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actualités 8

Greffe

Des cellules iPS bientôt testées chez l’homme

lle

3 Éditorial 6 Courrier

En couverture : © D. VAN RAVENSWAAY/ SPL/COSMOS - THEO HEIMANN/AP/SIPA Olivier Dessibourg

nnn 14 Matière

découvert la première particule à quatre quarks ? >>Matériaux : une électrode plus stable pour les batteries lithium-soufre

16 Terre >>Le

fer des océans monopolisé par les diatomées ? >>Séismes : la croûte terrestre n’est pas partout aussi fragile

nnn

20 Vie

>>Les

singes capucins aussi manient le casse-noix

nnn 28 Santé >>Deux

>>Przewalski,

séropositifs en voie de guérison ? >>Cancer : dépistage des tumeurs du col de l’utérus au vinaigre

dernier des chevaux sauvages >>Océanographie : les microbes des sédiments marins ne vivent pas au ralenti nnn 22 Archéologie >>Asie :

urbanisme débridé autour des temples d’Angkor >>Les Néandertaliens créaient déjà des bijoux avec des coquillages

nnn 30 Technologie >>Plus

de débit dans les fibres optiques >>Aéronautique : premier vol pour l’E-fan, avion électrique

nnn 24 Cerveau >>Une

régulation des gènes accompagne la maturation du cerveau

32 À surveiller 34 Acteurs

www.larecherche.fr

Offre d’abonnement : p. 91 Ce numéro comporte deux encarts La Recherche sur les ventes France et export (hors Belgique et Suisse) ; un encart Edigroup sur les ventes Belgique et Suisse ; un encart Vocable sur les abonnés ; un encart Faton sur les abonnés.

Recherche

une galaxie beaucoup trop petite >>Des pièges à poussières pour former des planètes

A

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

les systèmes d’équation bruités sont difficiles à résoudre

>>Étoiles :

>>A-t-on

nnn 26 Populations

>>Cryptographie :

nnn 12 Astres

nnn

n° 479 septembre 2013

nnn 18 Mathématiques

A

nciation

Un essai de médecine régénératrice utilisant des « cellules souches pluripotentes induites » va démarrer au Japon. Les risques associés à ces cellules reprogrammées seront étudiés avec une attention particulière.

Recherche

Épithélium pigmentaire

L’événement

Recherche

Macula

3

A

Recherche

de la zone endommagée

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4 • La Recherche | septembre 2013 • nº 479


savoirs 36 Dossier

idées

Énergie noire :

pourquoi l’Univers accélère Pour rendre compte de la nature de l’énergie noire, constituant principal mais invisible de l’Univers, les physiciens proposent différents modèles. Ils ont aussi lancé plusieurs programmes d’observation qui permettront de mieux comprendre les lois qui régissent notre Univers.

La constante cosmologique prend une nouvelle dimension

38 

par Vincent Glavieux

Quatre méthodes d’observation

44  par Luc Allemand, avec Olivier Le Fèvre

Le mètre étalon de l’expansion cosmique par Antoine Cappelle

46 

50 Anthropologie

La quête illusoire du chaînon manquant par Richard Delisle

55 Climat

Comment s’écoule la glace du Groenland par Olivier Dessibourg

60 Sociologie

L’art du nucléaire par Sezin Topçu

64 Palmarès e

9 concours Génération développement durable par Rémi Canali

74 Portrait Franck Dumeignil

« La chimie détient les clés du développement durable »

par Stéphane Barge

78 L’entretien du mois

avec Godefroy Beauvallet

« Le mécénat doit respecter la liberté des chercheurs » propos recueillis par Nicolas Chevassus-au-Louis

82 Déchiffrage

15 % de suicides en plus aux États-Unis par Pablo Jensen

83 Le grand débat

 eut-on laisser P les enfants devant les écrans ? avec Olivier Houdé et Laurent Bègue

86 Question d’éthique

 tats-Unis : É la fin des brevets sur les gènes par Cécile Klingler

92 Histoire de science



L’hydroélectricité

L ’osmose bouscule la vision du vivant

réalisé avec le soutien de la direction scientifique de Total.

par Benoît Cayre

67 Cahier spécial : chercheurs d’énergies

nº 479 • septembre 2013 | La Recherche • 5


actualités

L’événement

Des cellules iPS bientôt tes Un premier essai de médecine régénératrice utilisant des « cellules souches pluripotentes induites » démarre au Japon. Les risques associés à ces cellules reprogrammées seront étudiés avec une attention particulière.

’ C

est une première mondiale qui, en ce mois de septembre 2013, débute chez des patients souffrant d’une dégénérescence de la rétine. Le 19 juillet, le ministère japonais de la Santé a autorisé un essai clinique recourant à des cellules jamais utilisées auparavant chez l’homme : des « cellules souches pluripotentes induites », ou cellules iPS. Ces cellules se distinguent par leurs

propriétés et leur origine. En effet, elles peuvent donner, à volonté, tous les types de cellules du corps humain, comme le feraient des cellules souches embryonnaires. Mais contrairement à celles-ci, elles ne proviennent pas d’un embryon : on les obtient en « reprogrammant » des cellules différenciées prélevées chez un adulte. La mise au point, en 2007, des premières cellules iPS humaines avait valu dès 2012 le prix Nobel de médecine au

biologiste Shinya Yamanaka, de l’université de Kyoto. Depuis, les cellules iPS sont devenues une priorité de recherche au Japon, avec d’importants financements alloués par l’État. En cet été 2013, c’est l’ophtamologiste Masayo Takahashi, responsable de l’équipe « régénération de la rétine », de l’institut Riken, à Kobe, qui se retrouve sous les feux de la rampe. En collaboration avec un centre hospitalier de cette ville, elle utilisera des cellules iPS pour soigner des patients

