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L’événement

Les poissons japonais victimes de Fukushima Quel est l’impact sanitaire et environnemental de l’accident nucléaire de mars 2011 au Japon ? Une évaluation de la contamination des poissons d’eau douce de l’Archipel vient d’être présentée.

Recherche

3 Éditorial

nnn 18 Mathématiques

6 Courrier

infinité de couples de nombres premiers « presque jumeaux »

nnn 12 Astres

solaire : l’eau de la Lune vient de la jeune Terre >>Une galaxie étonnamment féconde

Recherche

>>Système

nnn 14 Matière

>>Des fleurs minérales

cultivées dans l’eau

>>Métallurgie :

produire du fer avec de l’électricité nnn

16 Terre

nnn 20 Vie

cellules souches humaines obtenues par clonage >>Physiologie : Le stress accélère la croissance des écureuils

>>Découverte

de la plus ancienne boucherie >>Antiquité : du raisin sauvage dans le vin des Gallo-Romains

nnn 30 Technologie >>L’envol

d’un diptère artificiel >>Ressources : stocker de l’énergie dans des roches poreuses

A

A

crises d’épilepsie deviennent prévisibles >>Virologie : Des « supervirus » de la grippe créés de toutes pièces

22 Archéologie

www.larecherche.fr

Offre d’abonnement : p. 92

>>Les

nnn

La Recherche est publiée par Sophia publications, filiale d’Artémis.

Ce numéro comporte 2 encarts La Recherche sur les ventes France et export (hors Belgique et Suisse) ; un encart Edigroup sur les ventes Belgique et Suisse ; un encart L’Histoire sur les abonnés.

singes vervets ont un comportement conformiste

>>Des

n° 477 juillet-août 2013

En couverture : © SMETEK/SPL/COSMOS

>>Les

nnn 28 Santé

propagation des incendies simulée avec plus de précision >>Chimie : des traces de chanvre retrouvées au fond d’un lac

A

>>La

nnn 26 Populations

>>Une

Recherche

Recherche A

actualités

nnn 24 Cerveau >>Désaveu

cinglant de la « bible » des psychiatres

32 À surveiller 34 Acteurs

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4 • La Recherche | juillet-août 2013 • nº 477


savoirs 36

idées

Dossier spécial cerveau

Comment notre cerveau perçoit le monde Combien de sens avons-nous ?

38 

par Florence Heimburger

Notre vision surmonte les incertitudes par Pascal Mamassian 46 L’éveil de la perception 41 

par Olivier Houdé et Grégoire Borst

Le sommeil ne nous coupe pas du monde par Anne Debroise 53 Atlas : toucher, voir, sentir, goûter, entendre… Comment fonctionnent nos sens 50 

Le cerveau construit le monde de l’intérieur par Anne Lefèvre-Balleydier 68 D’où viennent les hallucinations ? 64 

par Arnaud Cachia et Renaud Jardri

Ces sens que nous n’avons pas

72 

par Gautier Cariou

emmanuel sander : « Notre pensée progresse en créant des catégories »

74 

propos recueillis par Sophie Coisne

94 L’entretien du mois

avec Philippe Cury

« Si l’on ne change rien, les poissons vont disparaître » propos recueillis par Denis Delbecq

98 Déchiffrage

1,4 milliard de catholiques dans le monde par Hervé Le Bras

99 Le grand débat

F aut-il autoriser la gestation pour autrui ? avec René Frydman et François Olivennes

102 L’invité

Fabrice Hyber

Je ne suis pas scientifique mais…

Nos neurones nous font voir la vie du bon côté par Rafaële Brillaud 80 Les détails ne nous sautent pas aux yeux par Carole Peyrin 83 Sélection Livres

108 Histoire de science

85 Cahier spécial : chercheurs d’énergie

103 Les livres

78 

Valorisation énergétique des déchets réalisé avec le soutien de la direction scientifique de Total.

propos recueillis par Lise Loumé

L es abîmes impossibles pour le vivant par Loïc Péton

112 L’agenda 114 Curiosités nº 477 • juillet-août 2013 | La Recherche • 5


actualités

L’événement

Les poissons japonais victimes de Fukushima Quelles sont les retombées sanitaires et environnementales de l’accident nucléaire de mars 2011 au Japon ? Une première évaluation de la contamination des poissons d’eau douce de l’Archipel vient d’être présentée. Par

Rafaële Brillaud, journaliste.

8 • La Recherche | juillet-août 2013 • nº 477

L

es rivières de l’île de Honshu, principale île japonaise, concentreraient dangereusement les particules radioactives relâchées en 2011 par la centrale de Fukushima Daiichi. C’est ce que suggère une récente étude réalisée par Toshiaki Mizuno et Hideya Kubo, de l’université de Shiga, au Japon [1]. D’autres indices font même craindre que cette pollution s’étende jusqu’à plusieurs centaines de kilomètres du lieu de l’accident. Le 11 mars 2011, un séisme de ­magnitude 9 puis un violent tsunami ont dévasté le site de la centrale de Fukushima Daiichi, entraînant la fusion de trois réacteurs nucléaires. L’échauffement du combustible, en

décomposant l’eau qui l’entourait, a produit de l’hydrogène, à l’origine d’explosions. À une quinzaine de reprises entre le 12 et le 25 mars, d’importants rejets radioactifs ont été émis dans l’atmosphère. Il n’existe aucune mesure directe de ces émissions. L’estimation de leur volume comme de leur composition fait d’ailleurs encore débat au sein de la communauté scientifique [2]. Néanmoins trois radionucléides, issus de la fission de l’uranium, inquiètent principalement les spécialistes. L’iode-131 a été libéré en grande quantité, mais a rapidement disparu (sa demi-vie* est de 8 jours).Le césium-134 (demi-vie de 2 ans) et le césium-137 (demi-vie de 30 ans) représentent moins


