Effets de la radiactivité sur l'organisme

I] Rappel des notions importantes

1) Définition de la radioactivité 

Certains noyaux d'atomes se désintégrent de maniere naturelle et spontanée pour devenir plus stable et donner un nouvel element. En se désintégrant l'atome emet un rayon ionisant¹, dans ce cas là la radiactivité est qualifiée de naturelle.

Il est cependant possible de provoquer artificiellement une instabilité radioactive en transformant un noyau stable en un noyau instable en le bombardant de particules, la radioactivité est alors dite artificielle.

¹ : Rayonnement qui produit des ionisations dans la matiere qu'il traverse.

Emission ou transmission d'énergie sous forme d'onde ou de particule.

Fait d'arracher un ou plusieurs électrons a un atome le transformant ainsi en ion.

2) Les différents rayons radioactifs 

Rayonnement Alpha : Le rayonnement alpha est émis par les atomes possédant trop de protons ou de neutrons. Il correspond à l’émission d’un noyau d’atome d’hélium, composé de deux protons et de deux neutrons : la particule alpha. Sa portée dans l’air est de quelques centimètres seulement. Il peut être arrêté par une simple feuille de papier.

    Emission d'un noyau d'atome d'hélium

Rayonnement Beta : Le rayonnement bêta est émis par des atomes ayant un écart trop important entre le nombre de protons et de neutrons. Il correspond à deux types de transformations pouvant survenir dans un noyau radioactif :

• un neutron se transforme en proton et le noyau émet un électron chargé négativement,

• un proton se transforme en neutron et le noyau émet un anti-électron chargé positivement.

Sa portée dans l'air est de quelques mètres. Il peut être arrêté par une feuille d'aluminium.

               Emission d'un éléctron

Rayonnement Gamma : Le rayonnement gamma est émis par les atomes possèdant un trop plein d'énergie. Il s’agit d’une onde électromagnétique de même nature que la lumière ou les rayons X, mais beaucoup plus énergétique. A l'inverse du rayonnement alpha et beta, le rayonnement gamma n'émet pas de particules. 

Il est par ailleurs bien plus pénétrant que les autres types de rayonnements. En fonction de son énergie, il peut parcourir plusieurs centaines de mètres dans l’air. Une forte épaisseur de plomb ou de béton est nécessaire pour les arrêter.

3) Différences irradiation / contamination 

Contamination : Il y a contamination lorsque qu'il y a contact direct avec une substance radioactive, la contamination peut être interne (par inhalation ou ingestion de produit contaminé) ou externe (contact avec la peau)

Irradiation : Exposition directe à un rayon ionisant sans contact physique avec la source radioactive 

Exemple : 

II] Du génotype...

1) Mutations et agents mutagènes 

Lors de la réplication de l'ADN au cour de la phase S du cycle cellulaire, il est possible que l'ADN polymérase commette des erreurs. Ces erreurs sont appelées mutations dès lors que les systèmes enzymatiques n'ont pas réussi a réparer les lésions sur l'ADN. Il existe 3 types de mutations :

• Par substitution : Fait de remplacer un ou plusieurs nucléotide(s) par d'autres (ci-dessus : il y a remplacement de Guanine par Adénine)
• Par délétion : Perte d'un ou plusieurs nucléotide(s) qui à pour effet de racourcir le brin d'ADN (il y a délétion de Guanine en position 3)
• Par insertion : Fait d'ajouter un ou plusieurs nucléotide(s) qui implique l'allongement du brin (il y a ajout d'Adénine)

Ces mutations sont qualifiées de spontanées et aléatoires, elles sont aussi peu fréquentes (rares) : environ 1 erreur pour 1 000 000 000 de nucléotides répliqués. Il existe pourtant des facteurs qui augmentent la fréquence d'apparition des mutations, ont les appellent les agents mutagènes. Il existe 2 grandes catégories d'agents mutagènes, les substances chimiques et les radiations qui sont toutes deux capables de modifier la structure de l'ADN. Dans notres cas ce sont les radiations qui nous intéresses : 

Ce document nous montre les différents rayons ayant un effet sur le vivant, on retrouve les rayons UV du soleil, les rayons X utilisés en imagerie médicales et nos rayons ionisants alpha, beta et gamma. Les radiations UV sont absorbées par certaines bases azotés (thymine et cytosine) quand elles sont répétées (1). Deux thymines consécutives sur le même brin d'ADN peuvent alors s'associer par liaison "forte" pour former un dimère de thymine (2). Cela déforme l'ADN et perturbe l'activité de l'ADN polymérase lors de la réplication de l'ADN. Il en résulte des mutations, voire la mort de la cellule ne pouvant se diviser.

Les rayons gamma (1) sont assez énergétiques pour produire des radicaux libres (ions possédant électrons non appariés) chimiquement très réactifs notamment avec l'ADN ou peuvent agir par action directe sur l'ADN. Cela entraîne :

• des altérations ou pertes de bases (2) 
• des ruptures dans l'un (3) ou les deux brins (4) qui peuvent conduire à des substitutions, délétions, perte de fragments de chromosome, ou la mort de la cellule 

Si la mutation affecte des cellules somatiques , elle n'est pas transmissible à la descendance mais pourra s'exprimer chez l'individu qui en est porteur.