Fig.1  Greffe de cellules pour réparer la rétine 1

Choroïde Photorécepteurs

Rétine

Épithélium pigmentaire

Macula

Macula

Choroïde

Macula normale

DMLA «humide» Aiguille

Patient 4 gènes reprogrammateurs Cellules de peau

Épithélium pigmentaire

Cellules iPS

© infographie sylvie dessert

2 Reprogrammation

1 La macula,  située au centre de la rétine, est la zone affectée par la dégénérescence maculaire liée à l’âge. Dans la forme « humide » de cette maladie, des vaisseaux sanguins de la choroïde prolifèrent sous l’épithélium pigmentaire et l’endommagent, ainsi que les photorécepteurs. 8 • La Recherche | septembre 2013 • nº 479

Multiplication

Différenciation

2 Prélevées chez un patient, des cellules de peau sont

reprogrammées in vitro en cellules iPS. Celles-ci subissent ensuite une phase de multiplication, puis de différenciation en cellules d’épithélium pigmentaire, jusqu’à l’obtention d’un tapis de cellules.


tées chez l’homme souffrant de dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA). Cette maladie, qui conduit à une perte progressive de la vision, est la principale cause de cécité des plus de 55 ans dans les pays industrialisés. L’essai japonais vise à s’assurer de l’innocuité de ce type de thérapie – ou du moins, de l’absence de risques majeurs.

Choix des patients. Au Japon, la DMLA touche plus de 700 000 personnes, pour une population d’environ 127 millions d’habitants. « En France, plus d’un million de patients sont concernés, précise Olivier Goureau, de l’Institut de la vision, à Paris. L’incidence augmente avec l’âge : la DMLA concerne 10 % d’individus

Retrait de la zone endommagée

3

Greffe

 L’épithélium pigmentaire endommagé et les vaisseaux sous-jacents sont retirés chirurgicalement. La couche d’épithélium fabriquée in vitro est ensuite greffée à l’endroit laissé libre.

au-delà de 65 ans, 25 % au-delà de 75 ans, et 60 % au-delà de 90 ans. » Cette pathologie affecte la zone centrale de la rétine, la macula, responsable de l’acuité visuelle et indispensable pour conduire ou lire. « Avec l’âge, pour des raisons encore mal connues, la couche externe de la rétine se dégrade, détaille Olivier Goureau. Or cette couche externe, nommée épithélium pigmentaire, est nécessaire au bon fonctionnement de la macula adjacente, qui contient les cellules photosensibles. » Lorsque l’épithélium dégénère, les cellules photosensibles aussi, d’où la dégradation de la vision centrale [1]. Pour préserver la vision, l’une des approches envisagées consiste à retirer chirurgicalement l’épithélium déficient et à le remplacer par un épithélium pigmentaire intact produit in vitro. L’objectif de cette « thérapie cellulaire » est d’enrayer la dégénérescence des photorécepteurs. Dans l’essai japonais, la couche d’épithélium pigmentaire sera produite à partir de cellules iPS. Un autre essai, aux États-Unis, fait quant à lui appel à des cellules souches embryonnaires (lire « Un essai clinique avec des cellules souches embryonnaires », p. 10). Masayo Takahashi et ses collaborateurs du Riken mèneront leur étude sur six patients de plus de 50 ans atteints de la forme la plus grave de DMLA : la forme « humide », où la prolifération incontrôlée de vaisseaux sanguins sous la rétine finit par l’endommager. Il s’agira de patients malvoyants n’ayant pas réagi aux traitements actuels visant à enrayer la prolifération des vaisseaux. Le recrutement de ces patients a débuté dès le 1er août dernier, mais les transplantations d’épithélium pigmentaire rétinien ne seront pas effectuées avant l’été 2014. Pourquoi ce délai ? Parce que les cellules iPS seront obtenues à partir de cellules de peau prélevées chez chacun des patients. Cela présente l’avantage d’assurer une parfaite compa­tibilité immunologique des cellules iPS, et donc

Rafaële Brillaud, journaliste.

Par

des cellules d’épithélium rétinien, avec la personne greffée. Mais cela prend du temps, car le rendement de la reprogrammation des cellules de peau en cellules iPS est assez faible. Autre étape chronophage : l’obtention, à partir des cellules iPS, de cellules épithéliales rétiniennes en quantité suffisante. Heureusement, l’œil humain est un petit organe, qui ne nécessite donc pas beaucoup de cellules. De plus, « celles de l’épithélium pigmentaire rétinien sont relativement faciles à obtenir à partir de cellules iPS, précise Olivier Goureau. C’est d’ailleurs l’équipe de Masayo Takahashi qui y est parvenue pour la première fois il y a deux ans ». Mais même dans ce contexte plutôt favorable, l’ensemble de ces deux étapes devrait prendre dix mois environ.

