäiden aivojen on mukauduttava jatkuvasti muuttuviin olosuhteisiin verraten nopeasti. Toimintavaatimuksista huolimatta kehittyneempien nisäkäsaivojen ja alkeellisten eläinten aivojen kehityksessä on samankaltaisuuksia. Osa aivojen kehitystä säätelevistä mekanismeista on hyvin konservoitunutta. Kaikilla monisoluisilla eläimillä on mm. proteoglykaaneja, proteiineja, joihin on kiinnittynyt sokeriosia. Proteoglykaanit osallistuvat eläinten kehitykseen monella tasolla. Proteoglykaanit vangitsevat vettä sokeriosiensa avulla ja samalla kaappaavat vesiliukoisia proteiineja, kuten kasvutekijöitä ja muita säätelyproteiineja. Nämä proteiinit osaltaan toimivat mm. keskushermoston kehityksen ohjaamisessa ja säätelyssä. Tässä työssä olen seurannut erityisesti proteoglykaania nimeltä N-syndekaani, sekä siihen sitoutuvaa proteiinia, HB-GAM:ia, sekä näiden kahden molekyylin osuutta hiiren keskushermoston kehityksessä. Olen keskittynyt näiden molekyylien toimintaan hermoston solujen jakaantumisessa, erilaistumisessa, sekä migraatiossa. Työkaluina käytössäni on ollut kaksi hiirilinjaa, joista toisesta on poistettu N-syndekaani geeni ja toisesta HB-GAM geeni. Näitä poistogeenisiä hiiriä apuna käyttäen olen voinut todeta, että sekä N-syndekaani, että HB-GAM osallistuvat keskushermoston kehitykseen sekä suoraan, että epäsuorasti. Epäsuora vaikutus esimerkiksi hermosolujen jakaantumiseen välittyy HB-GAM:in estäessä hermosolujen kasvutekijän, FGF-2:n, toiminnan. N-syndekaani lisää suoraan hermosolujen migraatiota, mutta osallistuu myös epäsuorasti solujen liikkuvuuden säätelyyn ja luultavasti kemotaksiaan sitomalla HB-EGF kasvutekijää, sekä tukemalla EGF reseptorin välittämää soluliikkuvuutta

Analysis of nucleation events in the European boundary layer using the regional aerosol-climate model REMO-HAM with a solar radiation-driven OH-proxy

This work describes improvements in the regional aerosol–climate model REMO-HAM in order to simulate more realistically the process of atmospheric new particle formation (NPF). A new scheme was implemented to simulate OH radical concentrations using a proxy approach based on observations and also accounting for the effects of clouds upon OH concentrations. Second, the nucleation rate calculation was modified to directly simulate the formation rates of 3 nm particles, which removes some unnecessary steps in the formation rate calculations used earlier in the model. Using the updated model version, NPF over Europe was simulated for the periods 2003–2004 and 2008–2009. The statistics of the simulated particle formation events were subsequently compared to observations from 13 ground-based measurement sites. The new model shows improved agreement with the observed NPF rates compared to former versions and can simulate the event statistics realistically for most parts of Europe

The two thrombospondin type I repeat domains of HB-GAM display a cooperative function in N-syndecan binding and regulation of synaptic plasticity

Peer reviewe

Soot-doped natural snow and its albedo — results from field experiments

Soot has a pronounced effect on the cryosphere and experiments are still needed to reduce the associated uncertainties. This work presents a series of experiments to address this issue, with soot being deposited onto a natural snow surface after which the albedo changes were monitored. The albedo reduction was the most pronounced for the snow with higher soot content, and it was observed immediately following soot deposition. Compared with a previous laboratory study the effects of soot on the snow were not as prominent in outdoor conditions. During snowmelt, about 50% of the originally deposited soot particles were observed to remain at the snow surface. More detailed experiments are however needed to better explain soot's effect on snow and to better quantify this effect. Our albedo versus soot parameterization agreed relatively well with previously published relationships.Peer reviewe

Chicken Pleiotrophin: Regulation of Tissue Specific Expression by Estrogen in the Oviduct and Distinct Expression Pattern in the Ovarian Carcinomas