© IRENE LEFEVRE/LSCE

de 10 % des rejets. Mais ils sont deve­ nus, dès la fin avril 2011, les deux radio­ nucléides persistants dans l’environ­ nement. Ce sont eux qui façonnent aujourd’hui la carte des dépôts radioac­ tifs au sol, tache étirée jusqu’à 40 kilo­ mètres au nord-ouest de la centrale. Plus de deux ans après la catastro­ phe, les publications portant sur l’im­ pact environnemental des retombées radioactives demeurent rares. Les plus médiatisées ont révélé des détériora­ tions physiologiques et génétiques du papillon Zizeeria maha vivant aux alen­ tours de la centrale, ou encore la contami­ nation persistante des poissons pêchés au large des réacteurs endommagés [3].

Dispersion et concentration. Pour la première fois, donc, une étude japonaise dresse un état des lieux de la conta­ mination radioactive des eaux conti­ nentales et des poissons d’eau douce. Et les deux auteurs n’y cachent pas leur inquiétude. En comparant l’accident de Fukushima à celui de Tchernobyl, ils affirment que les niveaux de contami­ nation pourraient se révéler plus élevés, bien que les émissions dans l’atmo­ sphère aient été moindres à Fukushima. Le réseau hydrographique favorise en effet la dispersion du césium sur le terri­ toire, mais aussi sa concentration dans des zones de dépôt sédimentaire. Les atomes de césium radioactifs, émis dans l’air lors des explosions puis retom­ bés au sol à la faveur des pluies et de la neige, n’ont cessé de converger vers les rivières avec le lessivage des sols. Une fois dans l’eau, ils se sont rapidement

*La demi-vie d’un élément radioactif

est la durée au bout de laquelle la moitié d’un échantillon s’est désintégrée.

*Le becquerel correspond à une

désintégration radioactive par seconde.

Fig.1  La contamination des poissons herbivores Cette carte  de la radioactivité par unité de masse dans les ayus, poissons herbivores, a été établie à partir de captures réalisées entre mai et septembre 2011. Elle révèle que le maximum autorisé pour l’alimentation, 100 becquerels par kilogramme, était dépassé pour des zones éloignées jusqu’à 200  kilomètres du lieu de l’accident.

JAPON

Sendai Centrale nucléaire de Fukushima Daiichi

Fukushima

Tokyo Nagoya 100 kilomètres

agrégés avec l’argile et sont tombés au fond. « Avec la fonte des neiges, la hausse du débit remet parfois en suspension les sédiments contaminés, qui sont ensuite transportés au loin lors de la saison des fortes pluies et des violents typhons », détaille Olivier Évrard, du CEA, qui suit de près ces sédiments autour de Fukushima. Charriés par les cours d’eau, le césium radioactif s’est ainsi vite propagé sur le territoire japonais, notamment grâce à un système d’irrigation très développé. Il s’accumule désormais, selon Toshiaki Mizuno et Hideya Kubo, dans des espa­ ces restreints situés en aval, dans des lacs, des étangs, au détour d’un ruisseau ou dans les méandres d’un canal, par­ fois près de zones de captage. Et il s’accumule aussi dans les pois­ sons d’eau douce. La carte des niveaux moyens de contamination au césium des ayus (Plecoglossus altivelis), pois­ sons herbivores, pêchés par les services gouvernementaux entre mai et septem­ bre 2011 montre ainsi sans équivoque que le problème va bien au-delà de la seule préfecture de Fukushima [fig. 1]. Dans un rayon de 100 kilomètres autour de la centrale accidentée, les ayus présentent une radioactivité supé­ rieure à 200 becquerels* par kilogramme. Le record est un ayu de la rivière Mano, à une trentaine de kilomètres de la centrale, avec 2 657 becquerels par kilo­ gramme. Puis, de 100 à 200 kilomètres, les niveaux de contamination varient

Radioactivité par unité de masse (en becquerels par kilogramme)

200 100 50 10 0

entre 60 et 200 becquerels par kilo­ gramme. Du césium-137 a même été détecté jusque dans les poissons de la préfecture de Shizuoka, à 400 kilomètres au sud-ouest de Fukushima Daiichi. Ces chiffres sont à comparer avec les normes japonaises, qui depuis avril 2012 imposent un maximum de 100 becque­ rels par kilogramme de nourriture. Elles sont sévères : en Europe, elles s’élèvent à 600 becquerels par kilogramme, et la consommation occasionnelle d’aliments dépassant de peu les normes n’est pas considérée comme risquée par les spécia­ listes. Mais le poisson est, avec le riz, à la base de l’alimentation des Japonais. La contamination interne, notamment par ingestion des aliments, est aussi la plus dangereuse. Dans le corps, >>>

L’essentiel >>Du césium radioactif a

été émis dans l’atmosphère lors de l’accident de la centrale de Fukushima Daiichi.

