Photochimie et photobiologie

Du fait de la forte absorption par la couche d’ozone, tout photon dont la longueur d’onde est inférieure à 280 nm au niveau du sol est très vraisemblablement dû à l’activité humaine (ou à l’éclairage), ce qui est finalement un bienfait puisque ces photons de faible longueur d’onde possèdent une énergie suffisante pour provoquer la rupture de nombreuses chaînes chimiques. Nous avons trouvé de multiples façons d’utiliser cette capacité à casser des liaisons chimiques dans le traitement des matériaux. Le rayonnement à 254 nm est utilisé pour éliminer les matières organiques des surfaces optiques et wafers de semi-conducteurs. Le « rayonnement germicide » (UVC) est utilisé à des fins de stérilisation, et on trouve encore des lampes germicides dans certaines boucheries européennes. Le nettoyage par les UV est largement utilisé dans l’industrie et la dentisterie. Le Ministère de l’énergie actuel a parrainé des travaux effectués au Laboratoire national de l’énergie renouvelable (National Renewable Energy Laboratory, NREL) de Golden (Colorado) visant à utiliser la nature agressive des rayons ultraviolets (solaires) pour détoxiquer les déchets dangereux.
L’augmentation constatée des UVB est source de préoccupation, en raison de l’impact de ces derniers sur de nombreuses molécules biologiques particulièrement importantes. Il est pour lors impossible d’évaluer la gravité du problème potentiel qui risque de se poser, et ce pour deux raisons principales : d’une part la pénurie de moyens de mesure fiables de la charge d’ultraviolets, et d’autre part l’incertitude permanente à laquelle nous sommes confrontés quant à l’impact des ultraviolets.

LS-163aFigure 1 : Le spectre terrestre, la courbe photopique, et la photosynthèse.

Les UV incertains – définition des UVA, UVB et UVC

Les rayonnements UV présentent de nombreux défis techniques. Les indices de transmission et de réfraction de nombreux matériaux optiques varient rapidement dans l’ultraviolet. Les détecteurs et les revêtements optiques ainsi que certains matériaux permettant de filtrer les UV (cf.  figure 2) ne sont pas stables en raison des variations induites par les photons de haute énergie. La définition même des UVA, UVB et UVC fait l’objet de discussions. La Commission Internationale d’éclairage (CIE), l’autorité mondiale chargée de rédiger les définitions relatives aux rayonnements optiques, s’écarte de la conception traditionnelle dans sa définition des différents domaines.

Tableau 1 : Définition des domaines UV

UVC UVB UVA
CIE 100 - 280 nm 280 - 315 nm 315 - 400 nm1
Versions traditionnelles 200 - 290 nm 290 - 320 nm 320 - 400 nm2
£280 nm 280 - 320 nm 320 - 400 nm3

1) International Lighting Vocabulary (Vocabulaire international de l’éclairage), Publ. CIE n° 17.4
2) UVA Biological Effects of Ultraviolet Radiation with Emphasis on Human Responses to Longwave Ultraviolet (Effets biologiques du rayonnement ultraviolet UVA et réponses de l’organisme humain aux ultraviolets de grande longueur d’onde), Parrish et al, Plenum Press, 1978
3) Influences of Atmospheric Conditions and Air Mass on the Ratio of Ultraviolet to Solar Radiation (Influence des conditions atmosphériques et de la masse d’air sur le ratio ultraviolet / rayonnement solaire), Riordan, C. et al, SERI/TP 215 3895., Août 1990

La plupart des instruments de mesure des UVB utilisés aux États-Unis, ainsi que la plupart des publications, utilisent l’une des définitions traditionnelles. Meyrick et Jennifer Peak, de l’Argonne National Laboratory (Laboratoire national d’Argonne), ont avancé de manière très convaincante l’hypothèse qu’il existait de bonnes raisons de conserver la limite historique de 320 nm séparant les UVA des UVB. Les différences peuvent sembler minimes mais s’avèrent extrêmement significatives. 5 nm représentent 14 % de l’intégralité de la gamme UV, mais la rapidité avec laquelle les UV solaires terrestres traversent la plage de longueur d’onde 290-320 nm confère une importance disproportionnée à l’emplacement exact de ces frontières. L'important est de savoir quelle définition retient la publication ou le dispositif de mesure de référence. Nous utilisons ici :

The uncertain a UVLS-163bFigure 2 : Modification de la transmission d'un filtre après irradiation aux UV.