Évaluation des risques. À l’avenir, lorsqu’un grand nombre de patients seront concernés, cette approche très personnalisée devrait être remplacée par le recours à des banques de cellules abritant des lignées de cellules iPS immunologiquement compatibles avec la plus grande partie de la population. Des banques, telles celle que Shinya Yamanaka est en train de constituer à Kyoto : d’ici 2020, elle >>>

L’essentiel >>Au Japon, six patients

souffrant d’une dégénérescence de la rétine vont subir une greffe d’épithélium rétinien.

>>Ce nouvel épithélium

s era fabriqué in vitro, à partir de cellules souches dites iPS, obtenues à partir de cellules de peau des patients.

>>C’est la première fois que des cellules iPS sont utilisées pour soigner des humains.

nº 479 • septembre 2013 | La Recherche • 9


actualités

Terre En bref Pollution au méthane Aux États-Unis, la pollution des aquifères situés près des sites d’extraction de gaz de schiste est confirmée. Une équipe américaine a analysé l’eau de 141 puits d’eau potable en Pennsylvanie et dans l’État de New York. Résultat : du méthane a été détecté dans 82 % d’entre eux. À moins d’un kilomètre des sites d’extraction, les concentrations en méthane atteignent 64  milligrammes par litre, soit six fois plus que la moyenne établie sur l’ensemble des puits. L’absence de fluides de forage innocente la technique de fracturation hydraulique utilisée. La pollution serait due à des défauts de cimentation des tubes de forages ou du cuvelage qui les entoure. S.G. Osborn et al., PNAS 108, 8172, 2013 ; R.B. Jackson et al., PNAS doi:10.1073/pnas.1221635110, 2013.

volcans affaissés Le séisme de magnitude 9 survenu le 11 mars 2011 au nordest du Japon a entraîné l’affaissement des volcans situés à 200 kilomètres de là, sur l’île de Honshu. C’est ce qu’ont montré des géophysiciens japonais en comparant les données radar fournies par le satellite ALOS avant et après la secousse. Le même phénomène s’est produit dans les volcans andins après le séisme de magnitude 8,8 du 27 février 2010. Dans les deux cas, l’affaissement atteint localement 15 centimètres. Ses causes restent à préciser. Y. Takada et Y. Fukushima, Nature Geoscience, doi:10.1038/ngeo1857, 2013 ; M.E. Pritchard et al., Nature Geo­ science, doi:10.1038/ngeo1855, 2013.

sur le web http://bit.ly/RechauffementWB La Banque mondiale évalue l’impact d’une hausse des températures de 2 à 4 °C sur l’agriculture et les ressources en eau, en Afrique et en Asie.

Le fer des océans monopolisé

par les diatomées ? Géo-ingénierie

Les diatomées, algues planctoniques, absorbent plus de fer qu’elles n’en ont besoin pour leur métabolisme.

P

our limiter le réchauffement climatique, certains ­scientifiques envisagent d’ensemencer les océans avec du fer. Le but ? Stimuler la croissance du phyto­plancton afin d’augmenter l’absorption du dioxyde de carbone via la photo­synthèse et, in fine, le séquestrer au fond de l’océan. L’idée est certes séduisante. Mais les expériences réalisées à ce jour pointent le faible rendement de cette opération. Celui-ci pourrait même être plus faible que prévu. Des chercheurs américains viennent en effet de montrer que les diatomées, algues microscopiques siliceuses qui sont les premières à proliférer en cas de fertilisation naturelle ou ­artificielle de l’océan, absorbent bien plus de fer qu’elles n’en ont besoin pour leur métabolisme, sans que l’on sache pourquoi, et le stockent [1]. Si bien que leur prolifération pourrait paradoxalement appauvrir le milieu en fer et limiter la séquestration du dioxyde de carbone. Le cycle du fer dans l’océan est mal connu. « Jusqu’à présent, on pensait que cet élément nutritif, apporté entre autres sous la forme de poussières véhiculées par les vents, disparaissait rapidement des eaux de surface pour être transféré vers le fond. Soit parce qu’il était ingéré

16 • La Recherche | septembre 2013 • nº 479

100 micromètres Ces diatomées,algues microscopiques qui nagent au large de ­l’Antarctique (vues ici au microscope optique), absorbent du fer ­qu’elles stockent dans leur coque siliceuse. © Dr. Karen E. Selph/ Univ. of Hawaii, Manoa

par les micro-organismes pour leur métabolisme et exporté vers le fonds avec leurs cadavres ; soit parce qu’il sombrait avec les particules sur lesquelles il était absorbé », explique Stéphane Blain, du laboratoire ­d’océanographie microbienne de Banyuls-sur-Mer, dans les Pyrénées-Orientales. Mer de Ross. Mais Ellery Ingall, de l’Institut de technologie de Géorgie, aux États-Unis, et ses collègues ont montré qu’un troisième mécanisme existe. Entre 2008 et  2009, ces chercheurs ont prélevé à plusieurs reprises du phytoplancton en mer de Ross, au large de l’Antarctique de l’ouest. Grâce à des techniques sophistiquées d’imagerie basée sur l’utilisation des rayons X, ils ont ensuite cartographié la répartition des atomes de fer et de silicium au sein des différentes espèces collectées. Résultat : si toutes contiennent du fer dans leurs cellules, les diatomées ont aussi la particularité d’en stocker dans leur coquille siliceuse. À leur mort, ce fer est entraîné avec