>>Cet élément s’est déposé

au sol, et il est concentré dans les rivières par les écoulements.

>>Il s’accumule dans les

poissons, d’autant plus que ceux-ci sont placés haut dans la chaîne alimentaire.

nº 477 • juillet-août 2013 | La Recherche • 9

© légendes cartographie - source CENTER FOR RISK RESEARCH/SHIGA UNIVERSITY

Le prélèvement de sédiments dans l’Ota, ainsi que dans d’autres ­rivières qui drainent les dépôts radioactifs consécutifs à l’accident de Fukushima, a permis de suivre l’évolution de la contamination des eaux douces entre novembre 2011 et novembre 2012 dans le cadre du projet franco-japonais TOFU.


actualités

Astres

Système solaire L’eau de la Lune

En bref Une exoplanète relativiste

vient de la jeune Terre

Une équipe d’astronomes a découvert une exoplanète grâce à une nouvelle méthode de détection qui fait appel à la relativité générale d’Einstein. La technique utilise le fait que la luminosité de l’étoile augmente quand la planète, du fait de sa masse, l’attire dans la direction de la Terre, et diminue au contraire quand la planète la fait s’en éloigner. Par des effets relativistes, les photons sont en effet davantage focalisés dans la direction du mouvement de l’étoile. C’est grâce aux données du satellite américain Kepler que la planète en question, une géante gazeuse plus grosse que Jupiter, baptisée Kepler-76b, a pu être mise en évidence.

Questions à l’expert

Marc Chaussidon est spécialiste de l’étude des météorites au centre de recherches pétrographiques et géochimiques à Vandœuvre-lès-Nancy.

S. Faigler et al., à paraître dans Astrophysical Journal.

Secret de jouvence

J. Leconte et al., Nature Geoscience, 6, 347, 2013.

sur le web http://tinyurl.com/galaxy-size Ce poster géant présente tous les types de galaxies à la même échelle, pour donner une idée de leurs tailles respectives. En anglais.

© SERGE DETALLE/CNRS PHOTOTHèQUE

Pourquoi Saturne, qui devrait s’assombrir et refroidir en vieillissant, apparaît toujours aussi brillante malgré son âge ? Selon des chercheurs français, ce paradoxe s’explique par la présence dans l’atmosphère saturnienne de couches gazeuses qui ne se mélangent pas, empêchant ainsi la chaleur de s’échapper et ralentissant le refroidissement prévu. Un phénomène similaire à ce qui se passe dans les océans terrestres lorsqu’une couche d’eau chaude salée passe sous une couche d’eau froide moins salée. L’eau salée, plus dense, bloque alors la formation de courants, empêchant ainsi la chaleur d’être transportée vers la surface.

Des analyses révèlent que l’eau présente dans les roches lunaires a la même composition chimique que celle que l’on trouve sur Terre. D’où vient cette eau lunaire ? M.C. Rappelons d’abord l’histoire de la formation de la Lune. D’après le scénario accepté par une majorité d’astronomes, notre satellite serait né voici 4,5 milliards d’années à la suite d’un choc entre la Terre primitive et un objet de la taille de Mars. La collision aurait généré un disque de débris, conduisant très rapidement à la formation de la Lune. La découverte de l’équipe d’Alberto Saal, de l’université Brown, aux ÉtatsUnis, suggère donc que, lors du choc, une partie de l’eau que contenait la Terre s’est retrouvée dans ce disque de matière. La Lune aurait ainsi hérité son eau de la jeune Terre. Comment les chercheurs ont-ils identifié l’origine de cette eau ? M.C. En 2008, Alberto Saal, déjà lui, avait mis pour la première fois en évidence la présence d’eau dans des échantillons de lave

12 • La Recherche | juillet-août 2013 • nº 477

lunaire rapportés sur Terre il y a quarante ans par les missions Apollo. La découverte a battu complètement en brèche l’idée admise jusqu’alors que le manteau lunaire, d’où proviennent ces laves, était complètement sec. Pour cette nouvelle étude, les chercheurs ont réexaminé les mêmes échantillons. Mais cette fois, ils ont mesuré les concentrations relatives en hydrogène et en deutérium de cette eau. Le deutérium contient un neutron de plus que l’hydrogène, et l’on a observé que les objets qui se sont formés

près du Soleil contiennent moins de deutérium que les objets qui se sont formés plus loin. Leurs analyses montrent que la quantité de deutérium comparée à la quantité d’hydrogène, le rapport D/H, est relativement basse. Et ce rapport est similaire à celui de certaines météorites, les chondrites carbonées, des petits corps primitifs qui se sont formés dans les régions internes du système solaire. Or, le rapport D/H de l’eau terrestre correspond lui aussi à celui des chondrites. C’est donc que l’eau trouvée sur la Lune

  Mystérieux reliefs martiens zoom

Comment se sont formées ces dépressions aux bords surélevés photographiées par la sonde américaine Mars Reconnaissance Orbiter, dans la région baptisée Acidalia Planitia, vaste plaine de l’hémisphère Nord de la planète Rouge ? Vu leur alignement presque parfait, il ne peut s’agir de cratères d’impact. Pas plus ­qu’elles ne sont le résultat de l’action du vent, qui n’a pu transporter les rochers au fond des cuvettes. Ces structures ont peut-être été sculptées par de la glace qui a fondu depuis. Mais comment expliquer leurs bords surélevés ? Une hypothèse est avancée : elles seraient nées à la suite de grands écoulements d’eau. Certains planétologues pensent en effet qu’Acidalia Planitia hébergeait autrefois un océan. Mais il faudra d’autres images et plus d’arguments pour leur donner raison. http://tinyurl.com/mars-morphology


© NASA/JPL/UNIVERSITY OF ARIZONA

recueillis par Julien Bourdet [1] A. Saal et al., Science, doi:10.1126/ science 1235142, 2013

Une galaxie étonnamment féconde Observation

Les astronomes ont découvert une galaxie lointaine qui fabrique des étoiles à un rythme beaucoup plus élevé que ses congénères apparues à la même époque.

