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Un TPE sur le Nucléaire et la Biodiversité

26 février 2014

Accidents nucléaires : vers une mutation de la biodiversité ?

        À l’heure où les gouvernements se posent de plus en plus la question de la nucléarisation et où le nucléaire fait débat, nous n’avons de cesse de nous référer à Hiroshima, Nagasaki, Tchernobyl ou encore Fukushima pour trouver des réponses, cependant, les causes comme les conséquences de ces catastrophes sont parfois obscures : qu’est-ce-que la radioactivité ? D’où vient-elle ? Peut-elle réellement causer des mutations des êtres vivants ? Les accidents nucléaires peuvent-ils déclencher une mutation de la biodiversité? C’est ce que nous allons essayer de découvrir en étudiant les mécanismes de la radioactivité puis ses effets sur le monde vivant. 

 

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26 février 2014

Mutations radio induites : qu'est-ce que c'est ?

  • Qu'est-ce-que la radioactivité ?

            La radioactivité est la propriété qu'ont certains noyaux d'atomes à se désintégrer de manière naturelle et spontanée, pour donner un autre élément, en émettant des particules ou des rayonnements électromagnétiques. Dans ce cas, la radioactivité est naturelle.

           Tout noyau qui se désintègre possède ce que l’on appelle une demi-vie : elle représente la durée nécessaire pour que la moitié des noyaux d’un échantillon radioactif se désintègre. C’est la décroissance radioactive. Elle est modélisée par une fonction exponentielle décroissante.

sans-titre

La formule de cette décroissance radioactive est N(t) = N0.e -λt  où :

 N(t) représente l’évolution d’un échantillon de noyaux radioactifs en fonction du temps

 No est le nombre de noyaux à l’instant initial

 λ  est la constante radioactive de l’élément étudié  

 e  est la constante exponentielle  (e  ≈ 2,718)

Il est possible de déterminer une relation entre λ et t1/2 à partir de la définition de la demi-vie :

On a N(t) = N0.e -λt  donc

N(t1/2) = N0/2 = N0.e λt1/2

D’où 1/2= e λt1/2 = 1/ e λt1/2

Ainsi, avec le produit en croix, on obtient 2 = e λt1/2

quand on passe au logarithme, on a

ln2 = λt1/2

soit   Capture

 

        D'autre part, il existe différents types de rayons électromagnétiques :les rayons alpha sont arrêtés par la peau et donc inoffensifs; les rayons bêta, quant à eux, ont une capacité de pénétration importante dans l'air (3m environ autours de l'élément radioactif) ainsi que dans l'organisme (ils peuvent atteindre les muscles). Enfin, les rayons gamma sont émis suite à des rayons alpha ou bêta. Ils ont la plus grande capacité de pénétration dans l'air (150 à 600m autour de l'élément radioactif) et sont très pénétrants au niveau de l'organisme : ce sont ces rayons qui sont à l'origine de mutations irréversibles de l'ADN.

 

Capture

 

           

  • Les mécanismes de la contamination

         Suite à une ionisation par des rayons gamma, l'individu exposé peut contracter deux types d'effets :des effets aigus qui provoquent des lésions caractéristiques suivant le niveau d'exposition (destruction de la moelle osseuse, effondrement des défenses immunitaires, graves endommagements du système vasculaire, œdème cérébral, perturbations neurologiques et mort éventuelle), mais aussi des effets différés aléatoires, c'est à dire qui surviennent au hasard parmi une faible population, même pour une forte irradiation.

         Ces effets aléatoires peuvent avoir pour conséquence la contamination de l'ADN. Il en existe 2 types : la contamination directe, qui est due à une ionisation d'un atome constituant l'ADN. Ce dernier élimine alors l'atome ionisé en se combinant avec un autre atome, ce qui modifie sa structure. En revanche, la contamination indirecte résulte de l'ionisation de molécules d'eau ou d'oxygène, ce qui provoque un changement dans la structure de l'ADN. Quand une molécule est ionisée, par exemple une molécule d'eau, l'énergie radioactive est transmise de molécule en molécule. Toutes les molécules biologiques sont des cibles des rayons radioactifs

 

  •  Effets sur l’ADN

        L'ionisation d'une molécule d'ADN peut entraîner des ruptures de chaînes, c'est  à dire que les deux brins s'écartent par pénétration d'une molécule d'eau ionisée entre eux. Les liaisons hydrogène entre les bases azotées de l'ADN sont alors rompues : deux à trois nucléotides sont altérés autour de la lésion produite. Des lésions des bases azotées, surtout la thymine, peuvent également se former, ainsi que des liaisons anormales intra-chaînes (au sein d'une même molécule) ou inter-chaînes (entre deux molécules) avec une protéine. On peut également remarquer des distorsions de brins d'ADN.

