Charles Sandrine -UMR CNRS 5558 Laboratoire de Biométrie et Biologie Évolutive

Sandrine Charles

Maître de conférence universitaire - UCBL

courriel :

tél. : +33 (0)4 72 43 29 00

fax : +33 (0)4 72 43 13 88

UMR CNRS 5558 - LBBE
"Biométrie et Biologie Évolutive"
UCB Lyon 1  - Bât. Grégor Mendel
43 bd du 11 novembre 1918
69622 VILLEURBANNE cedex

Equipe Modélisation et Ecotoxicologie Prédictives

Bâtiment : Mendel (711) - 2ème étage Bureau : 3

Voici quelques informations sur mes activités de Recherche et d’Enseignement. N’hésitez pas à me contacter pour plus de détails.

Curriculum vitae
Mariée, 2 enfants Date de naissance : 12/09/1970
Membre IUF Junior (2011-2016)
Depuis 1997 : Maître de Conférences à l’Université Lyon 1
2004 : Habilitation à Diriger des Recherches Récupérer le fichier .pdf
1996 : Doctorat en Biométrie à l’Université Lyon 1 (sous la direction de Richard TOMASSONE)
1994 : DEA en Biométrie à l’Université Lyon 1
1993 : Ingénieur de l’Ecole des Mines de Saint-Etienne

Activités de recherche
Mes recherches s’inscrivent dans le cadre de l’évaluation quantitative du risque en écotoxicologie par le développement de méthodes et d’outils visant à identifier les substances potentiellement dangereuses, à définir des seuils de concentrations acceptables aux différents niveaux d’organisation biologiques, à élaborer des indicateurs de la qualité environnementale, mais aussi à caractériser les liens de causalité entre toxicité et impact écologique. Pour aborder cette question de la protection de l’environnement, deux axes sont possibles : (i) l’évaluation du risque a priori pour une meilleure compréhension du mode d’action des contaminants sur les traits d’histoire de vie individuels (survie, croissance, reproduction) et l’extrapolation de leurs effets au niveau des populations et des communautés ; (ii) le diagnostic a posteriori de la qualité des milieux naturels et des effets sur les populations autochtones.

Même si les scientifiques avaient donné l’alerte bien avant le sommet de Copenhague de décembre 2009, l’évaluation environnementale figure aujourd’hui parmi les priorités nationales de nombreux pays. En particulier, l’évaluation quantitative du risque lié à une contamination sans cesse croissante des écosystèmes par des xénobiotiques, du risque sur leur fonctionnement à long terme et par conséquent du risque sur la santé humaine, se heurte aujourd’hui à des obstacles théoriques et méthodologiques liés au changement d’échelle temporelle, spatiale et démographique d’observation (in vitro – in natura, fermé – ouvert, individu – population – écosystème). Par une approche interdisciplinaire et intégrée associée au développement de modèles mathématiques et statistiques à visée prédictive, je m’attache donc à répondre à la question clé du changement d’échelle, c’est-à-dire du lien entre l’échelle d’observation des effets et celle des niveaux d’organisation biologiques à protéger (individu, population, communauté, écosystème).

Vous trouverez ci-dessous quelques exemples de projets auxquels j’ai participé.
- +De l’individu à la population : modélisation dynamique et inférence -De l’individu à la population : modélisation dynamique et inférence
  Notre équipe travaille depuis de nombreuses années sur l’organisme modèle de l’écotoxicologie Daphnia magna. Un de nos objectifs est de pouvoir inférer les effets des contaminants au niveau des populations et des communautés, à partir des résultats de bio-essais obtenus au niveau individuel. Pour cela, il est nécessaire de s’orienter vers des modèles fondés sur les processus ("process-based models”), prenant en compte à la fois sources de variabilité sur les données et incertitudes relatives aux paramètres, dans un cadre bayésien. L’intégration, ensuite, de ces modèles, de leurs paramètres et de leur incertitude, dans des modèles populationnels (modèles matriciels de type Leslie) ou de communauté (systèmes dynamiques de grande dimension), permet l’estimation de seuils critiques de toxicité intégratifs, eux-mêmes assortis d’indices de crédibilité.
  