Submillimétrique

Infrarouge proche Millimétrique

C’

est une des galaxies les plus prolifiques jamais observées. Découverte par le satellite européen Herschel, HFLS3, c’est son nom, produit chaque année l’équivalent de 3 000 soleils, soit 2 000 fois plus d’étoiles que la Voie lactée. Au-delà de son caractère exceptionnel, la nouvelle galaxie pose également question aux astronomes : située à quelque 13 milliards d’annéeslumière de la Terre, elle est apparue alors que l’Univers était âgé de 880 millions d’années seulement [1]. À une époque où, pense-t-on, les galaxies formaient des étoiles à un taux beaucoup plus modeste. Flambée d’étoiles. Sur les images récoltées dans l’infra­ rouge par Herschel, HFLS3 n’apparaît que comme un minuscule point peu lumineux. Mais très vite, les astronomes s’aperçoivent que la galaxie brille bien plus que d’autres situées à la même distance. Seule explication : la galaxie est le siège d’une intense flambée d’étoiles. Encore entourés d’un gigantesque nuage de poussières, les jeunes astres chauffent celui-ci qui émet alors un rayonnement infrarouge intense. D’autres observations par des radio­télescopes viennent confirmer ce scénario en identifiant d’énormes quan-

Visible

La galaxie HFLS3 (au centre du carré en bas à droite) a été découverte grâce au satellite Herschel dans le domaine des longueurs d’onde submilli­ métriques. D’autres télescopes ont ensuite été utilisés pour l’observer plus en détail (les deux autres carrés) dans d’autres longueurs d’onde.

tités de gaz, ingrédient de base pour la formation stellaire. Avec une masse équivalente à celle de la Voie lactée, HFLS3 fait figure d’exception. « Selon le modèle actuel, les premières galaxies devaient être petites et fabriquer peu d’étoiles, explique Denis Burgarella, du laboratoire d’astrophysique de Marseille, un des auteurs de la découverte. Puis, en fusionnant les unes avec les autres, penset-on, elles se sont mises à grossir, accumulant suffisamment de gaz et le transformant en étoiles à un rythme très élevé. » Ces galaxies extrêmement fécondes, les astronomes les ont déjà prises dans leurs filets. La plupart ont été observées à une époque où l’Univers était âgé de 2 milliards d’années, soit bien après la naissance de HFLS3. Alors comment expliquer un tel monstre si tôt après le big bang ? « Il est possible que cette galaxie soit située dans

une région particulièrement dense de l’Univers, avance Denis Burgarella. On sait en effet qu’il existe des zones qui rassemblent très vite beaucoup de gaz et qui deviendront plus tard les amas de galaxies. Mais cela ne suffit pas. Il faut invoquer une seconde hypothèse pour rendre compte du rythme effréné de HFLS3 : cette dernière serait en réalité composée de deux galaxies en train de fusionner. » Aussi atypique soit-elle, HFLS3 ne remet pas en question à elle seule les modèles. Mais s’il se confirme que la fréquence de telles galaxies à cette époque est plus élevée que prévu, les astronomes devront revoir leur copie. « Dans les données du satellite Herschel, il reste encore de nombreuses galaxies lointaines à étudier plus finement, confie le chercheur. Il pourrait y avoir d’autres surprises. » n J.B. [1] D. Riechers et al., Nature, 496, 329, 2013.

nº 477 • juillet-août 2013 | La Recherche • 13

© ESA/HERSCHEL/HERMèS/IRAM/GTC/OBSERVATOIRE W.M. KECK

a la même origine que celle de la Terre elle-même [1]. Ce sont donc ces météorites qui auraient apporté l’eau sur Terre ? M.C. Oui, elles auraient apporté l’essentiel de l’eau sur notre planète en bombardant cette dernière pendant les premières dizaines de millions d’années de son existence, avant le choc dont est issue la Lune. Les astronomes le suspectent depuis plusieurs années. Mais ces travaux donnent plus de poids encore à cette hypothèse. Ils défavorisent du même coup l’idée d’une origine cométaire, autre explication de la présence d’eau sur la Terre et sur la Lune. Dans ce scénario, ce sont des comètes, petits corps glacés formés loin du Soleil, qui auraient bombardé Terre et Lune après la formation de cette dernière. Mais le rapport D/H de la quasi-totalité des comètes connues est plus élevé que celui des roches lunaires. Cette découverte metelle un point final aux discussions sur la formation de la Lune ? M.C. Non, car il reste un problème de taille : pourquoi le manteau lunaire contient autant d’eau que celui de la Terre alors qu’il contient beaucoup moins d’autres éléments volatiles, ceux qui s’échappent facilement sous forme gazeuse ? Lors du choc, l’eau aurait dû être vaporisée, elle aussi. Pour certains, l’eau aurait été dissoute dans l’océan de roches en fusion qui constituait la Terre à ce moment-là. Mais la question reste ouverte. n Propos