les coquilles en profondeur. Ellery Ingall et ses collègues estiment que 11  micromoles de fer disparaissent ainsi chaque année par mètre carré. « Soit une quantité du même ordre de grandeur que les apports naturels de fer en mer de Ross. Ce qui est loin d’être négligeable », commente Stéphane Blain. Les floraisons de diatomées contribuent ainsi à appauvrir les eaux superficielles en fer. Mais cet appauvrissement peut-il compromettre le développement des autres espèces planctoniques comme l’affirment les chercheurs américains ? Et donc la séquestration du dioxyde de carbone ? « Les diatomées prolifèrent effectivement plus vite que les autres espèces en réponse à un apport en fer. Cependant, après cette phase, d’autres espèces devraient prendre le relais… sauf si les diatomées ont épuisé le fer. L’hypothèse est intéressante, mais encore faut-il la vérifier », conclut l’océanographe français. n Fabienne Lemarchand [1] E.D. Ingall et al., Nature Communications, doi :10.1038/ ncomms2981, 2013.


Séismes La croûte terrestre n’est pas partout aussi fragile François Cornet est géophysicien à l’institut de physique du globe de Strasbourg. Une étude vient de montrer qu’un séisme de forte magnitude peut générer de petits séismes à plusieurs centaines de kilomètres [1]. Qu’est-ce que cela implique ? F.C. Nicholas J. van der Elst, de l’université Columbia, aux États-Unis, et ses collègues apportent de nouvelles preuves en faveur de la théorie géophysique affirmant que certaines zones de la croûte terrestre seraient plus stables que d’autres, selon leur localisation. Cette théorie s’oppose à une autre pour laquelle la croûte terrestre est proche de la rupture en tout point du globe :

en cas de sollicitation sismique, toutes les zones réagiraient de la même façon. Quelle a été leur approche ? F.C. On sait déjà que des injections de fluide dans le sous-sol mènent à une augmentation de l’activité sismique. Ces géophysiciens ont analysé des mesures de l’activité sismique dans plusieurs régions du Mid-Ouest américain, où l’augmentation du nombre de séismes est liée à ces injections en sous-sol, pour la géo­thermie et l’extraction de gaz. Ils se sont ainsi aperçus que certains microséismes sont déclenchés naturellement, par les ondes issues de séismes lointains de très forte magnitude, comme celui qui a ébranlé le Japon en 2011. Pour les auteurs, ces microséismes déclenchés à distance sont symptomatiques d’une instabilité locale. D’où l’idée de les mesurer afin de localiser les zones susceptibles d’être le siège

de forts séismes lors d’injections d’eau dans les sous-sols. Quels résultats ont-ils obtenu ? F.C. Ces séismes lointains de forte magnitude n’ont pas le même effet partout. Ils sont davantage susceptibles de déclencher des microséismes dans les zones de faille situées près des sites d’injections de fluide dans le sous-sol. Parmi ces sites, les plus sensibles sont ceux qui sont en activité depuis plus d’une dizaine d’années et autour desquels l’activité sismique est par ailleurs faible. De façon indirecte, l’étude montre donc que certaines zones sont plus stables que d’autres. Quelles sont les consé­ quences de cette étude ? F.C. La connaissance de ce phénomène pourrait permettre de quantifier les risques d’avoir un séisme important à proximité des sites d’injections de fluide dans le sous-sol. Ce qui représente un enjeu

énergétique (stockage de dioxyde de carbone en soussol, géothermie, etc.). Pour autant, la question du risque n’est pas simple : les zones apparemment les plus instables ne sont pas nécessairement les plus dangereuses. Si l’on prend l’exemple de la faille des Philippines, c’est frappant. Sur l’île de Leyte, aux Philippines, elle bouge de plus de 2 centimètres par an et libère de façon continue de l’énergie sans qu’aucun séisme local ne dépasse une magnitude de cinq. Plusieurs centaines de kilomètres plus au nord, elle est « coincée » et produit très peu de séismes, mais ils sont beaucoup plus violents, de magnitude supérieure à sept. Trouver une manière de quantifier l’instabilité et le risque sismique associé continue de représenter un vrai défi. n Propos recueillis par Gautier Cariou [1] N.J. van der Elst et al., Science, 341, 164, 2013.

  L’Antarctique mis à nu zoom

© nasa’s goddard space flight center

© dr

Questions à l’expert

Voilà le visage du continent Antarctique, une fois débarrassé de son épaisse carapace de glace. Cette nouvelle carte est la plus précise à ce jour. Elle a été réalisée par une équipe internationale à partir de plus de 25 millions de données fournies par les satellites et la sismologie. On découvre un paysage complexe fait de montagnes et de plaines entaillées par des gorges et des vallées profondes. Le point le plus bas de ­l’Antarctique (et de tous les continents) se trouve sous le glacier Byrd, sur terre Victoria, à 2 870 mètres sous le niveau de la mer. Cette nouvelle carte a aussi permis de réévaluer, par différence, le volume de la calotte : 27 millions de kilomètres cubes, soit 4,6 % de plus que les estimations précédentes. P. Fretwell et al., The Cryosphere, 7, 375, 2013 nº 479 • septembre 2013 | La Recherche • 17


actualités

Vie Un sucre devenu amer Les blattes Blatella germanica raffolent généralement du sucre. Pourtant, depuis une dizaine d’années, certaines évitent les pièges contenant à la fois de l’insecticide et du sucre pour les attirer. Des entomologistes américains viennent de comprendre pourquoi. Chez les blattes ordinaires, l’activation de neurones gustatifs sensibles au sucré provoque l’envie de consommer les aliments tandis que celle des neurones percevant l’amertume provoque leur rejet. Or chez les blattes qui évitent le sucre, la réponse cellulaire s’est modifiée : la détection de sucre supprime dorénavant la réponse des neurones du sucre et active celle des neurones de l’amer. A. Wada-Katsumata et al., Science, 340, 972, 2013.