        Suite à ces lésions, des enzymes spécifiques peuvent réparer la chaîne d'ADN si l'ionisation n'est pas trop importante. Dans ce cas, il n'y a aucun effet sur l’organisme. En revanche, si la lésion est trop importante,  les enzymes ne parviennent pas  à réparer les molécules d'ADN. Dans ce cas, on observe des conséquences à l'échelle cellulaire. Si l'ADN n'est pas réparé, soit la cellule meurt, soit elle subit une réparation fautive : elle est modifiée. Ce sont les effets biologiques de la radioactivité, appelés effets stochastiques. C'est ce dernier cas qui nous intéresse pour l'étude des effets de la radioactivité sur la biodiversité.

      image008 

        Il existe deux types d'effets stochastiques, à savoir les effets cancérigènes, qui sont les conséquences de la mutation d'une cellule somatique et qui concernent uniquement l'individu exposé, ainsi que les effets héréditaires, qui eux sont le résultat de la mutation d'une cellule germinale et qui concernent l'individu exposé, mais qui peuvent également se transmettre à sa descendance.

        Il n’existe pas de dose seuil pour prévoir les effets stochastiques : ils sont aléatoires et n'apparaissent pas chez tous les individus. D'autre part, ils sont tardifs, c'est à dire qu'ils apparaissent plusieurs années après l'exposition, voire chez la descendance. Aussi, quand la dose augmente, leur fréquence augmente, mais leur gravité reste la même. Enfin, ils ne sont pas spécifiques: il n'existe aucun moyen de déterminer si un cancer ou une anomalie génétique est causé(e) par la radioactivité.

 

  • Effets sur l'organisme

        L'ADN d'un individu est directement à l'origine de son phénotype : en effet, l'ADN est un message qui est à l'origine de la synthèse de protéines qui elles-mêmes déterminent les caractéristiques de l'individu. Les effets stochastiques de la radioactivité ont donc des conséquences directes sur le phénotype d'un organisme irradié.

        Ainsi, l'ADN, molécule universelle de la vie, peut subir des transformations radio induites ; leurs conséquences peuvent se manifester à différentes échelles, aussi bien cellulaire que macroscopique.

26 février 2014

Radioactivité : quels effets sur la biodiversité ?

  • Qu'est-ce-que la biodiversité ?

        La biodiversité est l’ensemble des milieux naturels et des formes de vie (plantes, animaux, êtres humains, champignons, bactéries, virus…) ainsi que toutes les relations et les échanges qui existent, d’une part, entre les organismes vivants eux-mêmes, et, d’autre part, entre ces organismes et leurs milieux de vie.

La vie sur terre comprend trois aspects dépendants les uns des autres :

- la diversité des espèces (dont l’espèce humaine).

- la diversité des individus (diversité des gènes) au sein de chaque espèce,

- la diversité des milieux de vie (écosystèmes) : des océans aux forêts jusqu' au contenu même des cellules où notamment des parasites peuvent vivre.

         Les interactions entre les êtres vivants se manifestent principalement par les réseaux trophiques de la chaîne alimentaire : les producteurs primaires, en particulier les plantes, sont mangés par les producteurs secondaires, comme de petits invertébrés, qui sont à leur tour mangés par les consommateurs primaires, les poisons par exemple, eux-mêmes mangés par les consommateurs secondaires tels que de plus gros poisons ou des oiseaux, qui finissent par être mangés par les consommateurs tertiaires, comme des rapaces. Parallèlement, les déchets organiques de chaque  niveau trophique sont transformés en minéraux qui enrichissent le sol par les décomposeurs, comme des bactéries ou les lombrics.

 

la-chaine-alimentaire1

 

 

Interessons-nous maintenant aux effets de la radioactivité sur la biodiversité au travers de différents exemples. 

 

     1.  Le papillon

            Six mois après l'accident de Fukushima, des biologistes ont mis en évidences des mutations génétiques sur des papillons de l'espèce zizeeria maha, jusqu'alors réputés très peu sensibles aux radiations. Les scientifiques ont d'abord capturé un groupe de 144 papillons deux mois après l'accident dans dix endroits différents du Japon, dont la région de Fukushima. Ces papillons n'étaient qu'à l'état de larve quand la catastrophe s'est produite : une fois éclos, les spécimens collectés ne présentaient pas plus de malformations que la moyenne. En revanche, 18% des papillons de la génération suivante, issus du croisement d’insectes sains et d’insectes exposés aux radiations, présentaient des anomalies : antennes atrophiées, malformations des pattes, lésions au niveau des yeux et des ailes. La génération suivante, elle, présentait 34% de papillons anormaux. Six mois après la catastrophe, plus de la moitié des papillons capturés lors d’une seconde opération près de la centrale présentent des anomalies morphologiques.