actualités

Matière

Une équipe internationale vient de mesurer une propriété élémentaire de l’astate, élément chimique naturel radioactif le plus rare sur Terre : son potentiel d’ionisation. Cette grandeur correspond à l’énergie qu’il faut fournir à un atome neutre pour arracher un de ses électrons – le moins lié – et former un ion positif. Dans le cas de l’astate, il est de 9,31751 électronvolts  (eV), résultat qui se trouve dans la plage attendue (autour de 9,3 eV). Pour parvenir à ce résultat, les physiciens ont utilisé la spectroscopie laser et étudié le spectre optique de l’astate. S. Rothe et al., Nature Communications, 4, 1835, 2013.

Question d’oxygène La conductivité électrique d’un matériau dépend beaucoup de la densité des porteurs de charges électriques qu’il contient. On peut manipuler cette densité de différentes façons. Xiao Lin et son équipe franco-chinoise viennent ainsi de montrer que, dans le cas du titanate de strontium, un oxyde isolant, il suffit de retirer un atome d’oxygène sur 100 000 pour qu’il devienne supraconducteur – c’est-à-dire qu’il transporte l’électricité sans résistance – à une température de 86 millikelvins. Quand on lui enlève ces atomes d’oxygène, on libère des électrons mobiles, porteurs de charge électrique. C’est le supraconducteur avec la plus faible concentration de porteurs connu. X. Lin et al., Phys. Rev. X, 3, 021002, 2013.

sur le web http://bit.ly/bubblefoams Découvrez cette vidéo d’une simulation numérique qui montre l’évolution de la structure de mousses au cours du temps.

Des fleurs minérales cultivées NANOSTRUCTURES

L’explication des interactions entre deux réactions chimiques permet de contrôler la formation de microstructures.

L’

origine néerlandaise du chimiste Wim Noorduin a-telle influé sur le choix de son sujet d’étude ? On pourrait le penser car, avec ses collègues de l’université Harvard, aux États-Unis, il a fait pousser des fleurs. Celles-ci sont toutefois particulières : elles sont entièrement minérales et ne mesurent que quelques dizaines de micromètres. Leur présentation démontre la maîtrise de l’assemblage de microstructures minérales par un simple contrôle de l’acidité du milieu [1]. Les chimistes se rapprochent ainsi des capacités de divers organismes à produire de telles structures naturellement. « Générer des formes à volonté nécessite de maîtriser des couplages entre réactions chimiques », explique Jacques Livage, de l’équipe matériaux et biologie de l’université Pierreet-Marie-Curie. Les chimistes savaient déjà reproduire en laboratoire des formes de tresses, ou de vers. Comment passer à des structures plus complexes telles que des fleurs ? Wim Noorduin et ses collègues ont introduit une plaque de verre dans une solution aqueuse de silicate de sodium et de chlorure de baryum. Ils ont mis la surface de la ­solution en contact avec de l’air contenant du dioxyde de carbone.

14 • La Recherche | juillet-août 2013 • nº 477

Ces fleurs en silice et en carbonate de baryum, de quelques dizaines de micromètres de haut (ici colorisées par ordinateur), ont été produites dans l’eau en contrôlant l’acidité et la concentration en dioxyde de carbone.

Ce dernier, en diffusant dans l’eau, réagit avec le chlorure de baryum : des dépôts de carbonate de baryum se forment sur la plaque, en quantité d’autant plus importante que l’acidité de la solution est faible, donc que son pH est élevé. La réaction libère des ions hydronium, qui acidifient localement la solution. Une seconde réaction, la polymérisation du silicate, forme des dépôts de silice. Cette transformation ne se produit qu’à une acidité précise, pour un pH proche de 10. Régimes de croissance. Selon l’acidité, les chercheurs ont identifié trois régimes de croissance des dépôts. Le premier survient quand la solution est peu acide, à un pH de 11,8. Il ne se forme alors que du carbonate de baryum. Autour des dépôts, l’acidité augmente jusqu’à permet-

tre à la seconde réaction de démarrer : la silice cristallise sur les bords du dépôt initial et agit comme un écran, empêchant la première réaction de se poursuivre. Mais à l’extrémité supérieure du dépôt de carbonate de baryum, plus isolée, les ions hydronium libérés sont moins concentrés, et l’acidité demeure trop faible pour permettre le dépôt de silice. La croissance du carbonate de baryum s’y poursuit donc, et la structure s’élève, perpendiculaire à la plaque. Sa forme de vase, aux parois d’environ un micromètre d’épaisseur, est plus ou moins resserrée selon la concentration du dioxyde de carbone. Si la solution est au départ plus acide, avec un pH de 11,2, le processus change. Quand le carbonate de baryum se forme, l’acidité autour des dépôts devient trop impor-

© N. VANDENBERGHE, R. VERMOREL, E. VILLERMAUX, IRPHE, AIX-MARSEILLE UNIV.