Mesure des UV solaires et simulés

Pour réaliser un travail quantitatif de précision, on préfère utiliser des mesures spectroradiométriques détaillées plutôt que des données issues de capteurs d’UVB ou d’UVC. Lors de l’utilisation d’un dispositif de mesure à large bande équipé d’un filtre destiné à ne laisser passer que les rayons UVB, la distribution spectrale de la source de l’étalonnage doit correspondre à celle de la source inconnue. Des études répétitives indépendantes réalisées par Diffey et Sayre ont mis en évidence que l’utilisation de dispositifs de mesure large bande étalonnés pouvait conduire à des erreurs considérables en raison de la non correspondance entre l’étalonnage et le spectre mesuré.
La spectroradiométrie est une technique plus complexe que la simple utilisation d’un dispositif de mesure. La vitesse de traversée très rapide des UV terrestres (cf. figure 3) fait peser des exigences très strictes en ce qui concerne les spectroradiomètres utilisés pour mesurer les rayonnements inférieures à 300 nm ; pour assurer une mesure précise, l’instrument doit comporter une fonction spectrale instrumentale bien caractérisée, un étalonnage spectral précis et une plage dynamique étendue, sans pour autant présenter les problèmes habituels de diffusion des rayonnements de longueur d’onde supérieure. Une erreur d’étalonnage de 1 nm n’est guère significative dans le visible, mais à 295 nm une valeur de 0,1 nm correspond à une différence de 10 % dans le rayonnement solaire enregistré. Nous utilisons les raies précises 253,7 nm, 284,9 nm, 302,2 nm et 337 nm de nos lampes d’étalonnage spectral afin d’assurer la précision de la longueur d’onde. Nous utilisons des techniques de filtrage et des détecteurs « solar blind » afin de garantir que les réseaux holographiques de notre Monochromateur Double 77274 présentent un taux de réjection adéquat. La meilleure des instrumentations et le soin le plus minutieux ne permettent pas d’assurer une grande précision, car les normes d’étalonnage sont limitées à un faible pourcentage de précision absolue.

LS-164aFigure 3 : Spectres typiques des UV solaires au zénith en été et en hiver.

Simulation des UV solaires

Les essais biologiques nécessitent une simulation précise des UV solaires, notamment dans la région des UVB. L’un des problèmes qui se posent est qu’il n’existe pas de données standard admises établies pour les UVB solaires.
Les données utilisées dans les normes ASTM 891 et 892 sont calculées à partir de la norme E 490 au moyen de modèles perfectionnés de propagation des rayonnements atmosphériques. Le tableau ci-dessous indique les valeurs correspondant aux plus faibles longueurs d’onde couvertes par les normes ; les normes ASTM ne sont de toute évidence pas appropriées pour la région 280-320 nm.

Tableau 2 : Valeurs d’éclairement aux plus faibles longueurs d’onde couvertes par les normes ASTM

Longueurs d’onde les plus faibles (nm) Eclairement ASTM 891 AM 1,5 D (W/m-2 nm-1) Eclairement ASTM 892 AM 1,5 G (W/m-2 nm-1) Eclairement CIE AM 1 D (W/m-2 nm-1)
305 0,0034 0,0092 0,0241
310 0,0156 0,0408 0,0683
315 0,0411 0,1039 0,135
320 0,0712 0,2379 0,1999

Afin de répondre au besoin de disposer d’une norme utilisable exprimé par les chercheurs du domaine de l’industrie des cosmétiques, la CIE a accepté une proposition émanant du Sunscreen High SPF Working Group (Groupe de travail sur les écrans solaires haute protection) de l’Association des Cosmétiques, Produits de Toilette et Parfums. Cette proposition définit un critère de plage d’acceptation pour les simulateurs utilisés dans les essais destinés à évaluer l’efficacité des écrans solaires. La sortie spectrale du simulateur en deçà de 320 nm doit être comprise entre deux courbes distantes l’une de l’autre de 6 nm. La figure 4 montre la plage d’acceptation, basée à Albuquerque, au Nouveau-Mexique. La figure 5 montre également de quelle manière nous parvenons à satisfaire cette exigence avec nos simulateurs d’UV et notre filtre d’atténuation atmosphérique. Les simulateurs conformes à cette norme permettent de réaliser en laboratoire des essais de facteurs de protection solaire porteurs de sens. L’extension de la norme aux UVA est requise en raison de la reconnaissance croissante des dangers des UV de plus grande longueur d’onde.

