Sentinelle Nord

CHANTIER THÉMATIQUE 2
La lumière comme moteur, environnement et vecteur d'information dans les milieux naturels et la santé dans le Nord

 
 
 
 

Chantier thématique 2: La lumière comme moteur, environnement et vecteur d'information dans les milieux naturels et la santé dans le Nord

La lumière est un vecteur essentiel de transfert d'énergie sur Terre. L'exploitation du potentiel remarquable de la lumière par l'humain, ainsi que sa mise à profit d'un point de vue technologique, ont mené à de profondes transformations de nos sociétés dans de multiples domaines dont la santé et la sécurité, les énergies vertes et renouvelables, le réseautage et les communications, et l'exploration des multiples environnements de notre planète. Aux hautes latitudes, les grandes variations saisonnières de la photopériode et du couvert de neige et de glace amènent une variabilité notable dans la disponibilité et la qualité de la lumière affectant les écosystèmes et les sociétés nordiques.

Ce chantier regroupe près de 50 professeurs de 7 facultés et 13 départements de l'Université Laval œuvrant avec leurs collaborateurs au sein de 8 sous-projets complémentaires qui englobent une approche transdisciplinaire avec comme objectif d'investiguer la propagation de la lumière à travers espaces et substrats; ses interactions avec la matière; son influence sur la physiologie et les biorythmes; le développement de technologies optiques permettant l'étude des substrats et des processus bio- et géochimiques; la détection de composés climatiquement-actifs; et la génération d'énergie durable.

 
 
 

2.1 Cultures de la lumière nordique: optimisation de la biophilie en climat extrême par l'architecture

 
Équipe de recherche et résumé du projet
 

Chercheurs principaux
Claude Demers, Marc Hébert

Co-chercheurs
Myriam Blais, Louis Gosselin, Jean-François Lalonde, André Potvin, Geneviève Vachon

Collaborateurs
Pierre Blanchet, Carole Després, Line Rochefort

Collaborateurs hors UL
Ellen Avard (Makivik), Mylène Riva (McGill U.), Claude Vallée (MAPAQ)

Résumé du projet
La biophilie désigne l'attrait inné des humains pour la nature et la lumière naturelle en est le principal vecteur. Le projet de recherche propose d'optimiser cette biophilie par la création d'un milieu de vie adapté à la disponibilité limitée de la lumière naturelle en climat extrême. Véritable extension du corps, l'architecture se positionne entre la nature et l'humain et exprime de manière tangible la rencontre du climat, de la biologie et de la technologie. Une architecture intégrée à son environnement et à son contexte culturel agrandit l'espace de l'équilibre biologique et social et sécurise un milieu favorable à la productivité, à la santé et au bien-être tout en minimisant les impacts négatifs sur l'environnement. Dans le contexte d'un gisement lumineux et de ressources très limités, les «occupants» temporaires ou travailleurs du Nord dépendent d'une culture constructive hautement technologique pour s'adapter à leur environnement hostile. Les «habitants» permanents du Nord -les communautés inuites notamment- ont pourtant développé une culture architecturale riche intimement adaptée à la biosphère qui s'est vue progressivement dénaturée au contact des modes de vie du Sud et l'accès aux ressources.

Le projet propose de répondre aux besoins biophiliques de ces deux cultures par les activités suivantes:

  • mesure de la disponibilité de la lumière naturelle et son impact sur le bien-être humain, sur la demande énergétique des bâtiments, et sur le potentiel de végétalisation
  • utilisation de technologies optiques (DEL, Smart Windows, fibre optique) afin de définir des hypothèses d'optimisation du bien-être des usagers, minimiser l'intensité énergétique des bâtiments et favoriser la restauration écologique
  • intégration de technologies optiques à des composantes architecturales et ajout d'espaces annexes ou «prothèses biophiliques» à des constructions existantes (espaces communs et/ou résidentiels)
  • validation de l'efficacité, applicabilité et acceptabilité culturelle des solutions proposées par le projet architectural auprès des populations locales
 

2.2 Systèmes optiques innovants pour le suivi de la vie hivernale dans la cryosphère

 
Équipe de recherche et résumé du projet
 

Chercheur principal
Gilles Gauthier

Co-chercheurs
Martin Bernier, Steeve Côté, Florent Dominé, Tigran Galstian, Sophie Larochelle, Xavier Maldague, Simon Thibault, Warwick Vincent