Dans les secrets de l’astate

© IMAGE COURTESY OF WIM L. NOORDUIN

En bref


dans l’eau

Antoine Cappelle [1] W. Noorduin et al., Science, 340, 832, 2013.

zoom

avec de l’électricité Questions à l’expert

© dr

tante pour que la silice puisse se déposer. Sauf à l’extrémité supérieure du dépôt, où l’acidité a moins augmenté car la concentration des ions hydroniums libérés y est moindre. C’est donc au sommet de la structure que la silice se dépose, interrompant la première réaction. Mais ­celle-ci se poursuit sur les côtés du dépôt, qui croît alors en une forme plate. Enfin, lorsque le pH initial est inférieur à 10, la solution demeure trop acide pour que la silice se forme : seul le carbonate de baryum croît librement. En variant séquentiellement l’acidité de la solution et sa concentration en dioxyde de carbone, les chimistes parviennent à obtenir les empilements de formes souhaités. Une limite subsiste toutefois, selon Clément Sanchez, de l’équipe matériaux hybrides et nanomatériaux du Collège de France : « On ne sait pas encore expliquer la forme du dépôt de matière initial. »  n

MÉTALLURGIE Produire du fer Didier Devilliers est professeur d’électro­ chimie à l’université Pierreet-Marie-Curie, à Paris.

Comment fonctionne le procédé de production du fer inventé par Donald Sadoway et son équipe du Massachusetts Institute of Technology, aux États-Unis ? D.D. Il repose sur le principe de l’électrolyse. L’oxyde de fer est dissous dans un mélange fondu à plus de 1 200 °C d’oxydes de calcium, d’aluminium et de magnésium. Dans cette solution, les chimistes ont placé deux électrodes : une cathode, sur laquelle a lieu une réduction, et une anode, sur laquelle a lieu une oxydation. Lorsque l’on fait passer un courant électrique continu entre les deux électrodes, le fer se dépose sur la cathode, et l’oxygène se dégage à l’anode. D’une façon géné-

rale, dans un électrolyseur, le choix de l’anode est parfois problématique car le matériau d’anode lui-même peut s’oxyder : se corroder, brûler (cas du carbone) ou se recouvrir d’une couche isolante, qui laisse très mal passer le courant électrique. En utilisant un alliage de chrome et de fer, Donald Sadoway et son équipe pensent avoir créé une anode qui résout ces problèmes. Selon eux, c’est la formation, au cours de l’électrolyse, d’un film d’oxyde conducteur protecteur à la surface de l’anode qui assure l’efficacité de cette dernière [1]. Quels sont les avantages d’un tel procédé ? D.D. D’après les auteurs, il présente deux avantages principaux. Le premier est de permettre de produire du fer exempt de carbone, ce qui n’est pas le cas dans les hauts-fourneaux, où l’oxyde de fer est réduit à très haute température par réaction avec du carbone. Le fer ainsi extrait contient beaucoup de carbone, et il faut le retraiter

ensuite. Le second, très attractif pour l’environnement : le procédé mis au point remplace les dégagements énormes de dioxyde de carbone des hauts­fourneaux par des dégagements d’oxygène. Quels sont les paramètres à optimiser avant d’envisager une commercialisation de ce procédé ? D.D. Le nouveau procédé proposé par les auteurs fonctionne entre 1 200 et 1 600 °C, ce qui implique qu’il va falloir trouver des matériaux de cuve qui résistent à la corrosion au contact des électrolytes fondus à ces températures extrêmement élevées. Par ailleurs, il faudra mener de plus amples recherches afin d’optimiser la composition du bain de sels fondus et celle de l’alliage constitutif de l’anode ; enfin, il faudra trouver la densité de courant qui permettra d’obtenir le rendement le plus élevé. n Propos recueillis par Vincent Glavieux [1] A. Allanore et al., Nature, 497, 353, 2013.

  Des fissures très instructives

Cette étoile est l’impact d’une balle, tirée par des physiciens, sur une plaque de Plexiglas. Nicolas Vandenberghe et son équipe de l’université d’Aix-Marseille souhaitaient mieux comprendre la formation de ce type de structure. À l’aide d’un pistolet à air comprimé, ils ont donc tiré des balles en acier et en céramique, à des vitesses comprises entre 10 et 120 mètres par seconde. La cible était une plaque de verre ou de Plexiglas

dont l’épaisseur variait entre 0,15 et 3 millimètres. Une caméra à grande vitesse filmait la formation et le développement des fissures. Les physiciens en ont déduit une formule mathématique : le nombre de fissures est proportionnel à la racine carrée de la vitesse d’impact du projectile et à l’inverse de la racine cubique de l’énergie nécessaire pour fissurer le matériau. N. Vandenberghe et al., Phys. Rev. Lett., 110, 174302, 2013. nº 477 • juillet-août 2013 | La Recherche • 15


dossier

Spécial cerveau

Comment notre per

© WIN-INITIATIVE/GETTY

cerveau

Un arbre et des feuilles mortes qui voltigent, voilà ce que nous distinguons au premier coup d’œil. Pourtant, si notre cerveau résiste à cette interprétation, nous voyons ce que représente réellement cette photographie : le reflet d’un arbre et du ciel dans un plan d’eau où évoluent des poissons.