Pleiotrophin (PTN) is a developmentally-regulated growth factor which is widely distributed in various tissues and also detected in many kinds of carcinomas. However, little is known about the PTN gene in chickens. In the present study, we found chicken PTN to be highly conserved with respect to mammalian PTN genes (91–92.6%) and its mRNA was most abundant in brain, heart and oviduct. This study focused on the PTN gene in the oviduct where it was detected in the glandular (GE) and luminal (LE) epithelial cells. Treatment of young chicks with diethylstilbesterol induced PTN mRNA and protein in GE and LE, but not in other cell types of the oviduct. Further, several microRNAs, specifically miR-499 and miR-1709 were discovered to influence PTN expression via its 3′-UTR which suggests that post-transcriptional regulation influences PTN expression in chickens. We also compared expression patterns and CpG methylation status of the PTN gene in normal and cancerous ovaries from chickens. Our results indicated that PTN is most abundant in the GE of adenocarcinoma of cancerous, but not normal ovaries of hens. Bisulfite sequencing revealed that 30- and 40% of −1311 and −1339 CpG sites are demethylated in ovarian cancer cells, respectively. Collectively, these results indicate that chicken PTN is a novel estrogen-induced gene expressed mainly in the oviductal epithelia implicating PTN regulation of oviduct development and egg formation, and also suggest that PTN is a biomarker for epithelial ovarian carcinoma that could be used for diagnosis and monitoring effects of therapies for the disease

Interstitial cell migration: integrin-dependent and alternative adhesion mechanisms

Adhesion and migration are integrated cell functions that build, maintain and remodel the multicellular organism. In migrating cells, integrins are the main transmembrane receptors that provide dynamic interactions between extracellular ligands and actin cytoskeleton and signalling machineries. In parallel to integrins, other adhesion systems mediate adhesion and cytoskeletal coupling to the extracellular matrix (ECM). These include multifunctional cell surface receptors (syndecans and CD44) and discoidin domain receptors, which together coordinate ligand binding with direct or indirect cytoskeletal coupling and intracellular signalling. We review the way that the different adhesion systems for ECM components impact cell migration in two- and three-dimensional migration models. We further discuss the hierarchy of these concurrent adhesion systems, their specific tasks in cell migration and their contribution to migration in three-dimensional multi-ligand tissue environments

Ensiapuohjeet liikuntaseura Muuramen Sykkeelle

Tapaturman sattuessa oikeanlainen toiminta voi parhaassa tapauksessa vähentää komplikaatioita ja jopa estää sairaalahoidon tarpeen. Kaikki apu on tapaturmatilanteessa arvokasta, vaikka usein ensiapua vaativissa tilanteissa ei hengenvaaraa olekaan. Opinnäytetyö tehtiin yhteistyössä liikuntaseura Muuramen Sykkeen kanssa ja lopputuloksena syntyneet ensiapuohjeet suunniteltiin vastaamaan mahdollisimman hyvin seuran ohjaajien tarpeita, jotta he osaisivat toimia oikein ensiapua vaativissa tilanteissa. Tavoitteena oli lisätä seuran ohjaajien valmiutta ja osaamista mahdollisten liikuntatunneilla sattuvien tapaturmien varalle, sekä tehdä seuralle päivitetyt ensiapuohjeet. Seuralla ei ollut ohjeiden sisällöstä erityistoiveita, joten sisältöön koottiin ohjeet yleisimpien liikuntatunneilla sattuvien tapaturmien varalle. Aiheiksi valikoituivat peruselvytyksen lisäksi astmakohtauksen ja diabeetikon ensiapu, rintakipu, pään vammat, haavat, murtumat ja nivelvammat, nenäverenvuoto, pyörtyminen sekä tajuttoman ensiapu. Ohjeet on esitetty aakkosjärjestyksessä ja peruselvytyksestä lisäsimme havainnollistavat kuvat. Opinnäytetyö tehtiin tutkimuksellisena kehittämistyönä. Lähdeaineisto haettiin niin verkosta sähköisesti eri tietokantoja hyödyntäen, kuin ammattikorkeakoulun kirjastoistakin. Lähteinä käytettiin tarkasti valittuja, näyttöön perustuvia lähteitä, kuten Käypä hoito- suosituksia ja erilaisia aihettamme tukevia tutkimusartikkeleita. Lähteiden ajankohtaisuuteen kiinnitettiin erityisesti huomiota. Lähteitä haettiin myös englannin kielellä. Opinnäytetyö tehtiin noudattamalla hyvää eettistä käytäntöä. Opinnäytetyön lopputuloksena syntyivät päivitetyt, sähköiset ensiapuohjeet Muuramen Sykkeen ohjaajille. Ohjeet suunniteltiin käyttäen Canva-sivustoa ja niistä pyrittiin luomaan yksinkertaiset sekä helppolukuiset. Ohjeet kirjoitettiin niin, että mitään ei pidetty itsestäänselvyytenä vaan maallikolle ymmärrettävällä kielellä. Jatkokehittämisehdotuksena ohjeita tulisi päivittää tasaisin väliajoin tutkitun tiedon lisääntyessä ja tarkentuessa. Jatkossa Muuramen Sykkeen ohjaajille voisi laittaa kyselyä ohjeiden tarpeellisuudesta sekä toimivuudesta