LS-164bFigure 4 : Plage d’acceptation proposée pour les simulateurs utilisés dans les essais de facteurs de protection solaire.LS-165aFigure 5 : Le simulateur d’UV Oriel équipé d’un filtre d’atténuation atmosphérique (AA) est conforme à la plage d’acceptation.

Simulateur de spectre à visible / infrarouge réduits

Les UV représentent près de 3,5 % de la sortie d’un simulateur AM 1 D. Des niveaux de rayonnement UV plus élevés accélèrent l’étude des effets des UV. Toutefois, les hauts niveaux de rayonnement UV produits par un simulateur conventionnel s’accompagnent d’une proportion plus élevée de visible et d’infrarouge. Les échantillons biologiques qui sont normalement simplement réchauffés par le rayonnement solaire normal peuvent être chauffés au-delà de leur limite de viabilité par un simulateur intense. Des conditions thermiques moins extrêmes pourraient masquer, au cours de l’étude, la véritable dépendance aux UV d’un effet observé. Nos Simulateurs d’UV éliminent la quasi-totalité du visible et de l’infrarouge (85 %), permettant ainsi une exposition à un niveau de rayonnement UV considérablement plus élevé que le niveau solaire.

LS-165bFigure 6 : Comparaison de l’éclairement d’un simulateur d’UV équipé d’un filtre d’atténuation atmosphérique par rapport aux spectres solaires UV réels.

Filtres UV

Les filtres passe-haut éliminent les UV de faible longueur d’onde. Le coefficient de transmission chute rapidement pour atteindre des valeurs négligeables en dessous de la coupure. On peut voir sur la figure 7 le facteur de transmission des filtres que nous utilisons pour simuler le facteur de transmission atmosphérique ainsi que pour séparer les UVC et les UVC + UVB. Notre gamme très complète de filtres large bande et à bande étroite offre une certaine souplesse dans la sélection du spectre de sortie. Par ailleurs, le faisceau collimaté sortant de nos simulateurs permet de simplifier la conception du filtre.

Remarque : tout filtre destiné à être utilisé dans un simulateur à sortie d’UV devrait être stabilisé par l’exposition aux UV. Il conviendra de prendre en compte l’ordre de positionnement du filtre ; les filtres hautement absorbants devront être éloignés le plus possible de la source. Dans le cas où les UV ne seraient pas nécessaires, un filtre passe-haut approprié suffira pour protéger les optiques et permettra de simplifier les exigences en matière de sécurité.

LS-165cFigure 7 : Facteur de transmission des filtres UV.

Effets biologiques de la lumière

Le rayonnement peut avoir sur les systèmes biologiques des effets bienfaisants ou nuisibles. La photosynthèse possède bien évidemment une importance vitale ; quant aux autres effets bienfaisants du rayonnement, ils comprennent la production de vitamine D3, la régularisation de l’humeur et les rythmes circadiens, ainsi que les autres bénéfices que nous retirons de l’effet légèrement germicide du rayonnement solaire.
Le rayonnement solaire, et notamment le rayonnement UV, a cependant de nombreux effets nuisibles sur l’homme. L’exposition aux UV peut entraîner cancers de la peau, cataracte, perte de l’élasticité cutanée, érythèmes, suppression du système immunitaire, photokératite et conjonctivite, bien que dans de nombreux cas, il reste difficile d’établir clairement la relation existant entre l’exposition aux UV et ces effets sur l’organisme. Un rayonnement simultané à des longueurs d’onde différentes peut permettre d’améliorer certains de ces processus. La compréhension des effets du rayonnement solaire sur la croissance des plantes et du plancton est également importante pour évaluer les conséquences des modifications de l’environnement.