36 • La Recherche | juillet-août 2013 • nº 477


çoit le monde

Toucher, voir, sentir, goûter, entendre…

L

affaire semble entendue : nos organes des sens captent les signaux de notre environnement et informent notre cerveau sur celui-ci. Leur nombre est encore sujet à discussion, mais leurs mécanismes physiologiques sont de mieux en mieux connus. Un atlas exceptionnel en présente l’essentiel dans ce numéro (p. 53). Mais l’image que nous avons du monde qui nous entoure résulte aussi d’une construction mentale personnelle. Sans cesse, notre cerveau anticipe et confronte nos perceptions à ce qu’il connaît déjà. En faisant des hypothèses avant d’avoir reçu la totalité des informations, il traite celles-ci plus rapidement, et plus efficacement. Parfois aussi, il se trompe, mais ce n’est pas toujours à notre désavantage : nous voyons par exemple assez systématiquement la vie plus rose qu’elle ne l’est en réalité. Atlas

Comment fonctionnent nos sens P. 53 nº 477 • juillet-août 2013 | La Recherche • 37


Atlas

nos sens Comment fonctionnent

> La vision > L’audition > L’odorat > Le goût > le toucher > La proprioception > Des cellules spécialisées > Des messages nerveux précis > Un réseau de neurones flexible > Trois mémoires en action > La réalité reconstruite > Une perception multimodale

nº 477 • juillet-août 2013 | La Recherche • 53


dossier

Spécial cerveau

Comment fonctionne

la vision

La rétine, capteur de lumière

Choroïde

Rétine Sens du traitement de l’information

Rétine Choroïde

Lumière

Lumière

Nerf optique

La lumière traverse l’œil jusqu’à la rétine. Là, elle stimule les cellules situées en profondeur : les cônes et les bâtonnets. Ces cellules dites « sensorielles » émettent alors un signal nerveux qui est transmis aux cellules bipolaires, situées plus en surface, puis aux cellules ganglionnaires. Les prolongements de ces dernières forment les fibres du nerf optique.

Cône Nerf optique

Cellules ganglionnaires

Cellules bipolaires

Bâtonnet

Cellules sensorielles

De l’œil au cortex visuel Nerf optique

Chiasma Corps genouillé optique latéral Thalamus

Cortex visuel primaire

V1 V1 V2 V3 V4

© infographie sylvie dessert. Texte Lise Loumé

V5

V1 V2 V4 V3

Dans le cerveau, les deux nerfs optiques se rejoignent au niveau du chiasma optique. Là, les fibres provenant du côté gauche de chaque œil partent vers le corps genouillé latéral gauche (dans le thalamus). Et inversement pour le côté droit. Le corps genouillé envoie ensuite les informations au cortex visuel primaire, V1.

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Le cortex visuel primaire, V1, est situé à l’extrémité postérieure du cerveau. C’est là que l’image commence à être reconstituée. Puis l’analyse se poursuit dans le cortex V2, V3, etc. et dans de nombreuses autres aires.


dossier

Spécial cerveau

Les détails ne nous sautent pas aux yeux Quand nous regardons une scène, notre cerveau ne traite pas les grandes structures et les détails en même temps. L’ordre dépend de notre âge, et de notre attention.

par Carole Peyrin,  chargée de recherche au laboratoire de psychologie et de neurocognition de l’université Pierre-Mendès-France, Grenoble-II.

L’essentiel >>Face à une nouvelle scène visuelle,  nous avons d’abord une vue d’ensemble.

>>L’analyse de cette

vue d’ensemble  guide l’identification des objets qui la composent.

>>Ce processus peut toutefois s’inverser, notamment chez les jeunes enfants et chez les personnes âgées.

80 • La Recherche | Juillet-Août 2013 • nº 477

R

egardez la photo centrale ci-contre. Que voyez-vous ? Une plage, évidemment ! Il n’y a visuellement aucun doute, puisqu’il y a la mer, le ciel, le sable, un parasol et des transats. Tant d’indices visuels qu’on peut se demander ce qui a réellement été perçu en premier. Jusqu’à la fin du XXe siècle, il était difficile de répondre à cette question. La majorité des recherches s’intéressaient en effet à la reconnaissance des objets isolés de la scène – un parasol par exemple –, écartant ainsi toute la difficulté d’étudier les relations que les objets entretiennent entre eux. Ainsi, dans les années 1980, Irving Biederman, de l’université de Californie du Sud, aux États-Unis, a montré que la reconnaissance des objets repose sur la perception d’éléments géométriques de base – un long cylindre et un cône pour un parasol  [1]. Les scientifiques pensaient que, de la même façon, pour reconnaître une scène – et donc une plage –, il fallait d’abord identifier tous les objets qui la composent.

Vision d’ensemble. Des recherches r­ écentes, dont celles que nous menons au sein du laboratoire de psychologie et de neurocognition de Grenoble, montrent que c’est le contraire qui se produit. Nous avons une vue d’ensemble de la scène avant même d’identifier les objets. En fait, la perception d’une scène impliquerait des processus perceptifs différents de ceux mobilisés pour la reconnaissance des objets. Cette idée est compatible avec les bases neurales de la vision telles que décrites par Jean Bullier, du CNRS, au début des années 2000 [2]. Il s’appuyait sur de nombreuses études électrophysiologiques menées à partir des années

