Modélisation toxicocinétique du benzo(a)pyrène et 3-hydroxybenzo(a)pyrène pour l’interprétation des données de surveillance biologique de l’exposition chez les travailleurs

De nombreux travailleurs sont exposés aux hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). Le benzo(a)pyrène (BaP) fait partie de ce groupe de polluants. Cette substance a été classée cancérogène reconnu chez l’humain. Pour évaluer l'exposition aux HAP cancérogènes, plusieurs chercheurs ont proposé d’utiliser la mesure du 3-hydroxybenzo(a)pyrène (3-OHBaP) dans l’urine des travailleurs exposés. Dans le cadre du présent projet, deux approches de modélisation ont été développées et appliquées pour permettre une meilleure compréhension de la toxicocinétique du BaP et son biomarqueur d’intérêt actuel, le 3-OHBaP, et pour aider à interpréter les résultats de surveillance biologique. Un modèle toxicocinétique à plusieurs compartiments a été développé sur la base des données préalablement obtenues sur le rat par notre groupe. Selon le modèle, le BaP injecté par voie intraveineuse est rapidement distribué du sang vers les tissus (t½ ≈ 4 h), avec une affinité particulière pour les poumons et les composantes lipidiques des tissus. Le BaP est ensuite distribué vers la peau et le foie. Au foie, le BaP est promptement métabolisé et le 3-OHBaP est formé avec une demi-vie de ≈ 3 h. Le métabolisme pulmonaire du BaP a également été pris en compte, mais sa contribution à la cinétique globale du BaP a été jugée négligeable. Une fois formé, le 3-OHBaP est distribué vers les différents organes presque aussi rapidement que la molécule mère (t½ ≈ 2 h). Le profil temporel du 3-OHBaP dans le rein montre une accumulation transitoire en raison de la différence observée entre le taux d’entrée (t½ = 28 min) et le taux de sortie (t½ = 4,5 h). La clairance totale de 3-OHBaP du corps est principalement gouvernée par le taux de transfert de la bile vers le tractus gastro-intestinal (t½ ≈ 4 h). Le modèle toxicocinétique à plusieurs compartiments a réussi à simuler un ensemble indépendant de profils urinaires publiés sur le 3-OHBaP. Ce modèle toxicocinétique à compartiments s'est avéré utile pour la determination des facteurs biologiques déterminants de la cinétique du BaP et du 3-OHBaP. Par la suite, un modèle pharmacocinétique à base physiologique (PCBP) reproduisant le devenir du BaP et du 3-OHBaP chez le rat a été construit. Les organes (ou tissus) représentés comme des compartiments ont été choisis en fonction de données expérimentales obtenues in vivo chez le rat. Les coefficients de partition, les coefficients de perméabilité, les taux de métabolisation, les paramètres d'excrétion, les fractions absorbées et les taux d'absorption pour différentes voies d’exposition ont été obtenus directement à partir des profils sanguins, tissulaires, urinaires et fécaux du BaP et du 3-OHBaP. Les valeurs de ces derniers paramètres ont été calculées par des procédures Monte-Carlo. Des analyses de sensibilité ont ensuite été réalisées pour s’assurer de la stabilité du modèle et pour établir les paramètres les plus sensibles de la cinétique globale. Cette modélisation a permis d’identifier les facteurs déterminants de la cinétique: 1) la sensibilité élevée des paramètres de la métabolisation hépatique du BaP et du 3-OHBaP ainsi que du taux d'élimination; 2) la forte distribution du BaP dans les poumons par rapport à d'autres tissus; 3) la distribution considérable du BaP dans les tissus adipeux et le foie; 4) la forte distribution du 3-OHBaP dans les reins; 5) le transfert limité du BaP par la diffusion tissulaire dans les poumons; 6) le transfert limité du 3-OHBaP par la diffusion tissulaire dans les poumons, les tissus adipeux et les reins; 7) la recirculation entéro-hépatique significative du 3-OHBaP. Suite à des analyses de qualité des ajustements des équations du modèle aux données observées, les probabilités que les simulations reproduisent les données expérimentales par pur hasard se sont avérées toujours inférieures à 10% pour les quatre voies d’exposition : intraveineuse, orale, cutanée et respiratoire. Nous avons extrapolé les modèles cinétiques du rat à l’humain afin de se doter d’un outil permettant de reconstituer les doses absorbées chez des travailleurs exposés dans diverses industries à partir de mesures de l'évolution temporelle du 3-OHBaP dans leur urine. Les résultats de ces modélisations ont ensuite été comparés à ceux de simulations obtenues avec un modèle toxicocinétique à compartiment unique pour vérifier l’utilité comparative d’un modèle simple et complexe. Les deux types de modèle ont ainsi été construits à partir de profils sanguins, tissulaires, urinaires et fécaux du BaP et du 3-OHBaP sur des rats exposés. Ces données ont été obtenues in vivo par voie intraveineuse, cutanée, respiratoire et orale. Ensuite, les modèles ont été extrapolés à l’humain en tenant compte des déterminants biologiques essentiels des différences cinétiques entre le rat et l’humain. Les résultats ont montré que l'inhalation n'était pas la principale voie d'exposition pour plusieurs travailleurs étudiés. Les valeurs de concentrations de BaP dans l’air utilisées afin de simuler les profils d’excrétion urinaire chez les travailleurs étaient différentes des valeurs de concentrations de BaP mesurées dans l’air. Une exposition au BaP par voie cutanée semblait mieux prédire les profils temporels observés. Finalement, les deux types de modélisation se sont avérés utiles pour reproduire et pour interpréter les données disponibles chez des travailleurs.

