Nous avons déterminé par diffusion de rayons X le potentiel d'interaction entre deux bicouches, une première adsorbée sur un substrat solide et une deuxième flottant à proximité. Nous montrons que les interactions dans ces systèmes fortement hydratés sont deux ordres de grandeur plus faibles que dans les travaux précédents menés sur des phases multilamellaires. Cette caractéristique est attribuée à la répulsion électrostatique due à la faible fraction de lipides ionisés. Nous avons de plus accès aux potentiels de répulsion entropique, et testons les différents modèles théoriques existants. Les effets d'un champ électrique sur les membranes ont également été étudiés. Nous montrons que le champ induit une tension négative et une rigidité positive, et mène à la déstabilisation d'une bicouche supportée sous certaines conditions. Finalement, nous mesurons les propriétés de membranes chargées par diffusion de rayons X, nous permettant d'accéder aux limites de la théorie de Poisson-Boltzmann.

Les filaments d'actine sont des polymères biologiques très abondants dans le cytosquelette des eucaryotes. Leur auto-assemblage et leur auto-organisation sont très dynamiques et ils jouent un rôle majeur dans la motilité cellulaire et dans les déformations de la membrane. Nous présentons dans cette thèse trois approches de modélisation, à différentes échelles, afin de mieux comprendre les mécanismes de régulation de l'assemblage, de l'organisation et de la production de forces par des filaments biologiques tels que les filaments d'actine. Nous avons tout d'abord développé un outil de simulation multi-agent stochastique pour l'étude de la dynamique de filaments biologiques prenant en compte les interactions à l'échelle du nanomètre. Ce nouvel outil nous a permis de mettre en évidence l'accélération du turnover des monomères d'actine par fragmentation des filaments par l'ADF/Cofiline ainsi que les ruptures de symétries induites par cette protéine, résultats concordant avec les expériences de l'équipe de L. Blanchoin (CEA Grenoble). Nous avons également mené l'étude d'un modèle continu pour le flambage de filaments qui a permis d'estimer les forces exercées in vivo et in vitro en fonction des conditions d'attachement des extrémités et de donner des conditions limites de certains paramètres permettant le flambage. Troisièmement, nous avons développé un cadre pour l'organisation des données de cinétique biochimique de réseaux de régulation que nous avons utilisé pour la régulation de la polymérisation de l'actine. Ces trois approches de modélisation ont permis d'améliorer la connaissance sur la dynamique de l'actine et sont complémentaires aux approches expérimentales de la biologie.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude des matériaux granulaires cimentés composés d'un assemblage dense de particules et d'une matrice remplissant partiellement l'espace entre les particules. Cette étude a été plus particulièrement appliquée au cas de l'albumen de blé, modélisé comme un assemblage de granules d'amidon liés entre eux par une matrice protéique, afin de comprendre les origines physiques de la friabilité (blés hard, soft, durum) des types de blé. Une modélisation numérique basée sur une discrétisation sur réseau a permis de prendre en compte la déformation et la rupture des phases et de leurs interfaces. Nous avons mis en évidence, par une étude paramétrique en compression et en traction simples, trois régimes de rupture caractérisés par l'endommagement des particules en fonc- tion de la fraction volumique de la matrice et de l'adhésion à l'interface entre les particules et la matrice. La microstructure granulaire contrôle la concentration des contraintes, mise en évidence par leurs densités de probabilité, et le mode de fissuration du milieu. Une comparaison a été réalisée avec la méthode des éléments discrets dans le cas de la transmission des forces. Des expériences de compression simple sur un matériau modèle ont permis de valider les résultats numériques. Dans les deux cas, numérique et expérimental, l'endommagement des particules est gouverné par une ténacité relative à l'interface particule-matrice qui combine la fraction volumique de la matrice et l'adhésion à l'interface. Nous avons également élaboré un modèle théorique simple permettant de prendre en compte les effets de structure granulaire pour prédire les seuils de rupture et les modules élastiques en traction et en compression. Le rapprochement entre nos résultats et les données relatives à l'endommagement des granules d'amidon pour différentes variétés de blé suggère que l'adhésion à l'interface entre la matrice protéique et les gra- nules d'amidon est contrôlée par le volume de puroindolines.