1950. Lorsque l’information visuelle arrive sur la rétine, elle est ­captée, puis analysée par différents types de cellules rétiniennes. On distingue notamment un premier groupe de cellules, caractérisées par un grand champ récepteur qui les rend sensibles aux fréquences spatiales ­basses de l’image, c’est-à-dire aux informations globales de l’image : ses grandes parties claires et sombres, ses différents plans et leurs orientations (dans notre exemple, trois bandes horizontales qui correspondent au ciel, à la mer et au sable). Un second groupe, lui, est ­constitué de cellules à petits champs récepteurs, sensibles aux fréquences spatiales hautes de l’image : ses détails et ses objets (les transats et le parasol). L’information visuelle est ensuite transmise des cellules rétiniennes au cerveau par les fibres du nerf optique. Grâce à la vitesse de conduction rapide de leurs fibres, les cellules à grands champs récepteurs sont les premières à envoyer leurs informations au cerveau. Le système cortical reçoit donc d’abord les fréquences spatiales basses, c’est-àdire l’information globale d’une scène. Les fréquences spatiales hautes passent, elles, par des fibres à vitesse de conduction plus lente : les informations concernant les objets d’une scène arrivent donc plus lentement au cerveau. Une fois cela compris, une question restait : quel circuit ces deux types d’information empruntent-ils à travers le cerveau ? Daniel Felleman, de l’université du Texas, et David Van Essen, de l’université Washington, à Saint-Louis, aux États-Unis, ont établi au début des années 1990 que notre cerveau est composé d’une trentaine d’aires visuelles, organisées hiérar­ chiquement. Ces aires visuelles com­ muniquent entre elles via des connexions ascendantes et descendantes.


La photographie d’une plage (au centre) a été traitée, dans les deux autres images, à l’aide de filtres de fréquences, comme le font nos yeux. À gauche, l’image montre que, si l’on ne conserve que les fréquences spatiales basses, on distingue les grandes parties claires et sombres de l’image, qui correspondent aux différents plans : le ciel, la mer et le sable. À droite, avec seulement les fréquences spatiales élevées, on distingue des détails, comme les nuages, le parasol et les transats. © bigstock Chacune d’entre elles est spécialisée dans l’analyse de signaux visuels, qui sont de plus en plus complexes au fur et à mesure qu’on monte dans la hiérarchie [3]. Par exemple, dans le cortex visuel primaire, qui est la première étape du traitement cortical visuel, on trouve des cellules qui sont sensibles à des caractéristiques visuelles très simples de l’image : des fréquences spatiales, des orientations, etc. Le ­cortex inférotemporal, situé à la fin de la hiérar­chie des traitements visuels, est, lui, composé de cellules qui répondent à des formes visuelles abstraites plus complexes [4]. Mais, depuis quelques années, des chercheurs démontrent que

l’information visuelle n’est pas nécessairement traitée par toutes les aires visuelles : autrement dit, il serait possible de court-circuiter certaines étapes.

Anticipation du détail. Ils proposent également que les connexions descendantes faciliteraient la reconnaissance. En enregistrant l’activité cérébrale à la surface du crâne, Moshe Bar, de l’université Harvard, a ainsi montré, en 2007, que les fréquences spatiales les plus basses d’un objet (la vue d’ensemble) sont envoyées très rapidement et directement des aires visuelles des premiers niveaux de la hiérar­chie à une région du cortex préfrontal capable de faire des prédictions sur la catégorie de l’objet perçu, et

Le rôle des hémisphères dans la perception visuelle Avec l’âge et l’expertise, notre cerveau devient de plus en plus flexible : nous devenons capables de focaliser notre attention soit sur les éléments individuels d’une scène, soit sur sa configuration globale, en fonction de ce qui nous intéresse. Selon que l’on privilégie l’un ou l’autre, notre cerveau sollicite plutôt son hémisphère gauche ou son hémisphère droit. Pour obtenir une vue d’ensemble de la scène (et donc, analyser les basses fréquences spatiales), le traitement visuel impliquerait principalement les aires visuelles de l’hémisphère droit. En revanche, reconnaître un objet ou un détail de la scène (et donc analyser les hautes fréquences spatiales) impliquerait davantage les aires visuelles de l’hémisphère gauche [1]. [1] B. Musel et al., Journal of Cognitive Neuroscience, sous presse, 2013.

ce avant que l’information visuelle n’arrive au cortex inférotemporal [5]. Dans la continuité de ce travail, nous avons montré récemment que le ­cortex préfrontal influencerait le traitement visuel de bas niveau. Pour cela, nous avons demandé à des personnes d’effectuer une analyse « global-­local » sur des scènes. En pratique, nous avons présenté deux scènes à la suite : la première en basses fréquences spatiales et la seconde en hautes fréquences spatiales. Les participants de notre étude ­devaient par exemple décider s’il s’agit d’une scène à l’intérieur ou à l’extérieur d’une maison pendant que nous enregistrions leur activité cérébrale à l’aide de l’imagerie par résonance magné­tique fonctionnelle et de ­mesures électro­ encéphalographiques [6]. Nous avons observé que les basses fréquences spatiales de la première scène entraînent une première vague d’activation des aires visuelles, qui commence dans le cortex visuel primaire et se propage très rapidement dans le cortex préfrontal. À ce moment de l’analyse, le cortex préfrontal aurait déjà une idée grossière sur la scène que nous voyons ; trois larges bandes horizontales correspondraient bien à une plage. La présentation des hautes fréquences spatiales de la même scène entraîne une seconde vague d’activation dans le >>> nº 477 • Juillet-Août 2013 | La Recherche • 81

La Recherche n°477 - Spécial cerveau  

Comment notre cerveau perçoir le monde > 12 fiches illustrées : Toucher, voir, sentir, goûter, entendre...

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