            Pour confirmer leurs résultats, les scientifiques ont exposé à des rayonnements ionisants des papillons de la même espèce non affectés par des radiations et sont parvenus à la même conclusion : les malformations constatées chez les papillons de Fukushima étaient effectivement dues aux  déchets radioactifs provoquées par l’accident nucléaire.

Papillons Fukushima

 

     2.  Chez les végétaux

            Aux alentours de Fukushima, de nombreuses plantes poussent avec des malformations : des protubérances apparaissent sur les kakis, les pétales des roses sont mouchetés, les fleurs poussent en se dédoublant et certaines plantes perdent la coloration de leurs feuilles. Cependant, aucune étude ne s'est penchée sur le cas de ces modifications : en effet, certains végétaux développent ce type de mutations naturellement, sans jamais avoir été irradiés.

            En revanche, le cycle des saisons est perturbé : les arbres fanent avant que les feuilles ne se colorent. Il en va de même pour certains cerisiers qui fleurissent en automne et des tournesols qui le font en hiver ou avant même la saison de la floraison. Ce dernier phénomène n'a pas non plus été expliqué scientifiquement, mais il est apparu directement après l'accident nucléaire et n'existe pas naturellement. La raison nucléaire est donc plus qu'envisageable.

Kakis retrouvés à Fukushima ◄ Kakis retrouvés à Fukushima

Kaki normaux ◄ Kakis "normaux"

                      

     3.  Les poissons

            L’exemple le plus flagrant de mutations génétiques se trouve chez les poissons : en effet, les particules radioactives suivent la chaine alimentaire et se concentrent de plus en plus dans les organismes des consommateurs. Ainsi, les poissons qui se situent plutôt en bout de chaîne sont, sur la durée, plus sensibles à la pollution radioactive.

Ainsi, on observe fréquemment chez eux des mutations très rares, qui se produisent normalement une fois par millénaire : certains poissons naissent avec 3 yeux, d’autres à deux têtes. La commercialisation des poissons pêchés dans la zone de Fukushima a été interdite mais, encore une fois, les gouvernements refusent d’admettre un possible lien entre les accidents nucléaires et ces mutations, ce qui rend toute recherche scientifique impossible.

poisson 2 bouches    

Même dans des lieux où les centrales nucléaires sont absentes, les effets de la radioactivité se font sentir : voici un poisson péché dans le Mercantour, en France, peu de temps après le passage du nuage radioactif de Tchernobyl.

poisson 2 têtes

Ici, une larve de saumon à deux têtes, retrouvée dans une culture réalisée pour les besoins du congrès environnementale du Yura (Japon), en janvier 2012.

poisson 3 yeux 1    poisson 3 yeux 2

Ce poisson loup à trois yeux a été péché dans le lac Chorro de Agua Caliente, qui reçoit les eaux de refroidissement d’une centrale nucléaire argentine.

 

     4.  Le cas de Tchernobyl

        Au moment même de la catastrophe, les organismes vivants n’étaient pas préparés à recevoir une irradiation si forte : des dizaines de millions d’animaux et d’arbres ont étés retrouvés morts dans la zone interdite. Aussi, il y aurait eu plus de 400 naissances anormales chez les animaux domestiques élevés autour de la centrale dans les mois et les années qui ont suivi.

        Pourtant, à l’heure actuelle, il semblerait que la nature ait repris ses droits : en effet, l’activité humaine a complétement disparu sur le site ce qui a permis l’épanouissement de la faune : certaines espèces absentes avant l’accident comme les ours et les lynx s’y sont installés, les oiseaux nichent à même les sarcophages de béton qui renferme l’ancien réacteur et le cheval de Przewalski, une espèce très rare, presque éteinte, y a trouvé refuge.

        De plus, tous ces animaux sont apparemment en bonne santé. Ils ont donc dû s’adapter à la vie dans un écosystème hautement radioactif et lutter, à l’échelle microscopique, contre les rayonnements radioactifs.

        En effet, des études sur des milliers de rongeurs capturés à Tchernobyl n’ont montré aucun signe de mutation génétique. D'autre part, des scientifiques ont prouvé que le passage dans la zone contaminée de Tchernobyl agirait comme un « vaccin » : en effet, ils ont apporté des souris blanches de laboratoire sur le lieu de l’accident et les y ont laissées pendant 45 jours. Un autre groupe de souris non exposé sert de témoin. Les deux lots de souris ont ensuite étés soumis à de fortes radiations et les chercheurs ont remarqué que celui qui a séjourné à Tchernobyl y a mieux résisté.

        L’exemple de Tchernobyl nous permet d’étudier les conséquences des accidents nucléaires à long terme : si les effets directs sont désastreux, il se pourrait pourtant que la vie soit à nouveau possible dans les zones interdites, après une adaptation des organismes des êtres vivants.