Principaux spectres d’action

Le spectre d’action caractérise la dépendance à la longueur d’onde d’une modification biologique déterminée. Les chercheurs continuent à mesurer les spectres d’action correspondant aux processus biologiques importants, afin d’obtenir ainsi une meilleure compréhension des effets du rayonnement et des potentielles modifications induites par la destruction de la couche d’ozone. La connaissance des spectres d’action est d’une grande aide dans le développement d’agents de protection. Les spectres d’action de divers effets nuisibles des ultraviolets ont été utilisés pour compiler la courbe d’exposition maximale recommandée.
Les efforts de recherche actuels incluent des études de la relation existant entre les spectres d’action monochromatiques et large bande, ainsi qu’une meilleure compréhension des phénomènes de photo-addition et de photo-récupération et du phénomène –contesté – de photo-augmentation.
Nous montrons ici des spectres d’action pour l’érythème, la carcinogenèse, ainsi que pour les modifications de l’ADN et l’inhibition de la photosynthèse dans la vie végétale. Tous ces spectres atteignent au maximum 300 nm mais possèdent des valeurs mesurables par l’intermédiaire des UVA.
Différents types de spectres d’action ont été définis pour les érythèmes, ce qui est compréhensible puisqu’il n’existe pas de « peau standard » ; les mesures indiquent que les spectres diffèrent selon la durée séparant l’exposition de la mesure. Le spectre de Diffey possède une formule mathématique simple qui facilite la détermination de la dose érythémale effective une fois connu le spectre solaire ou simulé. Nous utilisons la formule de Diffey pour calculer les spectres d’efficacité pour les UV solaires et notre simulateur d’UV. Les spectres d’efficacité présentés à la figure 8 utilisent la formule de Diffey ainsi que les spectres du soleil et du simulateur de la figure 6. La figure 9 montre que les longueurs d’onde provoquent effectivement un érythème, et prend en compte le spectre d’action et la disponibilité du rayonnement à chaque longueur d’onde. On peut y constater que l’efficacité maximale se situe en été à 305 nm. C’est la longueur d’onde à laquelle le spectre solaire (estival) rapidement montant compense le spectre d’action descendante pour un effet maximal. En hiver, l’efficacité est extrêmement réduite et le pic d’efficacité se situe à des longueurs d’onde bien plus grandes.

LS-166bFigure 8 : Deux versions du spectre d’action érythémal. La version de Diffey possède un modèle mathématique simple qui facilite le calcul des spectres d’efficacité.LS-166cFigure 9 : Efficacité érythémale du soleil estival et hivernal à midi et du simulateur d’UV solaires Oriel avec filtre d’atténuation atmosphérique.LS-166dFigure 10 : Spectres d’action de la liaison ADN-protéine chez l’homme2et tumorigenèse chez la souris 3.

Le spectre de tumorigenèse chez la souris sans poil dans la région non transcrite UTR5 et le spectre d’action des lésions ADN dans les cellules humaines indiquent une dépendance forte et profonde aux UV. Comme tous les spectres d’action que nous présentons, ceux-ci ont été normalisés et n’indiquent pas une sensibilité absolue au niveau de rayonnement. La quantification de la sensibilité réelle en cas d’induction tumorale est compliquée non seulement par la nature statistique du développement du cancer mais également par certains facteurs de protection contre les rayonnements. Les cellules irradiées in vitro ne possèdent pas la protection in vivo des couches épidermiques.
La figure 11 présente deux spectres d’action de l’inhibition de la photosynthèse dans le phytoplancton antarctique (tirés de Helbling4 et Mitchell 5). Contrairement au phytoplancton tropical, le phytoplancton antarctique, qui est particulièrement bien adapté à l’obscurité des eaux profondes (subpynocline), est fortement touché par le rayonnement UV. La sensibilité et la photoadaptabilité de cette matière de base vont influencer l’impact sur le réseau trophique local du trou de la couche d’ozone au-dessus de l’Antarctique. On a utilisé pour définir ces deux spectres un filtrage passe-haut du rayonnement solaire ; les différences peuvent être dues à la technique d’échantillonnage (profondeur de l’échantillon, par exemple) ou à la faible résolution spectrale de cette technique. Cette figure présente également un spectre (en une série de points discrets) des lésions ADN subies par des graines d’alfalfa. Nous avons rééchelonné les points afin qu’ils ne dépassent pas la valeur maximale de 1. Le minutieux travail quantitatif d’origine réalisé par Quaite et Sutherland au Laboratoire national de Brookhaven montre que les couches extérieures protègent les cellules et réduisent la sensibilité aux UVB par rapport à la sensibilité attendue des données recueillies du travail mené sur la susceptibilité des cellules végétales non protégées.

