Le spectre électromagnétique solaire

Sur terre, la vie est rendue possible entre autre grâce au soleil qui transmet l’énergie suffisante à toute vie terrestre. Le soleil est la source principale d’énergie lumineuse, thermique et photonique sur terre en émettant des longueurs d’ondes extra-atmosphérique comprises entre 5.10−4 µm et 1000 µm (Gueymard, 2004). Le soleil diffuse un rayonnement électromagnétique qui se décompose en plusieurs émissions : les radiations ionisantes (rayons x et gamma), et les radiations non-ionisantes (ultraviolets, lumière visible, infrarouge). Étant donné que la longueur d’onde et l’énergie sont inversement proportionnelles selon la relation de Planck, les longueurs d’ondes courtes sont les plus énergétiques et peuvent ainsi amener à une instabilité moléculaire dans l’organisme. Néanmoins, une grande partie du spectre solaire est bloquée par la couche d’ozone, et seulement les rayonnements s’étendant de 295 à 1400 nm peuvent atteindre la surface terrestre (Fig. 1.1). Le spectre solaire terrestre peut se décomposer en trois classes distinctes de rayonnements : les ultraviolets (UV) (295–400 nm); la lumière visible (400– 760 nm) ; et les infrarouges (IR) (> 760 nm).

1.1.1 Les rayonnements cosmiques du spectre solaire

Les radiations ionisantes sont très énergétiques et sont capables de transmettre leur énergie par ionisation à la matière qu’elles irradient, ce qui les rend extrêmement mutagènes pour les êtres vivants. En effet, leur énergie est suffisante pour créer des dommages à l’organisme irradié, altérant différents constituants qui absorbent cette énergie, telle la molécule d’ADN. Les rayonnements ionisants composent la partie à faible longueur d’onde du spectre solaire (0–100 nm), en conséquence, ils sont complètement bloqués par la couche d’ozone et n’atteignent pas la surface de la terre. Ils sont néanmoins présents artificiellement sur terre due à leurs capacités de transfert énergétique avec la matière cible, ce qui les rend indispensables pour l’imagerie médical et le nucléaire. Ainsi, de nombreuses études scientifiques ont vu le jour pour dénoncer l’effet nocif de ces radiations ionisantes sur les cellules et l’ADN (Azzam et al., 2012,

Braganza et al., 2012, Tubiana, 2009). L’ADN est une cible de choix pour ces radiations, puisqu’elles induisent des cassures bicaténaires, des changements épigénétiques, et des dommages oxydatifs aboutissant à une instabilité génomique (Einor et al., 2016, Szumiel, 2015, Vignard et al., 2013).

Figure 1.1 Représentation graphique du spectre solaire électromagnétique

(adapté de (ASTM, 2003))

1.1.2 Les rayonnements du spectre solaire terrestre

Les UV représentent 5.1% du spectre solaire atteignant le niveau de la mer ce qui représente une faible proportion, mais est suffisant pour induire différents effets sur la vie terrestre. Dans le domaine de la photobiologie, les UV sont catégorisés en 3 classes : les UV de type-A (UVA [315–400 nm]), les UV de type-B (UVB [280–315 nm]), et les UV de type-C (UVC) [100–280 nm]) (Diffey, 1991) (Fig. 1.2). Étant donné qu’ils sont dans le spectre à faibles longueurs d’ondes, ils sont très énergétiques, et ont de nombreuses conséquences sur l’organisme. Ces 3 types d’UV ont des rôles bien distincts dans la

réponse biologique que ce soit au niveau tissulaire, cellulaire, ou moléculaire. De plus, lorsque leur longueur d’onde est élevée, les UV ont la capacité de pénétrer dans les tissus. Ceci a été démontré dans les deux organes directement exposés aux UV solaires : la peau et l’œil. Alors que dans la peau, les UVA peuvent pénétrer jusqu’au derme, les UVB et les UVC ne se rendent qu’à la première couche de la peau (D'Orazio et al., 2013). Au niveau de l’œil, notre équipe a démontré que les UVA pénètrent jusqu’aux premières couches de l’iris alors que les UVB et les UVC ne se rendent qu’au niveau de l’épithélium cornéen (Mallet and Rochette, 2013).