  Dans ce contexte, je co-encadre avec Marie Laure DELIGNETTE-MULLER, la thèse de Carole FORFAIT qui vise à identifier la nature, le nombre et la disponibilité des données nécessaires à la validation des modèles d’effet individuel, mais également la façon de les recueillir de manière optimale pour une estimation plus efficace des paramètres d’intérêt. L’objectif est ensuite d’affiner la mise en œuvre conceptuelle et technique de l’inférence bayésienne sur des données écotoxicologiques standard de laboratoire, c’est-à-dire d’identifier les différentes sources de variabilité et d’erreur sur ce type de données et de proposer une méthode pour les intégrer dans les modèles d’effet, puis d’identifier les types d’information a priori potentiellement disponibles sur les paramètres des modèles. A terme, cela devrait permettre de proposer une démarche pour en déduire des lois a priori.
  
  A partir du 1er octobre 2011, Marie Laure DELIGNETTE-MULLER et moi-même co-encadrerons la thèse de Laurent MARIANI, sur la mise à disposition, via des packages R puis le développement d’une interface web, d’une base de connaissances pour les écotoxicologues, couplant les données expérimentales (nouvelles ou archivées) à une batterie d’outils de modélisation, d’inférence et d’analyse de données, pour une meilleure interprétation des résultats de bio-essais.
  
  Références associées
  - Billoir, E., A. da Silva Ferrão-Filho, M. L. Delignette-Muller, and S. Charles. 2009. DEBtox theory and matrix population models as helpful tools in understanding the interaction between toxic cyanobacteria and zooplankton. Journal of Theoretical Biology 258:380-388.
  - Charles, S., E. Billoir, C. Lopes, and A. Chaumot. 2009. Matrix population models as relevant modeling tools in ecotoxicology. Pages 261-298 in J. Devillers, editor. Ecotoxicology Modeling. Springer
  - Billoir, E., M. L. Delignette-Muller, A. R. R. Pery, O. Geffard, and S. Charles. 2008. Statistical cautions when estimating DEBtox parameters. Journal of Theoretical Biology 254:55-64.
  - Billoir, E., M. L. Delignette-Muller, A. R. R. Pery, and S. Charles. 2008. A Bayesian Approach to Analyzing Ecotoxicological Data. Environmental Science and Technology 42:8978-8984.
    Billoir, E., A. R. R. Péry, and S. Charles. 2007. Integration of both lethal and sublethal effects of toxic compounds in population dynamics of Daphnia magna : a combination of DEBtox models and matrix population models. Ecological Modelling 203:204-214.
- +Le ver aquatique Branchiura sowerbyi -Le ver aquatique Branchiura sowerbyi
  La complexité biologique nécessiterait parfois l’utilisation de modèles complexes pour être appréhendée de manière plus fine. Mais de tels modèles sont loins d’être opérationnels quand il s’agit de répondre globalement, par exemple à des gestionnaires de l’environnement, sur les conséquences écosystémiques d’une pollution donnée. Dans ce contexte, il s’agit de tester la faisabilité d’une approche par des modèles d’effet mécanistes simplifiés pour d’analyser des données au niveau individuel sur la survie, la croissance et la reproduction, et leur intégration ensuite dans un modèle de dynamique de populations.
  
  Dans cette optique, nous avons collaboré avec Virginie DUCROT de l’équipe "écotoxicologie et qualité des milieux aquatiques" (UMR INRA 985, Rennes) pour étudier le ver aquatique Branchiura sowerbyi soumis à une pollution au zinc. Des fonctions de stress linéaires par morceaux ont été introduites dans les modèles de croissance et de survie pour modéliser l’effet du toxique sur les taux individuels de croissance et de mortalité des juvéniles. Les paramètres - et notamment la concentration sans effet (NEC) - ont été estimés dans un cadre bayésien ce qui nous a permis ensuite, à partir de la distribution de probabilité jointe a posteriori des paramètres, de prendre en compte leur incertitude dans le modèle populationnel et d’estimer une concentration critique seuil au niveau de la population.
  