Calculs ab initio de structures électroniques et de leur dépendance en température avec la méthode GW

Cette thèse porte sur le calcul de structures électroniques dans les solides. À l'aide de la théorie de la fonctionnelle de densité, puis de la théorie des perturbations à N-corps, on cherche à calculer la structure de bandes des matériaux de façon aussi précise et efficace que possible. Dans un premier temps, les développements théoriques ayant mené à la théorie de la fonctionnelle de densité (DFT), puis aux équations de Hedin sont présentés. On montre que l'approximation GW constitue une méthode pratique pour calculer la self-énergie, dont les résultats améliorent l'accord de la structure de bandes avec l'expérience par rapport aux calculs DFT. On analyse ensuite la performance des calculs GW dans différents oxydes transparents, soit le ZnO, le SnO2 et le SiO2. Une attention particulière est portée aux modèles de pôle de plasmon, qui permettent d'accélérer grandement les calculs GW en modélisant la matrice diélectrique inverse. Parmi les différents modèles de pôle de plasmon existants, celui de Godby et Needs s'avère être celui qui reproduit le plus fidèlement le calcul complet de la matrice diélectrique inverse dans les matériaux étudiés. La seconde partie de la thèse se concentre sur l'interaction entre les vibrations des atomes du réseau cristallin et les états électroniques. Il est d'abord montré comment le couplage électron-phonon affecte la structure de bandes à température finie et à température nulle, ce qu'on nomme la renormalisation du point zéro (ZPR). On applique ensuite la méthode GW au calcul du couplage électron-phonon dans le diamant. Le ZPR s'avère être fortement amplifié par rapport aux calculs DFT lorsque les corrections GW sont appliquées, améliorant l'accord avec les observations expérimentales.

Comparaison des réponses physiologiques lors d’un exercice incrémental maximal sur vélo immergé et sur terrain sec : aspects biomécaniques, cardiopulmonaires et hémodynamiques.