Moins d’insectes aquatiques Les pesticides réduisent la diversité des insectes et des invertébrés aquatiques. C’est la conclusion à laquelle a abouti une équipe ­germano-autralienne en comparant les niveaux de contamination de différents cours d’eau et leur richesse en invertébrés aquatiques. En Europe, les rivières très contaminées contiennent 42 % d’espèces en moins par rapport aux cours d’eau non pollués. Les mouches éphémères et les libellules sont les plus touchées. Des effets observés alors que la pollution se situe sous les limites réglementaires. M. Beketov et al., PNAS, 110, 11039, 2013.

sur le web http://tinyurl.com/UICNgestion-des-AMP Les propositions de l’Union internationale pour la conservation de la nature et du WWF pour mieux évaluer la gestion des aires marines protégées en Méditerranée.

Przewalski, dernier des chevaux Paléontologie

Le séquençage du génome d’un cheval daté de 560 000 à 780 000 ans confirme que les chevaux de Przewalski ne se sont pas mélangés récemment avec des lignées domestiques.

L

e cheval de Przewalski a été déclaré éteint dans la nature en 1960 : on n’en connaissait alors plus qu’une quinzaine de spécimens, dispersés dans des zoos. Aujourd’hui, grâce à un effort de reconstitution de l’espèce, quelques milliers d’individus vivent en Mongolie et dans le nord de la Chine. Mais des doutes subsistaient sur l’intégrité de leur patrimoine génétique. Certains de leurs ancêtres s’étaient-ils mélangés avec des chevaux domestiques ? L’analyse du génome d’un spécimen ainsi que celle du génome d’un cheval fossile de plus de 560 000 ans permettent de répondre négativement à cette question [1]. Ludovic Orlando, généticien à l’université de Copenhague, au Danemark, et ses collègues ont bénéficié d’une découverte heureuse. En 2003, sur le site nord-canadien de Thistle Creek, des paléontologues ont mis au jour un fragment de métapode, os long provenant de la jambe d’un ­cheval, enfoui dans des couches de terrain gelé et datées de 560 000  à 780 000  ans. Protégé par le froid, le fragment n’était pas complètement fossilisé et contenait assez d’ADN équin pour que son analyse soit significative.

20 • La Recherche | septembre 2013 • nº 479

Ces chevaux de Przewalski, qui vivent à l’état sauvage en Mongolie, n’auraient pas d’ascendance domestique, selon le séquençage de l’ADN d’un individu et de l’ADN d’un os de cheval fossile de plus de 560 000  ans (ci-­contre). © gerard lacz/age fotostock

Après avoir isolé le matériel génétique,lespaléogénéticiens en ont extrait 12 milliards de morceaux d’ADN. Tout petits, ils correspondaient à l’enchaînement de 25 à 80 nucléotides, unités de base de la molécule. « Nous avons travaillé en comparant ces morceaux d’ADN aux séquences connues d’un génome équin de référence. Et grâce aux similitudes trouvées, nous avons reconstitué près de 70 % du génome du cheval paléolithique », explique Ludovic Orlando.

Pour profiter pleinement de ces données dans la compréhension de l’évolution génétique des chevaux, les généticiens ont aussi séquencé un âne (dont la lignée s’est séparée de celle des chevaux il y a plus de 4 millions ­d’années), un autre cheval fossile de 43 000  ans, cinq variétés domestiques actuelles, et un cheval de Przewalski mort récemment dans un zoo danois. Les génomes anciens ont d’abord ­permis de préciser le rythme de « l’horloge

  La vie marine du plastique zoom

Ces micro-organismes ont été photographiés au microscope électronique à la surface d’un débris de plastique de moins d’un millimètre de long dérivant dans l’Atlantique Nord. Parmi eux, on observe des cellules végétales comme ces algues en forme de capsules, des diatomées, mais aussi des cellules animales, dont certaines sont colonisées par des bactéries symbiotiques comme ce Suctoria cilié (la grosse cellule centrale). Par ­séquençage génétique, plus de 1 000 ­espèces bactériennes différentes ont été identifiées. S’accumulant dans les fissures du plastique, certaines d’entre elles seraient responsables de sa dégradation. E. Zettler et al., Env. Sci & Tech., 47, 7137, 2013.