Les mutations sont héréditaire si elles touchent les cellules germinales (cellules sexuelles servant à la reproduction) et non héréditaire si elles touchent les autres cellules qualifiées de somatiques, dans ce cas les mutations disparaissent à la mort de l'indiviu. Les mutations sont à l'origine de la biodiversité des individus au sein de l'espèce.

3) Conséquences sur le phénotype 

Différents types d’effets apparaissent après une exposition de l’organisme à une source radioactive. Ces effets sont d’autant plus graves que la quantité de radioactivité reçue est importante et que la zone irradiée est étendue. On distingue les irradiations globales (qui affectent le corps entier), et les irradiations partielles.

• Dans le cas d’une irradiation globale, c’est surtout la moelle osseuse (substance contenue dans les os) qui est affectée. Or, c’est dans cette moelle que se forment les cellules sanguines.
• Dans le cas d’une irradiation partielle, les organes les plus sensibles à la radioactivité sont les organes reproducteurs, l’œil et la peau.

Les cancers

Un cancer est la conséquence d’une anomalie dans la multiplication des cellules. Celles-ci se mettent à se reproduire rapidement et de manière anarchique c’est à dire sans les limites normalement fixées par l’organisme (cycle cellulaire accéléré). La formation de cancers à la suite d’une irradiation dépend notamment de la quantité d’irradiation reçue et de l’âge. Ils apparaissent après un temps plus ou moins long (de cinq à dix ans, mais parfois encore au bout d’une quarantaine d’années). En raison de l’émission des substances radioactives (césium 137 et iode 131) par les réacteurs nucléaires, les risques de cancers de la thyroïde (une glande située dans la gorge) sont particulièrement importants. Ces cancers résultent d’une irradiation par une source extérieure à l’organisme, ou d’une contamination par des particules radioactives « capturées » par cet organe (par exemple, lors de l’ingestion d’aliments contaminés). Ce sont surtout les enfants qui sont vulnérables, la thyroïde de l’adulte est moins sensible aux rayonnements et développe plus rarement un cancer. L’exposition aux rayonnements d'un embryon ou d'un fœtus peut entraîner des malformations, des retards mentaux ou des troubles de la croissance.

Les mutations affectant les cellules gérminales sont héréditaires et touchent les futures générations. Ce patrimoine génétique peut donc être modifié suite à une exposition aux rayons radioactifs.

III] ...au phénotype macroscopique

1) Définition du phénotype macroscopique 

2) Un cas concret : Les papillons bleus du Japon

La catastrophe de Fukushima-Daiichi ayant libéré massivement des radionucléotides, de nombreuses questions se posent à propos des conséquences que cette pollution radioactive peut avoir à court, moyen ou long terme sur les écosystèmes, notamment sur les animaux. Plusieurs études sont donc en cours de réalisation au Japon. L’une d’entre elles vient de révéler ses premiers résultats dans la revue Scientific Reports.

Les chercheurs ont fait le choix de sélectionner un petit papillon bleu, de la famille des lycénidés le "Zizeeria maha", comme modèle biologique. Cette espèce largement répandue au Japon, est en effet un très bon indicateur biologique sensible aux changements environnementaux. Les papillons ont déja été utilisés pour étudier l'impact éventuel du pollen de maïs transgénique. Son cycle de reproduction est donc parfaitement connu et surtout maîtrisé en laboratoire. Lors du drame, les papillons vivaient encore à l’état de larve. Deux mois plus tard, en mai 2011, 144 papillons adultes ont été capturés dans 10 localités entourant la centrale de Fukushima. Pour 7 d’entre elles, 12,4 % des spécimens présentaient des anomalies morphologiques : des ailes antérieures plus courtes et des yeux déformés. Le pourcentage de « mutants » n’a fait qu’augmenter au sein des générations suivantes produites en laboratoire.

Ces déformations morphologiques, indiquées par des flèches rouges, ont été observé sur les Zizeeria maha prélevés à proximité de la centrale de Fukushima-Daiichi 2 mois après la catastrophe. Les deux images de gauche montrent des malformations au niveau des yeux. La troisième photographie présente un palpe anormal tandis que la quatrième expose des ailes à la forme inhabituelle. 

Les palpes sont des pièces buccales chez les invertébrés dont le rôle est essentiellement sensoriel. Ils sont porteurs de structures spécialisées, appelées sensilles, reliées au système nerveux central.

Les auteurs de l’étude précisent toutefois que ces résultats doivent être pris avec précaution. Ils ne concernent qu’une seule espèce de papillon, des expériences complémentaires doivent être réalisées sur d’autres animaux avant de pouvoir tirer des conclusions quant aux effets de la catastrophe sur l’Homme.