L’exercice en immersion dans l'eau peut générer des réponses hémodynamiques et cardiorespiratoires différentes à celles de l’exercice sur terraine sec. Cependant, aucune étude n’a comparé ces réponses sur vélo aquatique (VA) à celles sur vélo sur terrain sec (VS) à une même puissance mécanique externe (Pext). À cet égard, le premier travail de cette thèse visait, d’abord, à trouver les équivalences de Pext lors du pédalage sur VA en immersion à la poitrine par rapport au VS au laboratoire, en considérant que cela restait non déterminé à ce jour. Une équation de mécanique des fluides fut utilisée pour calculer la force déployée pour le système de pédalage (pales, leviers, pédales) et des jambes à chaque tour de pédale. Ensuite, cette force totale a été multipliée par la vitesse de pédalage pour estimer la Pext sur VA. Ayant trouvé les équivalences de Pext sur VA et VS, nous nous sommes fixés comme objectif dans la deuxième étude de comparer les réponses hémodynamiques et cardiorespiratoires lors d'un exercice maximal progressif sur VS par rapport au VA à une même Pext. Les résultats ont montré que le VO2 (p<0.0001) et la différence artério-veineuse (C(a-v)O2) (p<0.0001) étaient diminués lors de l’exercice sur VA comparativement à celui sur VS. Parmi les variables hémodynamiques, le volume d’éjection systolique (VES) (p˂0.05) et le débit cardiaque (Qc) (p˂0.05) étaient plus élevés sur VA. En plus, on nota une diminution significative de la fréquence cardiaque (FC) (p˂0.05). Étant donné qu’à une même Pext les réponses physiologiques sont différentes sur VA par rapport à celles sur VS, nous avons effectué une troisième étude pour établir la relation entre les différentes expressions de l'intensité relative de l'exercice (% du VO2max,% de la FCmax,% du VO2 de réserve (% de VO2R) et % de la FC réserve (% FCR)). Les résultats ont démontré que la relation % FCR vs % VO2R était la plus corrélée (régression linéaire) et la plus proche de la ligne d’identité. Ces résultats pourraient aider à mieux prescrire et contrôler l’intensité de l'exercice sur VA pour des sujets sains. Finalement, une dernière étude comparant la réactivation parasympathique après un exercice maximal incrémental effectué sur VA et VS en immersion au niveau de la poitrine a montré que la réactivation parasympathique à court terme était plus prédominante sur VA (i,e. t, delta 10 à delta 60 et T30, p<0.05). Cela suggérait, qu’après un exercice maximal sur VA, la réactivation parasympathique à court terme était accélérée par rapport à celle après l'effort maximal sur VS chez de jeunes sujets sains. En conclusion, nous proposons une méthode de calcul de la puissance mécanique externe sur VA en fonction de la cadence de pédalage. Nous avons démontré que pendant l’exercice sur VA les réponses hémodynamiques et cardiorespiratoires sont différentes de celles sur VS à une même Pext et nous proposons des équations pour le calcul du VO2 dans l’eau ainsi qu’une méthode pour la prescription et le contrôle de l’exercice sur VA. Finalement, la réactivation parasympathique à court terme s’est trouvée accélérée après un effort maximal incrémental sur VA comparativement à celle sur VS.

Studies on integrability of some perturbed nonlinear evolution equations

Usually typical dynamical systems are non integrable. But few systems of practical interest are integrable. The soliton concept is a sophisticated mathematical construct based on the integrability of a class ol' nonlinear differential equations. An important feature in the clevelopment. of the theory of solitons and of complete integrability has been the interplay between mathematics and physics. Every integrable system has a lo11g list of special properties that hold for integrable equations and only for them. Actually there is no specific definition for integrability that is suitable for all cases. .There exist several integrable partial clillerential equations( pdes) which can be derived using physically meaningful asymptotic teclmiques from a very large class of pdes. It has been established that many 110nlinear wa.ve equations have solutions of the soliton type and the theory of solitons has found applications in many areas of science. Among these, well-known equations are Korteweg de-Vries(KdV), modified KclV, Nonlinear Schr6dinger(NLS), sine Gordon(SG) etc..These are completely integrable systems. Since a small change in the governing nonlinear prle may cause the destruction of the integrability of the system, it is interesting to study the effect of small perturbations in these equations. This is the motivation of the present work.