© l. orlando/nhm of denmark, univ. of copenhagen

En bref


sauvages moléculaire », c’est-à-dire la vitesse à laquelle s’accumulent les mutations dans ces lignées. Ludovic Orlando et ses collègues en ont déduit que les populations dont sont issus les chevaux de Przewalski actuels d’une part, et les chevaux domestiques d’autre part, se

Les tests statistiques réalisés dans ce but nécessitent en effet de disposer d’un génome externe aux lignées que l’on étudie. Et la proximité évolutive de ce cheval ancien rend les tests moins sensibles aux inévitables erreurs de séquençage que lorsqu’on utilise l’âne comme référence. Enfin, malgré l’effondrement démographique subi par les

sont séparées il y a 38 000 à 72 000 ans. La population globale de chevaux était alors près de son effectif maximal, selon d’autres analyses. Génome de référence. Ensuite, le génome de Thistle Creek a permis de vérifier l’absence de mélange entre la lignée de Przewalski et les lignées domestiques étudiées.

chevaux de Przewalski dans la nature et la consanguinité des individus actuels, leur génome conserve une diversité étonnante. Elle est comparable à celle mesurée chez les chevaux domestiques, ce qui, d’après les chercheurs, est synonyme de viabilité à long terme pour l’animal.  n Luc Allemand, avec Caroline Depecker [1] L. Orlando et al., Nature, 499, 74, 2013.

Océanographie  Les microbes des sédiments marins

ne vivent pas au ralenti

Bénédicte Ménez est responsable de l’équipe géobiologie actuelle et primitive à l’Institut de physique du globe de Paris. Selon des biologistes américains, les microbes piégés dans les sédiments marins seraient bien actifs et se reproduiraient. Est-ce surprenant ? B.M. La présence de vie microbienne est identifiée à peu près partout dans les sédiments marins jusqu’à

plus de 1 500 mètres de profondeur sous le plancher océanique. Mais son statut restait jusqu’à maintenant une question en suspens. Ces micro-organismes viventils au ralenti, presque en dormance, ou sont-ils bien vivants comme le ­suggéraient des études ponctuelles ? Ce second cas semble être le bon. William Orsi, de l’institut océanographique de Woods Hole et Jennifer Biddle, de l’université du Delaware, aux ÉtatsUnis, le montrent aujourd’hui. Ils ont mesuré les activités métaboliques de communautés microbiennes anaérobies, constituées de champignons, de bactéries et d’archées 10 micromètres

© erik zettle, sea education association

© dr

Questions à l’expert

(des mono­cellulaires sans noyaux, comme les ­bactéries), enfouies dans des sédiments océaniques situés à 150 mètres sous la surface de l’eau, au large des côtes ­péruviennes. Résultat : ces microbes dégradent la matière organique et se multiplient aussi par division cellulaire [1]. Comment cette activité a-t-elle été mesurée ? B.M. Grâce à l’analyse de l’expression génétique. Les biologistes ont prélevé des échantillons de sédiments dans des carottes réalisées entre 5 et 150 mètres de profondeur sous la surface du plancher océanique. Puis ils ont extrait et analysé les molécules d’ARN contenues dans ces échantillons. Produites au sein des cellules lorsque l’ADN est exprimé, ces molécules d’ARN traduisent le fait que les microbes sont actifs. De plus, leur nature renseigne sur le type de métabolisme mis en œuvre. Que sait-on de ce métabolisme ? B.M. En l’absence ­d’oxygène, les champignons, les bactéries et les archées vivant en profondeur dans les sédiments utilisent comme

source de carbone les sucres, les lipides ou les acides aminés présents autour d’eux. Ils produisent l’énergie dont ils ont besoin en réduisant des s­ulfates. Surtout, ces micro­organismes se multiplient, et la présence de plusieurs molécules d’ARN impliquées dans les processus de division cellulaire le prouve. Cette activité microbienne est-elle importante ? B.M. Ces analyses le suggèrent en effet. Cette activité doit avoir une incidence sur les équilibres biogéochimiques qui caractérisent ces sédiments. Les modèles actuels décrivant ces équilibres ne prennent pas ou peu en compte la capacité des micro-organismes à mobiliser le carbone, le soufre ou l’azote dans ces environnements. Or on voit que l’activité des micro-organismes va changer l’état chimique de ces éléments et donc avoir un rôle tout au long de leur cheminement vers les océans ou la Terre profonde à l’échelle des millions d’années. Ces nouvelles données nécessitent que nous repensions nos modèles. n Propos recueillis par Caroline Depecker [1] W. Orsi et al., Nature, 499, 205, 2013.

nº 479 • septembre 2013 | La Recherche • 21


savoirs

Dossier

© MPE/V. Springel

Énergie noire :

Cette simulation montre trois étapes de l’évolution de l’Univers, âgé de 0,9, 3,2 et 13,7 milliards d’années. Des structures s’y forment d’abord sous l’effet de la gravité puis, de plus en plus, sous l’influence répulsive de l’énergie noire. 36 • La Recherche | septembre 2013 • nº 479


pourquoi l’Univers accélère

L

énergie noire, constituant principal de l’Univers, est invisible, et sa nature fait l’objet de nombreuses hypothèses. Cela n’empêche pas les astrophysiciens de l’étudier. On sait qu’elle est responsable de l’accélération de l’expansion de l’Univers. Pour en rendre compte de la façon la plus pertinente, les théoriciens explorent des modèles très divers. Mais ils ont d’autres limites que celle de leur imagination : ils doivent tenir compte des observations, de plus en plus précises. Celles-ci s’accumulent, et continueront de le faire, grâce à plusieurs programmes spécifiques. Nous ne comprenons pas encore en détail les lois qui régissent notre étrange Univers. Mais la recherche progresse à grands pas, comme ce dossier permet de le découvrir.