Les membranes biologiques sont le centre de nombreux phénomènes hors équilibres qui sont essentiels pour les cellules. Pour une description physique plus complète des biomembranes, nous avons étudié, théoriquement et expérimentalement, les effets de deux processus hors équilibres sur les propriétés de membranes artificielles. Premièrement, nous avons développé une théorie, complètement covariante, des membranes qui sont soumises à des échanges de matériels biologiques (i.e. lipides, enzymes et protéines membranaires). Avec cette description, l'étude des fluctuations de telles membranes nous a montré que, sous certaines conditions , celles-ci peuvent devenir instables en développant un long et fin tubule qui présente certaines similitudes morphologiques avec les membranes des organelles. Nous avons appliqué ce modèle avec succès pour décrire le phénomène de fusion observé expérimentalement entre de petites et de grosses vésicules chargées mimant le phénomène d'endocytose. Deuxièmement, nous avons étudié les effets de l'activité des protéines membranaires sur le spectre des fluctuations. Un modèle théorique qui prend en compte l'activité hors équilibre des protéines prévoit une amplification des fluctuations lorsqu'un bruit hors équilibre s'ajoute au bruit thermique. Pour tester expérimentalement ces prévisions, il a fallu reconstituer une pompe ATP-dépendante, l'ATPase-Calcium dans des vésicules géantes unilamellaires. Puis grâce à la technique d'aspiration par micropipette, nous avons mis en évidence à la fois une décroissance du module de courbure liée à la présence des protéines dans la membrane, et une augmentation des fluctuations dans les membranes actives.

Les biomatériaux interviennent dans de nombreuses applications médicales. La connaissance de leur évolution une fois implantés dans l'organisme est primordiale pour les améliorer et en créer de nouveaux. Dans cette optique, nous avons réalisé une modélisation à deux dimensions de la transformation d'un biomatériau en os. Pour cette modélisation, nous utilisons la théorie de la percolation. Celle-ci traite de la transmission d'information à travers un milieu où sont distribués un très grand nombre de sites pouvant localement relayer cette information. Nous présentons un modèle de double percolation sites-liens, pour prendre en compte d'une part la vascularisation (et/ou résorption) du biomatériau de l'implant dans un os, et d'autre part sa continuité mécanique. Nous identifions les paramètres pertinents pour d'écrire l'implant et son évolution, qu'ils soient d'origine biologique, chimique ou physique. Les différents phénomènes sont classés suivant deux régimes, percolant ou non-percolant, qui rendent compte des phases avant et après vascularisation de l'implant. Nous avons testé notre simulation en reproduisant les données expérimentales obtenues pour des implants de corail. Nous avons réalisé une étude des différents paramètres de notre modèle, pour déterminer l'influence de ceux-ci sur chaque phase du processus. Cette simulation est aussi adaptable à différents systèmes d'implants. Nous montrons la faisabilité d'une modélisation à trois dimensions en transposant la partie statique de notre simulation.

Les vésicules géantes unilamellaires (GUV) permettent d'étudier efficacement les interactions entre les lipides et les peptides. Dans ce manuscrit, il a été montré que les interactions attractives lipides-peptides sont supprimées par l'attachement de polypeptides de type élastine (ELP) sur des peptides riches en arginine et peuvent être modulées par l'auto-assemblage en micelles ainsi que par le nombre de groupements arginine dans la séquence des peptides capables de pénétrer les cellules. De plus, une nouvelle méthode pour former des GUV à partir de systèmes complexes en seulement quelques minutes a été développée. Cette méthode est basée sur le gonflement d'un film de PVA sous une bicouche lipidique. Elle supprime la dégradation des molécules pendant la formation des GUV de lipides synthétiques, tels que des glycolipides et des phospholipides portant des groupements amides, où les méthodes traditionnelles ne réussissent pas à produire des vésicules non endommagées.