Collaborateur
Benoit Gosselin

Collaborateurs hors UL
Laurent Arnaud, Pascal Hagenmuller, Ghislain Picard (France); Dominique Berteaux, Dany Dumont (UQAR); Christian Dussault (MFFP); Alexandre Langlois (U. Sherbrooke); Rolf Ims, Nigel Yoccoz (Norvège)

Résumé du projet
L'hiver a été longtemps considéré comme une période de «dormance» en Arctique mais les processus hivernaux peuvent jouer un rôle vital pour les organismes vivants. Des changements dans la neige, une caractéristique universelle de l'hiver, et ses conséquences sur la transmission de la lumière vont entraîner des effets en cascade sur les organismes vivants et les services écosystémiques. Cependant, la difficulté d'étudier cet environnement en hiver limite notre compréhension de ces processus et représente une frontière émergente de la science arctique. Notre projet utilisera des développements récents en systèmes optiques pour étudier l'écosystème arctique en hiver. Notre objectif global est de développer et d'appliquer de nouvelles technologies basées sur l'optique sous les conditions extrêmes de l'Arctique pour améliorer notre compréhension des propriétés de la neige et leurs impacts sur les organismes vivants. Nous proposons de:

1) développer de nouvelles technologies optiques pour mesurer in situ les propriétés de la neige

2) développer des outils optiques pour suivre l'activité des petits animaux vivant sous la neige

3) utiliser les animaux mobiles de grande taille équipés d'appareils optiques pour monitorer les conditions de la neige et de l'environnement

4) développer des systèmes optiques pour mesurer la transmission lumineuse et les processus biologiques dans la colonne d'eau sous la glace.

Notre projet mènera à des percées scientifiques dans notre compréhension des écosystèmes arctiques en hiver. Les instruments développés pour ce projet nécessiteront des innovations technologiques (résistance au froid, capacité d'opérer à faible intensité lumineuse, faible consommation d'énergie) qui auront des applications à l'extérieur du projet. Une collaboration entre des chercheurs provenant de disciplines diverses comme la biologie, la chimie, la photonique ou le génie électrique sera essentielle. Ce projet fournira un environnement d'apprentissage unique pour les étudiants au laboratoire et sur le terrain dans l'Arctique.

 

2.3 Utilisation des microalgues diatomées pour améliorer le traitement des dysfonctionnements de l'horloge biologique liés à la lumière chez les habitants de l'Arctique

 
Équipe de recherche et résumé du projet
 

Chercheur principal
Johann Lavaud

Co-chercheur
Marc Hébert

Collaborateur
Marcel Babin

Collaborateurs hors UL
Angela Falciatore (France)

Résumé du projet
En Arctique, l'activité biologique, des microalgues diatomées aux humains, est fortement contrainte par les variations saisonnières et quotidiennes extrêmes de la photopériode et du spectre lumineux. Le spectre bleu vs rouge auquel les diatomées sont exposées dans la glace est opposé à la sensibilité de l'œil humain (forte pour le rouge, faible pour le bleu) faisant d'elles un modèle biologique pertinent de réponse bleue. Les diatomées et les humains possèdent des dispositifs moléculaires sophistiqués qui régulent des horloges circadiennes internes permettant de synchroniser la physiologie à leur environnement lumineux. La régulation de leurs rythmes biologiques montre des points communs étonnants («convergence évolutive») dont des photorécepteurs bleus et rouges. Les effets néfastes du climat lumineux Arctique sur la santé mentale (dépression saisonnière, etc.) sont bien connus. L'illumination artificielle bleu:rouge (luminothérapie) est une approche innovante qui permet de recaler l'horloge biologique et de booster les rythmes circadiens. Bien qu'il soit difficile de tester de nouveaux régimes lumineux sur des populations humaines, l'approche est plus accessible avec les diatomées arctiques. Le but de ce projet est d'utiliser les diatomées arctiques pour étudier l'effet de la photopériode et du spectre lumineux sur la rythmicité circadienne de la physiologie afin de proposer de nouveaux régimes lumineux bleu:rouge ayant un effet positif sur l'horloge biologique. Ceci facilitera leur application aux populations humaines nordiques (et au-delà, i.e. travailleurs de nuit, mineurs, etc.) présentant une probabilité accrue de dysfonctionnements de la santé mentale et du comportement. Cette approche va potentiellement engendrer de(s) brevet(s) pour de nouveaux traitements médicaux lumineux non-invasifs. En parallèle, ce projet renforcera notre connaissance des fondements de l'écophysiologie des diatomées qui sont les sentinelles des changements climatiques en Arctique et ouvrira sur la bioprospection de molécules à valeur ajoutée bénéfiques à la santé humaine (pigments caroténoïdes, acide gras polyinsaturés) dont les diatomées arctiques sont riches.