1 La constante cosmologique prend une nouvelle dimension par Vincent Glavieux

2 Quatre méthodes d’observation  ar Luc Allemand, avec Olivier Le Fèvre, astronome p à l’observatoire d’astrophysique de Marseille

3 Le mètre étalon de l’expansion cosmique par Antoine Cappelle nº 479 • septembre 2013 | La Recherche • 37


savoirs

>>Énergie noire • 1

1 • La constante cosmolo une nouvelle dimension Et s’il existait une quatrième dimension d’espace, si petite que nous ne pourrions pas la voir ? Cette proposition théorique expliquerait l’origine de l’énergie noire qui accélère l’expansion de l’Univers. Et on peut la tester ! par Vincent

Glavieux, journaliste

à La Recherche.

Q

u’est-ce que l’énergie noire ? La question n’est pas près d’être résolue. Malgré la détermination des physiciens, la nature de cette énergie, qui constituerait près de 70 % de la densité d’énergie de l’Univers, et qui serait responsable de l’expansion accélérée de celui-ci depuis environ 5 milliards d’années, reste inconnue. Encore et toujours. Pourtant, on ne compte plus les hypothèses théoriques proposées depuis 1998, année de sa découverte. Sur arXiv, site de prépublication libre en ligne, plus de 3 000 articles scientifiques sur l’énergie noire ont été déposés depuis cette date ! Et la difficulté des observations ne simplifie pas les choses : elle ne permet pas de trancher entre les différentes hypothèses. Certains modèles, malgré tout, proposent une solution (presque) immédiatement testable par l’ex-

L’essentiel >>L’existence d’une constante cosmologique, liée à la densité d’énergie du vide quantique, est l’une des principales hypothèses pour rendre compte de l’énergie noire qui accélère l’expansion de l’Univers. >>Mais la valeur calculée par les physiciens des particules est beaucoup trop importante comparée aux observations des astronomes.

>>Une solution théorique du problème vient d’être proposée, fondée sur la diffusion de la gravitation dans une dimension supplémentaire de l’espace, repliée sur elle-même et de taille microscopique.

38 • La Recherche | septembre 2013 • nº 479

périence. C’est le cas de celui présenté récemment par trois physiciens français : Alain Blanchard, de l’Institut de recherche en astrophysique et planétologie, Arnaud Dupais, du laboratoire collisions, agrégat et réactivité, tous deux à Toulouse, et Brahim Lamine, du laboratoire Kastler-Brossel, à l’École normale supérieure de Paris. Selon leur modèle, l’énergie noire serait liée à l’énergie du vide. « Elle serait la manifestation de l’effet gravitationnel du vide quantique présent dans une quatrième dimension de l’espace qui n’est pas directement accessible à nos sens », résume Alain Blanchard [1].

Univers statique. De modèle, il en est déjà question en 1917. Albert Einstein travaille alors à construire le premier modèle cosmologique fondé sur sa théorie de la relativité générale, proposée deux ans plus tôt pour décrire la gravitation. Comme la plupart de ses contemporains, et dans la tradition de la physique newtonienne, il est convaincu que l’Univers est éternel, statique et immuable. Ce qui est d’ailleurs confirmé par l’observation des étoiles de la Voie lactée – les seules que l’on parvient à étudier à l’époque. Cependant, cette hypothèse est en contradiction avec les équations de la relativité générale telles qu’il les a formulées. Afin de résoudre cette incohérence, et de faire correspondre sa théorie avec les observations, il introduit dans ses calculs un paramètre supplémentaire, qu’il baptise la « constante cosmologique ». Celle-ci agit comme une matière dont le champ de gravitation serait répulsif ; elle équilibre les effets de la gravitation, qui, elle, fait se rapprocher les amas de matière les uns des autres. Cette constante est toutefois bien vite bousculée. Un premier coup de boutoir est asséné dès le début des années 1920 par un jeune physicien russe, Alexander Friedmann. Dans deux articles, publiés en 1922 et 1924, il démontre que l’expansion de l’Univers est la seule solution pour rendre compte du fait que l’Univers ne se soit pas déjà effondré sous l’effet de la gravitation. Il décrit trois types d’évolution dans le temps de l’Univers. Le premier type, c’est un Univers fini : une fois qu’il atteindra sa densité critique, il arrê-


gique prend tera son expansion et commencera à se contracter. Le deuxième, c’est celui où la densité de l’Univers est égale à sa valeur critique : l’expansion de l’Univers ralentira, jusqu’à s’arrêter au bout d’un temps infini. Le dernier type, c’est le cas où l’Univers est infini, avec une densité inférieure à la valeur critique : dans cette situation, l’expansion de l’Univers ralentit aussi, mais ne s’arrête jamais.