L'environnement électromagnétique, et donc l'exposition aux champs électromagnétiques, existe depuis toujours. En revanche, le nombre de sources d'exposition a augmenté de façon inégale au cours de l'histoire humaine. La source primaire principale et omni-présente est le champ magnétique statique terrestre, appelé champ géomagnétique. Sa valeur moyenne est de 50 µT. Dans l'Antiquité, le savant grec Thalès serait le premier à s'être intéressé à l'électricité, mais c'est à la fin du 18ème siècle et surtout au 19ème siècle que l'électricité artificielle fait son apparition et devient indispensable aux sociétés dites modernes. Les télécommunications se développent également à partir du 19ème siècle et trouvent une extension avec les nouvelles technologies de communication sans fil au siècle dernier. Des applications industrielles et médicales non invasives ont également été développées au cours des dernières décennies, comme l'imagerie par résonance magnétique (IRM), la stimulation magnétique transcrânienne et d'autres signaux électromagnétiques complexes. Au total, le nombre de sources d'exposition, généralement de faible puissance, ne cesse de croître et les développements technologiques se poursuivent, avec éventuellement de nouveaux usages qui peuvent parfois être à l'origine de nouveaux types d'exposition. L'évaluation des risques liés à l'exposition aux champs électromagnétiques date du 20ème siècle avec la notion de radioprotection et l'apparition des organismes dédiés à la radioprotection. Une distinction entre la radioprotection stricte (protection contre la radioactivité) et la protection contre les rayonnements non-ionisants ou champs électromagnétiques est intervenue dans les années 1960. En France, la Société Française de Radio Protection comporte une section " ionisant " et une section " non-ionisant ". Au plan international, à l'instar de la CIPR pour les rayonnements ionisants, l'ICNIRP est l'organisme qui propose les normes d'exposition aux rayonnements non-ionisants. Ces normes sont établies à partir de l'analyse collective des articles scientifiques parus dans des journaux à comité de lecture. C'est donc sur les connaissances scientifiques que se fait l'évaluation des risques liés à l'exposition aux champs électromagnétiques, et les propositions de limites d'exposition peuvent évoluer si les résultats des évaluations périodiques du risque le nécessitent. Cependant, le développement de nouvelles technologies et/ou de nouveaux usages, la question des faibles doses et des expositions à long terme ont généré une demande sociétale forte et incité les industriels et/ou les autorités à financer de nouvelles recherches. Classiquement en toxicologie, le risque caractérisé est directement lié à la " dose " de l'agent en cause et c'est le cas ici des champs électromagnétiques. Aussi, généralement, les pathologies associées se développent rapidement et apparaissent de façon aiguë, exception faite du cancer. Implicitement, des expositions à des intensités ou puissances faibles, comme celles générées par les nouvelles technologies de communication sans fil par exemple, ne peuvent pas générer ces manifestations physiopathologiques. Pourtant, avec la téléphonie mobile, force est de constater que l'on approche, pour la première fois, une source RF près du cerveau. En revanche, les techniques d'IRM évoluent vers l'utilisation de champs magnétiques statiques, intenses jusqu'à 11 teslas. Or, peu de recherches ont été menées avec des champs statiques aussi intenses. Des questions sanitaires légitimes se posent alors quant aux effets sanitaires liés aux nouvelles technologies utilisant des champs électromagnétiques, et la recherche fournit des éléments de réponse. Dans les années 1990, la thématique " santé-environnement " émerge avec, notamment, la question des enfants et leur possible plus grande sensibilité aux toxiques de l'environnement . Les champs électromagnétiques ne sont pas toujours cités dans ces documents. En 1996, l'Organisation Mondiale de la Santé (OMS) établit le Projet International pour l'étude des champs électromagnétiques (International EMF project). Ce projet se propose " d'évaluer les effets sanitaires et environnementaux provoqués par des champs électriques et magnétiques statiques ou variables dans les fréquences allant de 0 à 300 GHz ". Ainsi, l'OMS publie régulièrement des recommandations de recherche qui sont une référence incontournable pour les instituts de recherche. L'OMS justifie ce programme " au titre de sa Charte pour la protection de la santé publique et en réponse à la préoccupation suscitée par la possibilité d'effets sanitaires imputables à l'exposition à des sources de champs électromagnétiques ". Ainsi, des aspects sociétaux justifient également notre recherche. En parallèle, la notion de principe de précaution s'est développée jusqu'à l'inscription de la charte de l'environnement, et donc du Principe de Précaution, dans le préambule de la constitution française en 2005. Consacré dans le champ de la protection de l'environnement - il s'agit de ne pas attendre de disposer de toutes les certitudes scientifiques sur l'existence d'un risque de dommage grave et irréversible pour agir - ce principe demande " la mise en œuvre de procédures d'évaluation des risques " et la recherche doit être considérée comme un élément à part entière de ce principe. Je présente dans ce document mes activités de recherche depuis ma soutenance de thèse en 1997. Mes recherches incluent des études de confirmation et des études originales dans une approche toxicologique qui s'inscrit pleinement dans la démarche d'évaluation du risque. Le processus d'évaluation des risques est en effet un processus dynamique qui tient compte des nouvelles données scientifiques. Je contribue ainsi à l'évaluation du risque à la fois par mes recherches et par l'activité d'expertise que j'exerce en parallèle, laquelle vise à recenser et évaluer les données scientifiques disponibles. Ce document présente un rappel succinct de la notion de champs électromagnétiques et des mécanismes d'action pour les interactions avec le vivant, puis une synthèse des travaux réalisés en cinq sections : (i) Systèmes d'exposition, dosimétrie et expositions ; (ii) Études de confirmation d'effets biologiques des champs magnétiques et des champs RF ; (iii) Étude d'effets biologiques des champs RF ; (iv) Étude d'effets biologiques des champs magnétiques et (v) Expertise. Viennent ensuite mes perspectives de recherche, pour les quatre prochaines années.