 

2.4 Vers une meilleure compréhension de l'interaction lumière-matière: concevoir de nouveaux outils et des approches innovantes pour l'étude du Nord grâce à une connaissance approfondie des propriétés des structures tant microscopiques que macroscopiques

 
Équipe de recherche et résumé du projet
 

Chercheur principal
Pierre Marquet

Co-chercheurs
Daniel Côté, Philippe Després

Collaborateur
Marcel Babin

Collaborateurs hors UL
Pierre Francus (INRS)

Résumé du projet
Une connaissance précise de la distribution de la lumière dans les milieux diffusifs est essentielle pour comprendre comment celle-ci affecte notre environnement (ex: photosynthèse dans l'océan) et nous aide à le décoder (ex: diagnostic à l'aide d'appareils optiques). Malgré des années de recherche, les modèles de propagation lumineuse dans les milieux diffusifs reposent souvent sur des approximations qui négligent en partie la structure de ces derniers. Ils échouent alors à nous fournir une compréhension précise de ces phénomènes dans plusieurs situations, dont certaines reliées aux environnements nordiques. Par exemple, la distribution de la lumière sous la banquise permettrait de mieux comprendre les écosystèmes marins. Le design de sondes optiques médicales miniatures, peu invasives et flexibles nécessite également une description adéquate de la propagation lumineuse à travers les tissus biologiques pour en fournir une caractérisation locale appropriée pour un diagnostic rapide. La limitation des modèles disponibles résultant principalement d'un manque de connaissance de la structure du milieu de propagation, nous proposons une stratégie visant à:

1) collecter des données sur la structure de la banquise et de différents tissus biologiques à l'aide de techniques d'imagerie optique et par rayon X novatrices

2) nourrir des modèles existants à l'aide des paramètres structuraux ainsi mesurés

3) développer des stratégies de modélisation à la fine pointe de la technologie pour simuler la propagation de la lumière dans ces différents milieux diffusifs

Les nouveaux modèles de propagation de la lumière ainsi obtenus permettront d'acquérir des informations, notamment à propos de l'impact des changements climatiques sur les écosystèmes marins de l'Arctique. Ils permettront également de développer des instruments de diagnostic abordables et faciles à utiliser pour l'identification des problèmes propres aux populations éloignées du Nord, notamment dermatologiques, et ceux liés au rythme circadien, reliés à l'interaction de la lumière avec la rétine.

 

2.5 Cellules solaires imprimées pour instruments portables

 
Équipe de recherche et résumé du projet
 

Chercheur principal
Mario Leclerc

Co-chercheurs
Paul Jonhson, Jean-François Morin, Simon Thibault

Collaborateurs hors UL
Ian Hill (Université Dalhousie)

Résumé du projet
Le projet de recherche présenté a pour objectif de développer un dispositif imprimé de production d'énergie solaire qui peut être installé sur des dispositifs optiques nécessitant des puissances électriques faibles à modérées, tels que des capteurs, des instruments d'imagerie et des dispositifs de communication. La fonction de cette technologie sera de fournir de l'énergie sur demande sans l'utilisation de lourdes batteries qui requièrent des recharges et de la maintenance fréquente.

Pour réaliser ce projet, une équipe de 2 chimistes des matériaux (M. Leclerc et J.-F. Morin), un chimiste computationnel (P. Johnson), un physicien (S. Thibault), un collaborateur hors Laval (Ian Hill) et un partenaire industriel (ICI-Collège Ahuntsic) sera mise sur pied pour développer et intégrer chacune des composantes du dispositif de production d'énergie. À partir du design et des calculs théoriques effectués par Johnson, Leclerc et Morin développeront des matériaux semi-conducteurs pour la collecte de lumière solaire tandis que Thibault développera des concentrateurs capables d'améliorer la collecte de cette même lumière afin de rendre le dispositif plus efficace. Hill sera responsable du prototypage des dispositifs à plus grande échelle tandis qu'ICI aura la tâche d'intégrer et d'imprimer toutes les composantes de ce dispositif sur des substrats flexibles, incluant des batteries légères pour le stockage de l'énergie produite.