  Référence associée
  - Ducrot V, Billoir E, Péry A-RR, Garric J, Charles S (2010) From Individual to Population Level Effects of Toxicants in the Tubicifid Branchiura sowerbyi Using Threshold Effect Models in a Bayesian Framework, Environmental Science & Technology, vol. 44(9) pp.3566-3571
- +Effets multigénérationnels de l’uranium sur Daphnia magna
  
  Au mois de juin 2010, une collaboration a été lancée avec l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN), et notamment Frédéric ALONZO. Cette collaboration est destinée à étudier les effets multigénérationnels de radionucléides sur Daphnia magna par le développement de modèles d’effets des contaminants intégrant la dépendance aux conditions de pré-exposition.
  
  Ce travail se fait à partir de données multigénérationnelles collectées sur Daphnia magna à l’IRSN ; les radionucléides visés sont l’Uranium et l’Américium. L’aspect innovant de ce travail réside dans la recherche de solutions pour adapter les modèles de dynamique du budget énergétique de type DEBtox (”Dynamic Energy Budget in Toxicology”) à la prise en compte de l’histoire d’exposition des générations précédentes.
- +Etudes en microcosmes : valeur ajoutée de la modélisation -Etudes en microcosmes : valeur ajoutée de la modélisation
  En collaboration avec Bernard CLEMENT de l’équipe "Impact des Polluants sur l’Environnement" de l’ENTPE (Vaulx-En-Velin) , Elise BILLOIR, Marie Laure DELIGNETTE-MULLER et moi-même travaillons à l’étude des effets du cadmium sur les traits d’histoire de vie de la daphnie en microcosme.
  
  Ces microcosmes sont constitués de deux producteurs primaires (Lemna minor, lentille d’eau, et Pseudokirchneriella subcapitata, algue verte), d’une espèce pélagique (D. Magna), d’une espèce épibenthique (Hyalella azteca, amphipode) et d’une espèce benthique (Chironomus riparius, moustique). En parallèle de tests mono-spécifiques sur chacun des espèces, les paramètres physico-chimiques et les traits d’histoire de vie à l’intérieur du microcosme sont suivis au cours du temps pour différentes concentrations en cadmium.
  
  Pour comprendre les effets au niveau individuel, des modèles mathématiques, discrétisés en temps, à seuil et incluant le paramètre NEC (concentration sans effet) ont été construits, prenant en compte des conditions d’exposition variables au cours du temps. Par inférence bayésienne, ces modèles ont été ajustés à quatre types de données simultanément (données d’exposition, de survie, de croissance et de reproduction), en utilisant un modèle d’erreur approprié pour chaque trait. Ainsi, les NEC ont été déterminées assorties de leur incertitude. Grâce à cette approche de modélisation, nous démontrons que l’estimation des seuils dans les fonctions de stress peut être conduite avec succès, même dans des configurations expérimentales plus complexes que les bio-essais standard.
  
  Références associées
  - Billoir, E., H. Delhaye, B. Clément, M. L. Delignette-Muller, and S. Charles. 2011. Bayesian modelling of daphnid responses to time-varying cadmium exposure in laboratory aquatic microcosms. Ecotoxicology and Environmental Safety 74:693-702.
  - Billoir, E., H. Delhaye, C. Forfait, B. Clément, G. Triffault-Bouchet, S. Charles, and M. L. Delignette-Muller. 2011. Comparison of bioassays with different exposure time-patterns : the added value of dynamic modelling in predictive ecotoxicology. Ecotoxicology and Environmental Safety in press.
- +Modélisation de la dynamique d’un écosystème aquatique -Modélisation de la dynamique d’un écosystème aquatique
  Un autre défi majeur que doit relever aujourd’hui l’écotoxicologie est la protection des communautés biologiques ou biocénoses, i.e., des ensembles d’espèces vivant en interaction et assurant des fonctions essentielles au sein du milieu (par exemple, production primaire, consommation, décomposition). A cette fin, l’écotoxicologie a développé des méthodes d’observation des effets à différentes échelles : échelle d’observation biocénotique via le développement d’indices biotiques (e.g., l’Indice Biologique Global Normalisé, l’Indice Biologique Diatomées,…) [AFNOR 2004] ; échelle d’observation populationnelle, via le suivi dans l’espace et/ou dans le temps de populations résidentes [Oberdorff et al. 2005] ; échelle d’observation individuelle, via le développement de biotests de laboratoire établissant des relations concentration/effets pour des substances seules ou en mélanges [(e.g., OCDE 1998] ; échelle d’observation cellulaire ou moléculaire, via le développement de biomarqueurs mesurant des perturbations sub-individuelles [Peakall 1994].
  