ATTENTION : les simulateurs solaires Oriel de Newport ne sont pas destinés à la recherche sur l’homme. L’exposition à un rayonnement UV intense peut provoquer de graves brûlures à retardement sur la peau et les yeux.

LS-167bFigure 11 : Spectre d’action de l’inhibition de la photosynthèse dans le phytoplancton antarctique, et spectre des lésions ADN subies par les graines d'alfalfa.

Tous les spectres d’action augmentent de matière radicale à mesure que décroît la longueur d’onde. A première vue, toute augmentation des UVB provoque une augmentation brutale des lésions ADN, de l’érythème et de l’inhibition de la photosynthèse. Madronich7 a utilisé la mesure par satellite de la concentration d’ozone de 1979 à 1989 afin d’évaluer les modifications intervenues dans les UV qui ont atteint la surface de la Terre au cours de cette période. Il a utilisé plusieurs spectres d’action pour calculer les lésions ADN et végétales à diverses latitudes au cours de cette même décennie et en a conclu qu’il existait une augmentation de 7,4 % à 50° de latitude nord et une augmentation de 34 % à 75° de latitude sud. La difficulté à tirer des conclusions, même à l’issue de mesures détaillées de la couche d’ozone, tient à l’incertitude relative au spectre d’action principal. Madronich a utilisé le spectre généralisé de lésions ADN de Setlow8 et le spectre de lésions végétales de Caldwell 9. De récentes études menées par le groupe de Sutherland 10 sur la peau humaine et les graines végétales mettent en doute l’idée selon laquelle la potentielle augmentation des lésions ADN dues à des niveaux d’UVB plus élevés sera plus importante que prévu. Elles soulignent que la plupart des précédents travaux ont sous-estimé les effets des UVA. Bien que ces effets présentent une sensibilité très faible aux UVA, ces derniers pénètrent dans les couches protectrices de l’ADN mieux que les UVB, et les UVA terrestres sont bien plus nombreux. Le spectre d’action convolué de Quaite et Sutherland pour les lésions ADN subies par les graines d’alfalfa à un niveau de rayonnement UVA solaire relativement élevé met en évidence la contribution significative des UVA. Puisque les niveaux d’UVA ne modifieront pas la destruction de la couche d’ozone, les conclusions fondées sur l’augmentation des UVB surestiment l’impact de cette perte d’ozone. Des données complémentaires11 sur les lésions provoquées par les UV sur le phytoplancton étayent la position de Sutherland.

1) Diffey, B. Private Communication (1992-1993)
2) Peak, J.G. and Peak M.J. Mutation Research, 246 (1991) 187-191
3) Van der Leun Private Communication (1992-1993)
4) Helbling et al. Marine Ecology Progress Series Vol 80:89-100, 1992
5) Mitchell, B.G. and Karentz, D., Antarct. J. U.S. 26, 119-120, 1991
6) Quaite, F.E., Sutherland, B.M. and Sutherland J.C. Nature Vol 358, p 576, August 1992
7) Madronich, S. Geophysical Research Letters, Vol 19, No. 1, pp 37-40, 1992
8) Setlow, R.B., Proc. Natl. Acad. Sci. 71 3363-3366, 1974
9) Caldwell, M.M. et al. pp 87-111 Stratospheric ozone reduction, solar ultraviolet radiation and plant life, Worrest and Caldwell Editors, Springer Verlag, 1986
10) Freeman et al., Proc Nat'l. Acad Sci. U.S.A., Vol 86 pp 5605-5609, July 1989
11) Ryan, K.G.J. Photochem. Photobiol. B: Biol., 13 (1992) 235-240