Figure 1.2 Représentation schématique des rayonnements ultraviolets

(image adaptée de © JD Mallet) Concernant les UVA, ils peuvent être divisés en 2 classes: Les UVA-1 (340–400 nm) et les UVA-2 (315–340 nm) (Sklar et al., 2013). Les UVA représentent 95% du spectre UV au niveau de la mer (de Gruijl, 2000). Ils sont principalement connus comme étant responsables du photo-vieillissement cutané. Les conséquences des UVA sur l’ADN seront décrites plus amplement dans la section 1.2.

Les UVB représentent, quant à eux, 5% des UV atteignant la surface de la terre. Il est à noter qu’une partie des UVB est bloquée par différentes molécules atmosphériques. Ainsi, les UVB « courts » (280–290 nm) ne se rendent pas jusqu’au niveau de la mer, bien qu’ils soient présents à haute altitude (Diffey, 2002). Les UVB sont souvent associés à la carcinogénèse par leur forte capacité à induire des dommages directs sur l’ADN

(Anna et al., 2007, van Kranen et al., 2005). C’est pourquoi nous étudierons ces dommages et les conséquences associées (décrits en détail dans des sections 1.2 et 1.3). Les UVC sont les UV les plus énergétiques puisqu’ils sont de longueurs d’onde plus courtes. L’ADN absorbant maximalement à 260 nm, les UVC sont les mieux absorbés et les plus mutagènes. Cependant, ils sont complètement bloqués par la couche d’ozone et le dioxyde de carbone (Ananthaswamy and Pierceall, 1990).

Les UV sont une partie intégrante de cette thèse puisqu’ils sont utilisés comme outil d’étude. Ainsi, les conséquences d’une exposition et les dommages associés seront décrits dans les sections 1.2 et 1.3, respectivement.

1.1.2.2 La lumière visible

La lumière visible, ou lumière blanche, s’étend du violet (400–445 nm) au rouge (650– 760 nm) en passant par toutes les couleurs de l’arc-en-ciel. Au total, elle correspond à 42.3% du rayonnement électromagnétique terrestre (EPA, 2012). La lumière visible joue un rôle majeur dans différents processus comme dans l’activité et l’écosystème terrestre, la guérison des troubles d’humeurs, la prévention contre certaines maladies ou encore dans la synchronisation de l’horloge circadienne (Boukari et al., 2015, Duteil et al., 2014, Parry and Maurer, 2003, Roenneberg et al., 2013).

1.1.2.3 Les infrarouges

La dernière composante du spectre solaire terrestre est les IR. Ils représentent 49.4% du spectre solaire atteignant la surface terrestre (EPA, 2012). Leur niveau énergétique est relativement faible comparé aux autres longueurs d’ondes terrestres. Cependant, les IR sont en grande partie responsables du transfert d’énergie thermique sur terre. Ils transfèrent de la chaleur en mettant en mouvement les atomes, ce qui conduit les molécules à un état excité et libère de l’énergie thermique. De plus, une partie des IR sont absorbés par certaines molécules atmosphériques (l’eau H2O; dioxyde de carbone CO2), ce qui permet de limiter la perte de chaleur vers l’espace, et de maintenir la chaleur terrestre via l’effet de serre (Czuba et al., 2011).

Bien qu’ils soient grandement utiles dans l’industrie et en recherche pour des mesures spectroscopiques, les IR ont aussi un côté sombre puisqu’il a été démontré qu’ils ont la

capacité d’altérer les protéines de la structure dermique, ce qui favorise le vieillissement prématuré de la peau (Cho et al., 2009).