  Même si l’écotoxicologie dispose aujourd’hui d’outils de modélisation pour chacune de ces échelles d’observation [Moore et al. 2004, Billoir et al. 2008, Charles et al. 2009, Rashleigh et al. 2009], la question suivante reste posée : en quoi les biotests réalisés in vitro au niveau individuel constituent-ils un outil prédictif pertinent pour la protection des communautés ?
  
  C’est cette question que nous tentons d’aborder avec la thèse de Catalina CIRIC, que je co-dirige avec Philippe CIFFROY dans le cadre d’un contrat CIFRE avec EDF R&D Chatou.
  
  Référence associée
  - "Les animaux perturbés par la chimie", Le Monde, 14 mai 2011
- +Approche diagnostique : faire le lien avec le milieu
  
  Jusqu’à présent, l’écotoxicologie a principalement développé des connaissances au laboratoire, sur des espèces modèles, autour des effets des contaminants au niveau individuel. Aujourd’hui, l’écotoxicologie change d’objectifs et de nature pour se tourner, via la modélisation, vers l’écologie et s’intéresser au niveau des populations, en intégrant les informations recueillies in vitro au niveau individuel. La pertinence de cette approche d’extrapolation est conditionnée par la possibilité d’expliciter les liens mécanistiques entre les réponses aux différents niveaux d’organisation, ce qui nécessite le recours à la modélisation statistique et dynamique. Mais de telles études dites "démographiques" n’ont vraiment de sens qu’en relation directe avec le milieu naturel. C’est tout l’enjeu de la thèse de Romain COULAUD que je co-dirige depuis septembre 2008 avec Arnaud CHAUMOT du "Laboratoire d’écotoxicologie" (CEMAGREF, Lyon).
  
  L’objectif de ces recherches est de décrire la dynamique de populations de référence - "Les Ardillats" (69) et "La Tour du Pin" (38) - en mettant en relation des mesures de traits d’histoire de vie in situ et l’évolution des populations autochtones in natura. Les données nécessaires sont récoltées in situ via un suivi démographique mensuel (recensement, état reproducteur,…), des encagements saisonniers d’individus (taux de croissance, activité reproductrice,…), en couplage avec des expérimentations au laboratoire pour quantifier la plasticité des traits d’histoire de vie (croissance, vitesse de développement embryonnaire, de maturation gonadique, …) induite par la variation de certains facteurs environnementaux (température, conductivité).
  
  Les espèces étudiées ici sont le crustacé amphipode Gammarus fossarum et le mollusque gastéropode Potamopyrgus antipodarum (voir ci-dessous) qui présentent l’avantage d’avoir des cycles de vie très différents.
  
  Gammarus fossarum Potamopyrgus antipodarum


Gammarus fossarum	Potamopyrgus antipodarum

Activités d’enseignement

Vous trouverez ici une brève description de mes activités d’enseignement et des liens vers les ressources pédagogiques que j’ai développées.