BREAKING WAVES IN AN IDEAL QUARK GLUON PLASMA

We study the propagation of perturbations in the energy density in a quark gluon plasma. Expanding the Euler and continuity equations of relativistic hydrodynamics around equilibrium configurations we obtain a nonlinear differential equation called the breaking wave equation. We solve it numerically and follow the time-evolution of initially localized pulses. We find that, quite unexpectedly, these pulses live for a very long time (compared to the reaction time-scales) before breaking. In practice, they mimick the Korteweg-de Vries solitons. Their existence may have some observable consequences.

Sound waves and solitons in hot and dense nuclear matter

Assuming that nuclear matter can be treated as a perfect fluid, we study the propagation of perturbations in the baryon density. The equation of state is derived from a relativistic mean field model, which is a variant of the non-linear Walecka model. The expansion of the Euler and continuity equations of relativistic hydrodynamics around equilibrium configurations leads to differential equations for the density perturbation. We solve them numerically for linear and spherical perturbations and follow the propagation of the initial pulses. For linear perturbations we find single soliton solutions and solutions with one or more solitons followed by ""radiation"". Depending on the equation of state a strong damping may occur. We consider also the evolution of perturbations in a medium without dispersive effects. In this case we observe the formation and breaking of shock waves. We study all these equations also for matter at finite temperature. Our results may be relevant for the analysis of RHIC data. They suggest that the shock waves formed in the quark gluon plasma phase may survive and propagate in the hadronic phase. (C) 2009 Elseiver. B.V. All rights reserved.

Dynamics of Bose-Einstein condensates in cigar-shaped traps

The Gross-Pitaevskii equation for a Bose-Einstein condensate confined in an elongated cigar-shaped trap is reduced to an effective system of nonlinear equations depending on only one space coordinate along the trap axis. The radial distribution of the condensate density and its radial velocity are approximated by Gaussian functions with real and imaginary exponents, respectively, with parameters depending on the axial coordinate and time. The effective one-dimensional system is applied to a description of the ground state of the condensate, to dark and bright solitons, to the sound and radial compression waves propagating in a dense condensate, and to weakly nonlinear waves in repulsive condensate. In the low-density limit our results reproduce the known formulas. In the high-density case our description of solitons goes beyond the standard approach based on the nonlinear Schrodinger equation. The dispersion relations for the sound and radial compression waves are obtained in a wide region of values of the condensate density. The Korteweg-de Vries equation for weakly nonlinear waves is derived and the existence of bright solitons on a constant background is predicted for a dense enough condensate with a repulsive interaction between the atoms.

Solitary waves on a free surface of a heated Maxwell fluid

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Nonvanishing boundary condition for the mKdV hierarchy and the Gardner equation

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

SURFACE SOLITARY WAVES IN A DOUBLE DIFFUSIVE SYSTEM

We show that a surface solitary wave governed by the Korteweg-de Vries equation can develop in a fluid acted upon by fluxes of heat and of a second diffusive element. This solitary wave appears as a manifestation of a hydrodynamical instability which sets in only when a certain relation involving the parameters of the system is satisfied.

NONLINEAR SURFACE-WAVE EXCITATIONS IN THE BENARD-MARANGONI SYSTEM

We examine the appearance of surface waves governed by Burgers and Korteweg-de Vries equations in a shallow viscous heated fluid. We consider waves triggered by a surface-tension variation induced by both temperature and concentration gradients. We also establish the range of parameters for which the above-mentioned equations appear.