L'électronique imprimée permet la fabrication de dispositifs minces, légers et flexibles qui peuvent être intégrés à des dispositifs de différentes géométries, tout en étant résistants aux déformations mécaniques. Cette technologie possède de nombreux avantages comparativement aux dispositifs photovoltaïques traditionnels à base de silicium qui sont lourds, fragiles et très rigides, les rendant inaptes à l'utilisation dans les conditions environnementales extrêmes de l'Arctique.

 

2.6 Développement de capteurs optiques pour le suivi de gaz climatiquement actifs dans l'Arctique en mutation (BOND)

 
Équipe de recherche et résumé du projet
 

Chercheurs principaux
Réal Vallée, Guillaume Massé

Co-chercheurs
Michel Allard, Martin Bernier, Mario Leclerc, Maurice Levasseur, Younès Messaddeq, Michel Piché, Jean-Éric Tremblay, Warwick Vincent

Collaborateurs
Martine Lizotte, Vincent Fortin

Collaborateurs hors UL
François Babin (INO); Martin Chamberland, Pierre Tremblay (Telops); Sangeeta Sharma (ECC Canada); Knut von Salzen (CCCma); Patrick Lajeunesse (INRS)

Résumé du projet
Le projet BOND vise à répondre à l'urgence d'instaurer des dispositifs permettant de surveiller et de quantifier les bouleversements qui ont actuellement lieu en Arctique. Les changements climatiques actuels provoquent d'importantes modifications au sein des environnements nordiques. Ces dernières touchent, en particulier, les éléments de la cryosphère tels que les glaces océaniques et lacustres, les glaciers, les calottes glaciaires et le pergélisol. Outre ces profonds changements, une modification des régimes hydrologiques est aussi anticipée. Ces environnements en pleine mutation hébergent des écosystèmes complexes et diversifiés régulant les grands cycles biogéochimiques des éléments majeurs (carbone, azote, oxygène, soufre) et contrôlant les échanges et le recyclage de gaz climatiquement actifs (CA) tels que le dioxyde de carbone, le méthane, l'oxyde nitreux et le sulfure de diméthyle. Dans ce contexte, il est urgent de comprendre les processus biotiques et abiotiques contrôlant la dynamique de ces gaz.

Obtenir une meilleure compréhension de ces processus requiert des mesures à haute fréquence permettant de caractériser efficacement réservoirs et flux et représente un défi de taille dans ces environnements extrêmes. Au sein du projet BOND, nous utiliserons des sources laser dans l'infra-rouge moyen pour détecter et quantifier les gaz présents dans la basse atmosphère. Pour les environnements aquatiques, nous adopterons une approche basée sur le développement d'optodes combinant membranes en verre perméables et complexes moléculaires fluorescents. Ces développements techniques impliquent des déploiements au sein des différents environnements arctiques. En parallèle, nous réaliserons des expérimentations en conditions contrôlées mettant en œuvre des bioréacteurs couplés à des spectromètres de masse permettant une analyse à fine échelle des processus contrôlant la cinétique des gaz CA. Une fois combinés, les résultats de ces approches pionnières permettront d'atteindre l'objectif principal du projet BOND: le renforcement rapide et significatif de nos moyens d'analyse d'un environnement arctique en pleine mutation.

 

2.7 Suivi des substrats arctiques: mesure des propriétés physiques et biologiques de la glace de mer, de l'océan et du benthos à l'aide de lasers portés par des véhicules autonomes

 
Équipe de recherche et résumé du projet
 

Chercheur principal
Philippe Archambault

Co-chercheur
Michel Piché

Collaborateurs
Marcel Babin, Simon Girard-Lambert, Jose Lagunas-Morales, Eric Rehm, Ladd Johnson

Collaborateurs hors UL
Fraser Dalgleish (Floride), Jens Ehn (U. Manitoba), David Fissel (ASL Environmental Sciences), Georges Fournier (DRDC Valcartier), Patrick Gagnon (Memorial U.), Kevin Heany (Virginie), John Headley (Angleterre), Patrick Lajeunesse (INRS)