+Mathématiques pour les Sciences de la Vie -Mathématiques pour les Sciences de la Vie
Recrutée en septembre 1997 sur un poste de « Biologie Mathématique », je me suis attachée depuis à promouvoir l’enseignement des Mathématiques auprès d’étudiants biologistes (depuis la 1ère année de Licence et jusqu’au Master 2èem année). Dans ma démarche pédagogique, je m’efforce constamment de mettre l’accent sur l’interdisciplinarité Mathématiques et Biologie, avec l’objectif d’aider les étudiants à construire un savoir intégré des mathématiques comme outils méthodologiques pour la résolution de problèmes biologiques. Un de mes objectifs implicites est de permettre à des étudiants se destinant à des études de biologie, d’avoir, sur les disciplines formelles qui leur sont enseignées, un regard positif et durable.

En charge initialement de Travaux Dirigés, j’ai eu rapidement la responsabilité de certains cours magistraux. Tout en étant fidèle à la promotion de l’interdisciplinarité Mathématiques et Biologie, j’ai alors tenté d’intégrer les Technologies de l’Information et de la Communication (TIC) dans mes enseignements.

La première pierre apportée à cet édifice a été le site web MathSV sur lequel repose un dispositif pédagogique innovant mis en place depuis septembre 2001 en Science de la Vie, et dans lequel je m’occupe des cours d’Analyse et d’Algèbre linéaire. Ce type d’enseignement, interactif et fondé sur des outils multimédias, est à mon avis encore trop rare à l’Université. Certes « chronophages », de tels dispositifs présentent l’avantage de rapprocher les étudiants et les enseignants par l’instauration d’un dialogue constant, d’un suivi global et individuel des étudiants. Ils sont aussi l’occasion pour l’enseignant de se remettre en cause, d’innover, de créer, et finalement de disposer d’un immense espace de liberté.

Références associées (.pdf disponible sur demande)
- Macedo-Rouet, M., M. Ney, S. Charles, and G. Lallich-Boidin. 2009. Students’ performance and satisfaction with Web vs. paper-based practice quizzes and lecture notes. Computers and Education 53:375-384.
- Macedo-Rouet, M., Charles, S., Ney, M., Batier, C., Humblot, L., Marquez, E. and Lallich-Boidin, G., 2006. Les sites Web sont-ils efficaces pour la pédagogie universitaire ? Résultats d’une étude expérimentale. STICEF, 13.
- Charles, S., Ney, M., Mouchiroud, D., Humblot, L. and Batier, C., 2003. Un site web pour l’enseignement interdisciplinaire des Mathématiques en Biologie. EIAH 2003 (Environnement Informatique d’Apprentissage Humain), pp. 445-452.

+Biologie Mathématique et Modélisation

Mon profond intérêt pour l’enseignement m’a permis en 1999 de participer à l’élaboration de la filière de l’INSA, « Bio-Informatique et Modélisation » (BIM), dont l’objectif est de former des ingénieurs « capables d’organiser, d’analyser et de traiter la masse des données biologiques, d’en extraire les informations pertinentes afin de comprendre et de modéliser les processus du vivant ». J’interviens dans les enseignements de 3ème et 4ème années, avec les modules « EDO et Modélisation, I et II » (3BIM) et le module « Equations récurrentes et EDP » (4BIM).

A ce jour, mon plus grand projet reste celui de la filière "Mathématiques et Informatique du Vivant" (MIV) avec la mise en place, dans le cadre de la réforme LMD, d’une Licence MIV (2004-) et d’un Master : le master aMIV (2004-2007) devenu ensuite le Master "Santé - Populations" (2007-2011), puis aujourd’hui la spécialité MIV du master "Ecosciences, Microbiologie" (2011-).

J’assure dans ces différentes formations, les enseignements de "Biologie Mathématique et Modélisation" qui regroupent les thèmes suivants :
Systèmes dynamiques, linéaires et non linéaires, et leurs applications en dynamiques des populations et épidémiologie
Théorie des bifurcations
Théorie des jeux
Equations récurrentes et application en écologie et épidémiologie

Les ressources pédagogiques que j’ai développées pour ces enseignements sont accessibles en ligne sur la plate-forme e-learning SPIRAL de l’Université Lyon 1.