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Dans un contexte de changement climatique global et d'évolution locale de l'usage des terres, le devenir des paysages culturels des Alpes françaises, façonnés au cours des siècles par les interactions mutuelles entre sociétés et environnement, apparaît incertain. Dans le même temps, les écosystèmes qui les constituent abritent une biodiversité riche et sont à l'origine de nombreuses ressources naturelles et fonctions écologiques dont bénéficient les populations humaines. Ces ressources et fonctions sont conceptualisées sous le terme de « services écosystémiques » et font aujourd'hui l'objet d'une attention accrue dans la gestion et la protection des ressources environnementales, au même titre que la biodiversité. L'identification des facteurs liés à leur maintien, en termes écologiques, socio-culturels et politiques, est une étape nécessaire à leur gestion durable, bien qu'encore insuffisamment explorée. Mon projet de thèse visait à accroître la compréhension des interactions positives (synergies) et négatives (antagonismes) entre services écosystémiques et biodiversité via une approche multidimensionnelle du socio-écosystème des Alpes françaises. - Le Chapitre I propose une approche biophysique quantitative et spatialisée de la multifonctionnalité des écosystèmes. Suite à une étape de modélisation, les patrons spatiaux de synergie et d'antagonisme entre services et biodiversité ont été explorés statistiquement et reliés à des enjeux de gouvernance actuels à différentes échelles. Ce travail a permis d'identifier les bouquets de services écosystémiques représentatifs des différentes conditions biogéographiques, de gestion et de d'hétérogénéité du paysage représentées dans le massif. - Cette approche est complétée dans le Chapitre II par une représentation qualitative des relations d'influence entre services écosystémiques et biodiversité, ainsi que de leurs liens avec d'autres variables écologiques et sociales. Nous avons considéré explicitement les dimensions multiples englobées par le concept de service écosystémique (leurs ‘facettes') et proposons un cadre conceptuel pour en cartographier les réseaux d'influence. Ce cadre a servi de base à l'analyse d'un processus consultatif que nous avons mené auprès d'acteurs du territoire. Les analyses ont mis en lumière leur perception globale des relations d'influence importantes au sein du socio-écosystème. - Afin de mieux comprendre les régulations sociales appliquées à la gestion environnementale, nous testons dans le Chapitre III une méthodologie d'analyse de l'efficacité environnementale d'instruments de gouvernance. Notre analyse a privilégié un nombre restreint d'instruments qui encadrent actuellement les interactions entre agriculture, tourisme et biodiversité. L'utilisation d'un ensemble d'indicateurs de performance et d'adéquation avec le cadre socio-culturel et de gouvernance a souligné l'articulation complexe des instruments entre eux et a abouti à la production d'une synthèse pour les décideurs (‘policy brief'). - Le Chapitre IV explore enfin certains enjeux conceptuels et éthiques de la recherche dans le domaine des services écosystémiques. Après une réflexion générale sur les relations entre science et société, je propose une évaluation réflexive et personnelle des projets de recherche auxquels j'ai contribué. Pour conclure, je propose une vision transversale du socio-écosystème alpin mettant en lumière les enjeux majeurs identifiés par les différentes analyses. / In the context of global climate change and local land use changes, the future of the French Alps cultural landscapes, shaped through long-lasting and mutual interactions between human and their environment, appears uncertain. Simultaneously, the ecosystems constituting alpine landscapes host a rich biodiversity and provide the many natural resources and ecological functions that benefit to human societies. These resources and functions are conceptualised as “ecosystem services” and currently attract an increasing attention for the management and the conservation of environmental resources, along with biodiversity. Identifying the variables linked to their maintenance, in ecological, socio-cultural and political terms, is a necessary step of their sustainable management, and yet is still under-explored. My PhD project aimed at increasing the understanding of positive (synergies) and negative (trade-offs) interactions among ecosystem services and biodiversity through a multi-dimensional approach of the French Alps social-ecological system. - In Chapter I, I present a quantitative and spatially explicit biophysical assessment of ecosystem multifunctionality. After a modelling step, we explored spatial patterns of trade-offs and synergies among ecosystem services and biodiversity using a series of statistical analyses of increasing complexity. Results were structured to provide insights for sound environmental governance at multiple scales. We identified various bundles of ecosystem services representative of the different conditions across the French Alps massif in terms of biogeography, management and landscape heterogeneity. - This approach is complemented in Chapter II by a qualitative representation of influence relationships among ecosystem services and biodiversity that also accounts for additional ecological and social variables. We explicitly considered the multiple dimensions encompassed by the ecosystem service concept (their ‘facets') and proposed an innovative conceptual framework to represent their influence networks. This framework was applied to analyse a consultative process that we carried out with stakeholders of regional expertise. This analysis highlighted their general perception of important influence relationships in the alpine social ecological system. - In order to better understand social regulations linked to environmental governance, we test in Chapter III a methodology for assessing the environmental effectiveness of policy instruments. We concentrated on a restricted set of instruments regulating the interactions between biodiversity, agriculture and outdoor tourism. The consideration of multiple indicators assessing the performance and the fit with the socio-cultural and governance setting highlighted the complex articulation of instruments within the broader policy mix. Results were synthesised in a policy brief targeting regional decision-makers. - Chapter IV is conceived as my personal exploration of the conceptual and ethical issues linked to research on ecosystem services. Following some general thinking on the relations between environmental sciences and society, I conducted a personal reflexive assessment of the research projects I contributed to. To conclude, I propose a synthetic vision of the alpine social-ecological system and discuss the major issues revealed throughout the analyses.