Résumé du projet
Les propriétés physiques et biologiques de la glace de mer et du benthos côtier arctique restent mal comprises en raison de la difficulté d'accès à ces substrats. Un système LiDAR (Light Detection And Ranging) déployé sur un véhicule sous-marin autonome (AUV pour «autonomous underwater vehicle») peut interroger ces surfaces en trois dimensions et extraire simultanément les propriétés physiques et biologiques. En utilisant les propriétés optiques (absorption, fluorescence, diffusion élastique et inélastique) des micro- et macro-algues photosynthétiques, nous proposons de quantifier les caractéristiques physiques du substrat (glace, assemblages benthiques, géologie) ainsi que la biomasse à partir d'un AUV. Nous proposons une approche de développement incrémentielle et modulaire du LiDAR, en commençant par un capteur actuel d'une seule longueur d'onde déjà mis au point pour la détection de la glace. À l'aide de modèles de transfert radiatif et de modifications des longueurs d'onde d'émission et détection, les capacités d'estimer la biomasse avec la fluorescence ou l'absorption différentielle seront développées. L'ajout de lasers pulsés et d'une détection à crénelage temporel (un véritable LiDAR) permettra la résolution de l'épaisseur de la glace ainsi que des algues glaciaires, benthiques et de la colonne d'eau. Enfin, des techniques de balayage par laser ou d'éclairage structuré peuvent être ajoutées pour créer un nuage de points en trois dimensions, ce qui augmente considérablement la zone d'échantillonnage.

 

2.8 Développement, implantation et utilisation de technologies portables miniatures pour la prévention, l'évaluation et le traitement de maladies chroniques en région nordique

 
Équipe de recherche et résumé du projet
 

Chercheur principal
Laurent Bouyer

Co-chercheurs
Andréanne Blanchet, Benoit Gosselin, Marc Hébert, Philippe Jackson, Younès Messadeq, François Routhier, Jean-Sébastien Roy

Collaborateurs
Charles Batcho, Alexandre Campeau-Lecours, Bradford McFadyen, Catherine Mercier, Philippe Archambault

Collaborateurs hors UL
André Plamondon (IRRST)

Résumé du projet
Les transformations actuelles se produisant dans les régions nordiques en raison du réchauffement climatique résultent en un développement et une diversification des activités humaines (professionnelles et récréatives) dans ce milieu. Ces changements rapides, se produisant dans un environnement complexe et moins connu, peuvent avoir un impact important sur la sécurité et la santé des populations du Nord et de ses travailleurs. Le but de ce projet est de développer, d'implanter et de valider de nouvelles technologies portatives (capteurs de mouvements à fibre optique et capteurs de signaux physiologiques miniatures à faible consommation) permettant de documenter, à distance et en temps réel, les habiletés motrices, la mobilité, ainsi que certaines variables métaboliques vitales. Ces nouvelles technologies permettront d'évaluer et de guider le traitement d'individus atteints de maladie chronique ou présentant des incapacités physiques (reliées au travail ou non). De plus, les données recueillies seront utiles pour développer des modèles prédictifs permettant de prévenir l'apparition de telles maladies ou incapacités (études ultérieures).

En raison du caractère novateur de ces technologies et de la complexité des données recueillies, le projet proposé nécessitera la création de nouvelles collaborations intersectorielles entre les chercheurs de l'Université Laval, des membres de 3 réseaux provinciaux de recherche (en réadaptation, douleur, et technologie) et d'un partenaire privé spécialisé dans la collecte à distance et l'analyse de variables reliées à la santé. Des experts provenant des domaines de la réadaptation, de l'évaluation du risque au travail, du génie électrique et mécanique, du traitement de données de masse (modélisation prédictive / épidémiologie), de la psychologie, du contrôle moteur et des neurosciences travailleront de concert pour relever le défi de quantifier divers comportements humains, dans un environnement réel, complexe et unique, et de relier ces comportements à des indicateurs de santé.

 
 
 

Comité de direction du chantier thématique 2

Membres du comité de direction
Réal Vallée, directeur
Département de physique, de génie physique et d'optique
rvallee@copl.ulaval.ca

Philippe Archambault
Département de biologie

Claude Demers
Département d'architecture

Coordonnateur
Jérôme Lapointe
jerome.lapointe@copl.ulaval.ca
418-656-2131, poste 3807

 
 
 

Chantiers thématiques

 
 

1- Décoder les interrelations entre systèmes complexes du Nord

 
 

2- La lumière comme moteur, environnement et vecteur d'information dans les milieux naturels et la santé dans le Nord

 
 

3- Microbiomes: sentinelles de l'environnement et de la santé dans le Nord

www.ulaval.ca