Les parcours MIV de Licence	Le Master "Ecosciences, Microbiologie"	La filière "Bio-Informatique et Modélisation" à l’INSA Lyon

http://pbil.univ-lyon1.fr/members/m...	http://master-me.univ-lyon1.fr	http://www.insa-lyon.fr/bim/

Communications :

Charles, S. and Batier, C., 2007. La visioconférence : un outil efficace pour le suivi à distance des étudiants. XXIVème Congrès de l’AIPU : Association Internationale de Pédagogie UniversitairE, Montréal, Québec. May 16-18.
Charles, S., 2006. CREACION - Création d’un Réseau d’Etudiants pour l’Acquisition de Compétences Interdisciplinaires ON-line. XXIIIème Congrès de l’AIPU : Association Internationale de Pédagogie Universitaire, Monastir, Tunisie.
Charles, S. and Gueguen, L., 2005. La formation interdisciplinaire « Mathématiques et Informatique du Vivant » : Premiers éléments de bilan. XXIIème Congrès de l’Association Internationale de Pédagogie Universitaire (AIPU), Genève, Suisse.
Charles, S., 2004. " Mathématiques et Informatique du Vivant " : une formation interdisciplinaire qui voit le jour grâce au LMD. XXIème Congrès de l’Association Internationale de Pédagogie Universitaire (AIPU), Marrakech, Maroc.

Autres activités
- +Fonctions d’intérêt collectif -Fonctions d’intérêt collectif
  Je suis ou ai été membre élue de plusieurs conseils au sein de l’Université Claude Bernard Lyon 1 :
  - Conseil Scientifique de l’Université Claude Bernard Lyon 1 (depuis décembre 2006)
  - Comité Consultatif des sections CNU 67-68 (depuis le 03/12/2008)
  - Conseil de l’UMR 5558 (depuis le 21/02/2005, réélue le 23/01/2007)
  - Conseil de l’UFR de Biologie (01/10/2005 – 17/12/2009)
  - Commission Formation de l’UFR de Biologie (01/10/2004 – 17/12/2009)
  Je suis chargée de mission par l’Université Claude Bernard Lyon 1 dans le cadre de la mise en place du Pôle de Toxicologie Environnementale et d’Ecotoxicologie à Rovaltain (Direction Scientifique, Pr. Bruno COMBOURIEU).
  
  Je suis par ailleurs membre du :
  - Conseil d’Administration et du Bureau du service ICAP de l’Université C. Bernard Lyon 1 (réélue le 14/11/2008) : http://icap.univ-lyon1.fr
  - Conseil de la Documentation de l’Université Claude Bernard Lyon 1 (réélue le 29/04/2008).
  - Conseil Pédagogique et d’Orientation (CPO) de l’Ecole Doctorale E2M2 (« Evolution, Ecosystèmes, Microbiologie, Modélisation » : http://e2m2.universite-lyon.fr/.
  Depuis 2006, je suis membre du comité de pilotage du "Séminaire de Modélisation du Vivant" (SeMoVi) qui résulte d’une initiative commune d’un grand nombre de formations de recherche rhône-alpines pour permettre le développement et la structuration d’une communauté autour de la modélisation du vivant.http://www.cgmc.univ-lyon1.fr/Semovi/
  
  Depuis septembre 2009, je suis en charge, avec Eric BLAYO (UJF, Grenoble), de la co-animation de l’« Atelier de Modélisation » du Cluster Régional de Recherche « Environnement ». Journée d’échange intra-cluster organisée le 7 octobre 2010 ; journée d’échange, en lien avec SEMOVI, organisée le 7 septembre 2010 ; journée d’échange intra-cluster organisée le 6 octobre 2011. http://www.cluster-environnement.net/ et https://sites.google.com/site/ateli...
  
  Depuis mars 2010, je suis membre élue du comité de pilotage de l’Institut des Systèmes Complexes (IXXI) dans le collège « environnement ». http://www.ixxi.fr/
- +Loisirs -Loisirs
  
  Tennis (classement 15/3 en 2011)
  Spéléologie, ski alpin et nordique, escalade (pratique occasionnelle)
  Chant lyrique (5 années de pratique solo en école de musique, 2003-2008, tessiture Mezzo-Soprane)

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