Du fait de sa complexité, le fonctionnement du cerveau est exploré par des méthodes très diverses, telles que la neurophysiologie et les neurosciences cognitives, et à des échelles variées, allant de l'observation de l'organe dans son ensemble jusqu'aux molécules impliquées dans les processus biologiques. Ici, nous proposons une étude à l'échelle cellulaire qui s'intéresse à deux briques élémentaires du cerveau : les neurones et les cellules gliales. L'approche choisie est la biophysique, de part les outils utilisés et les questions abordées sous l'angle de la physique. L'originalité de ce travail est d'utiliser des cellules primaires du cerveau dans un souci de proximité avec l'in vivo, au sein de systèmes in vitro dont la structure chimique et physique est contrôlé à l'échelle micrométrique. Utilisant les outils de la microélectronique pour un contrôle robuste des paramètres physico-chimiques de l'environnement cellulaire, ce travail s'intéresse à deux aspects de la biologie du cerveau : la polarisation neuronale, et la sensibilité des cellules gliales aux propriétés mécaniques de leur environnement. A noter que ces deux questions sont étroitement imbriquées lors de la réparation d'une lésion. La première est cruciale pour la directionalité de la transmission de signaux électriques et chimiques et se traduit par une rupture de symétrie dans la morphologie du neurone. La seconde intervient dans les mécanismes de recolonisation des lésions, dont les propriétés mécaniques sont altérées., Les études quantitatives menées au cours de cette thèse portent essentiellement sur la phénoménologie de la croissance de ces deux types de cellules et leur réponse à des contraintes géométriques ou mécaniques. L'objectif in fine est d'élucider quelques mécanismes moléculaires associés aux modifications de la structure cellulaire et donc du cytosquelette. Un des résultats significatifs de ce travail est le contrôle de la polarisation neuronale par le simple contrôle de la morphologie cellulaire. Ce résultat ouvre la possibilité de développer des architectures neuronales contrôlées in vitro à l'échelle de la cellule individuelle. / The complex structure of the brain is explored by various methods, such as neurophysiology and cognitive neuroscience. This exploration occurs at different scales, from the observation of this organ as a whole entity to molecules involved in biological processes. Here, we propose a study at the cellular scale that focuses on two building elements of brain: neurons and glial cells. Our approach reachs biophysics field for two main reasons: tools that are used and the physical approach to the issues. The originality of our work is to keep close to the in vivo by using primary brain cells in in vitro systems, where chemical and physical environments are controled at micrometric scale. Microelectronic tools are employed to provide a reliable control of the physical and chemical cellular environment. This work focuses on two aspects of brain cell biology: neuronal polarization and glial cell sensitivity to mechanical properties of their environment. As an example, these two issues are involved in injured brains. The first is crucial for the directionality of the transmission of electrical and chemical signals and is associated to a break of symmetry in neuron morphology. The second occurs in recolonization mechanisms of lesions, whose mechanical properties are impaired. During this thesis, quantitative studies are performed on these two cell types, focusing on their growth and their response to geometrical and mechanical constraints. The final aim is to elucidate some molecular mechanisms underlying changes of the cellular structure, and therefore of the cytoskeleton. A significant outcome of this work is the control of the neuronal polarization by a simple control of cell morphology. This result opens the possibility to develop controlled neural architectures in vitro with a single cell precision.