Multiple-time higher-order perturbation analysis of the regularized long-wavelength equation

By considering the long-wavelength limit of the regularized long wave (RLW) equation, we study its multiple-time higher-order evolution equations. As a first result, the equations of the Korteweg-de Vries hierarchy are shown to play a crucial role in providing a secularity-free perturbation theory in the specific case of a solitary-wave solution. Then, as a consequence, we show that the related perturbative series can be summed and gives exactly the solitary-wave solution of the RLW equation. Finally, some comments and considerations are made on the N-soliton solution, as well as on the limitations of applicability of the multiple-scale method in obtaining uniform perturbative series.

Optimal Boussinesq model for shallow-water waves interacting with a microstructure

In this paper, we consider the propagation of water waves in a long-wave asymptotic regime, when the bottom topography is periodic on a short length scale. We perform a multiscale asymptotic analysis of the full potential theory model and of a family of reduced Boussinesq systems parametrized by a free parameter that is the depth at which the velocity is evaluated. We obtain explicit expressions for the coefficients of the resulting effective Korteweg-de Vries (KdV) equations. We show that it is possible to choose the free parameter of the reduced model so as to match the KdV limits of the full and reduced models. Hence the reduced model is optimal regarding the embedded linear weakly dispersive and weakly nonlinear characteristics of the underlying physical problem, which has a microstructure. We also discuss the impact of the rough bottom on the effective wave propagation. In particular, nonlinearity is enhanced and we can distinguish two regimes depending on the period of the bottom where the dispersion is either enhanced or reduced compared to the flat bottom case. © 2007 The American Physical Society.

Finite time blow-up and breaking of solitary wind waves

The evolution of surface water waves in finite depth under wind forcing is reduced to an antidissipative Korteweg-de Vries-Burgers equation. We exhibit its solitary wave solution. Antidissipation accelerates and increases the amplitude of the solitary wave and leads to blow-up and breaking. Blow-up occurs in finite time for infinitely large asymptotic space so it is a nonlinear, dispersive, and antidissipative equivalent of the linear instability which occurs for infinite time. Due to antidissipation two given arbitrary and adjacent planes of constant phases of the solitary wave acquire different velocities and accelerations inducing breaking. Soliton breaking occurs in finite space in a time prior to the blow-up. We show that the theoretical growth in amplitude and the time of breaking are both testable in an existing experimental facility.

Sistemas integrables discretos, polinomios matriciales ortogonales y problemas de Riemann-Hilbert

El propósito de esta tesis doctoral es el estudio de la conexión, mediante el problema de Riemann-Hilbert, entre sistemas discretos y la teoría de polinomios matriciales ortogonales. La investigación de los modelos integrables se originó en la Mecánica Clásica, en relación a la resolución de las ecuaciones de Newton [2]. Los trabajos de Liouville, Hamilton, Jacobi y otros sentaron las bases de los sistemas integrables como prototipos modelos resolubles por cuadraturas, v.g., por integración directa [7]. Hay una cantidad importante de investigación dedicada a los aspectos geométricos de los sistemas clásicos integrables y superintegrables [66], [82], especialmente en relación a la separación de variables de la ecuación de Hamilton-Jacobi [75]. Fue la aplicación, en la segunda mitad del siglo pasado, de la transformada espectral inversa para la resolución del problema de Cauchy de la ecuación de Korteweg-de Vries [42, 43] la que marcó el inicio de una nueva etapa en este campo, el del estudio de sistemas integrables con un número infinito de grados de libertad, que generalmente se expresan en términos de jerarquías de ecuaciones no lineales en derivadas parciales. Particularmente reseñable, por su aplicación en la hidrodinámica y en la óptica cuántica, es la aparición de las soluciones a un número de solitones arbitrario. En las últimas tres décadas ha habido un importante interés por el estudio de modelos discretos, v.g., sistemas dinámicos de nidos en un retículo de puntos, y expresados en términos de ecuaciones no lineales en diferencia parciales. Muchas de las técnicas encontradas en el mundo continuo se extendieron a este nuevo contexto discreto. Hay dos razones fundamentales para este interés...