 

     5.  Et pour l'homme ?

        Même si les effets de la radioactivité sur l’homme n’ont pas été clairement mis en évidence, il est certain qu’il risque d'être contaminé s’il vit dans un environnement radioactif : ce schéma nous montre le mécanisme de la contamination alimentaire : 

Méchanisme contamination

        En effet, les protéines d'individus mutés pourraient être cassées en acides aminés, réutilisés par la suite pour fabriquer de nouvelles protéines de l'être humain. Ainsi, ces nouvelles protéines seraient elles-même mutées et entraînerait, à l'échelle macroscopique une modification du phénotype de l'individu. Si les poissons radioactifs de Fukushima étaient commercialisés, leurs consommateurs seraient alors irradiés.

        La contamination des êtres vivants est donc un réel problème pour l’homme car il se situe au sommet de la chaîne alimentaire : c’est dans son organisme que se concentrent toutes les particules radioactives. 

        À Tchernobyl, la faune et la flore ont survécu, mais au prix de lourdes pertes. Le contrôle du taux de radioactivité de l’environnement et de l’alimentation des hommes est donc capital pour la survie de l’espèce humaine.

26 février 2014

Les conclusions de nos recherches

        Nous avons vu que les accidents nucléaires sont à l'origine de rayonnements ionisants qui provoquent des mutations sur le génotype des organismes touchés. Ainsi, si la mutation n'est pas résorbée par des enzymes spécifiques, elle peut modifier le phénotype de l'être vivant irradié

        En effet, suite à des explosions de centrales, comme Fukushima ou Tchernobyl, des modifications de la faune et de la flore ont étés observées. De plus, la biodiversité étant un réseau d'échanges entre les organismes vivants et leur milieu de vie, l'ionisation peut se répandre via les réseaux trophiques et toucher ainsi différentes espèces.

 

Un accident nucléaire peut donc conduire au développement de mutations au sein de la biodiversité.

 

        Ces conclusions nous amènent à nous poser de multiples questions : la survie des espèces à Tchernobyl est-elle un cas isolé ? Les individus mutés sont-ils viables ? Dans le cas d'une reproduction sexuée, les femelles accepteraient-elles de se reproduire avec un mâle d'apparence anormale et si oui, leur descendance serait-elle le début d'une nouvelle espèce ?

26 février 2014

Bibliographie

 

        Pour réaliser notre TPE, nous avons essentiellement utilisé des documents, articles et photos trouvés sur Internet. Nous tenons également à signaler que nous ne possédons pas les droits des photos qui illustrent nos publications. Vous les trouverez sur les sites que nous avons consultés :

http://radioactivite4.free.fr/radioactivite.Les_effets_biologiques.htm

http://openclipart.org/people/laurent/laurent_radioactivite_naturelle.svg

http://villemin.gerard.free.fr/Wwwgvmm/Analyse/ExpoVal.htm

http://www.youtube.com/watch?v=7ohpZbtWA70

http://montblancsciences.free.fr/terms/physique/cours/p06.htm

http://lamaisondalzaz.wordpress.com/tag/biocenose/

www.futura-sciences.com/magazines/santé/infos/dico/d/genetique-mutation-298

www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/chimie-radioactivite-512

http://tpe-stjo.pagesperso-orange.fr/nucleaire-environnement/explication.html

www.tpe-dechetsradioactifs.e-monsite.com/pages/partie-ii.html

http://radioactivite4.free.fr/radioactivite.Les_effets_biologiques.htm

www.futura-sciences.com/magazines/santé/infos/dico/d/genetique-cellule-germinale-158

www.thelin.net/laurent/nucleaire/physique

http://biochimej.univ-angers.fr/Page2/COURS/5RayonIONISANT/Cours4/1Cours4.htm

http://sante-medecine.commentcamarche.net/faq/17623-cellule-somatique-definition

http://www.developpement-durable.gouv.fr/Qu-est-ce-que-la-biodiversite,19290.html

http://www.france24.com/fr/20120815-japon-fukushima-papillons-mutants-dangers-radioactivite-inquietudes-homme-radiation-nucleaire/

www.fukushima-diary.com/

www.zegreenweb.com/sinformer/un-poisson-a-trois-yeux-decouvert-pres-dune-centrale-nucleaire-en-argentine,43304

http://fukushima-diary.com/2012/02/conjoint-fish/

http://leblogdudd.fr/2011/03/16/sur-le-nucleaire

http://www.laradioactivite.com/fr/site/pages/Fukushima_Pollution_Marine.htm

http://www.youtube.com/watch?v=MFYnhPF2m-Y

 

 

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Un TPE sur le Nucléaire et la Biodiversité
  • Comme son nom l'indique, ce blog est le résultat final d'un TPE (Travaux Pratiques Encadrés) réalisé par trois élèves de 1eS : vous y trouverez des informations sur les mutations radio-induites et les effets d'accidents nucléaires sur la biodiversité.
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