Signature cosmologique. Puis, en 1927, le Belge Georges Lemaître porte un nouveau coup à la théorie de l’Univers statique. Il aboutit, indépendamment de Friedmann, aux mêmes conclusions : les solutions cosmologiques de la relativité générale ne peuvent pas être statiques, l’espace doit donc être en expansion. Il prédit aussi une « signature cosmologique » de cette expansion – le décalage vers le rouge : plus une galaxie est lointaine, plus son spectre lumineux est décalé vers le rouge, c’est-

à-dire vers les longueurs d’onde les plus grandes, à cause de l’effet Doppler*. C’est justement ce que vérifie, au cours de ses observations, l’Américain Edwin Hubble, à la même époque. L’astronome dispose du télescope Hooker, alors le plus performant, qui se trouve en Californie. Il s’en sert pour mesurer la distance entre la Terre et des étoiles géantes, bien plus lumineuses que le Soleil : les céphéides. Grâce à la mesure de ces objets cosmologiques qui se situent dans d’autres galaxies, il déduit que, plus une galaxie est lointaine, plus la vitesse à laquelle elle s’éloigne de nous est grande. Autrement dit : Hubble apporte la preuve expérimentale que l’Univers est en expansion. Dès lors, la constante cosmologique perd sa raison d’être. En 1931, Einstein, après avoir tant et plus retardé l’échéance, finit par la rejeter. Dans les décennies qui suivent, la constante cosmo­logique refait surface de manière >>>

*L’effet Doppler

est le décalage de fréquence d’une onde entre la mesure à l’émission et la mesure à la réception, lorsque la distance entre l’émetteur et le récepteur varie au cours du temps.

Fig.1  L’expansion de l’Univers à vitesse variable

Présent

Gravité

Énergie noire

Matière ordinaire 4,8 % Matière noire 25,8 %

© infographie bruno bourgeois

5 milliards d’années

Il y a 13,82 milliards d’années, juste après le Big Bang, l’Univers a connu une phase de croissance extrêmement rapide, l’inflation. Puis son expansion s’est poursuivie plus lentement, la gravité (flèches orange) tendant à concentrer la matière. Il y a environ 5 milliards d’années, cette dernière s’est toutefois retrouvée assez diluée pour que la force répulsive de l’énergie noire (flèches violettes) devienne prépondérante et accélère l’expansion.

Énergie noire 69,4 %

13,82 milliards d’années

La matière ordinaire, celle que nous connaissons, ne constitue aujourd’hui que 4,8% de l’Univers. Celui-ci contient surtout de l’énergie noire, pour 69,4%, et de la matière noire, pour 25,8%. Leur nature fait l’objet de nombreuses hypothèses. nº 479 • septembre 2013 | La Recherche • 39


savoirs

Anthropologie

La quête illusoire du chaînon manquant Les paléoanthropologues présentent chacun des fossiles qu’ils découvrent comme une étape dans la lignée humaine. Mais c’est ignorer la façon dont les connaissances progressent dans ce domaine.

par Richard Delisle, paléoanthropologue et philosophe des sciences, professeur à l’université de Lethbridge, au Canada. richard.delisle@uleth.ca

E

n avril 2013, Lee Berger, d e l ’ u n ive r s i t é du Witwatersrand, en Afrique du Sud, a présenté de façon scientifiquement détaillée Australopithecus sediba, hominidé qui vivait dans ce pays il y a environ 2 millions d’années. À cette occasion, comme en 2010 lors de la première présentation des fossiles, il a défendu l’idée que ce pourrait être l’espèce tant recherchée qui a donné naissance au genre

Homo [1].En d’autres termes, Lee Berger dit qu’il croit avoir découvert le chaînon manquant à la source du genre auquel appartient l’homme moderne. Australopithecus sediba n’est que la dernière en date des découvertes annoncées en paléoanthropologie, qui ont été particulièrement nombreuses depuis vingt-cinq ans. On peut citer aussi Ouranopithecus, Sahelanthropus, Orrorin, Ardipithecus, Kenyanthropus, Australopithecus garhi,


ka

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Allemagne

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Piltdown, Galley Hill Neandertal, Mauer

France Fle

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Italie Grimaldi

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Cro-Magnon, Moulin-Quignon, Combe-Capelle, Chancelade

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PACIFIQUE

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OCÉAN ATLANTIQUE

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INDIEN

Wadjak, Pithécanthrope Île de Java

Rhodésie Tropique du Capricorne

Afrique du Sud Boskop

Australie Talgaï

2 000 km

Homo ­antecessor. La diversité de formes à mettre au compte de nos ancêtres est grande ! Et c’est bien là tout le problème, puisque toutes ces formes ont sans exception été présentées par leurs découvreurs respectifs comme de probables ancêtres directs de l’homme moderne, des chaînons manquants. Faut-il vraiment croire que tous ces chercheurs ont eu la bonne fortune de découvrir un ancêtre direct de l’homme et non une forme collatérale ?

Multiplication des hypothèses.

Une chose est sûre, l’application de cette stratégie par les découvreurs ne facilite pas la compréhension du champ de l’évolution humaine par le grand public. En outre, et c’est sans doute plus problématique, ce domaine scientifique est réellement construit sur un mythe : celui d’une perpétuelle Lee Berger, qui a découvert Australopithecus sediba (exposé ici à Berlin en 2012), le présente comme un ancêtre fort probable du genre Homo : un « chaînon manquant » dans notre évolution. © THEO HEIMANN/AP/SIPA

quête de ­chaînons manquants comme moteur principal de l’avancement des connaissances. Pourtant, cette quête compte peu dans le développement de la discipline. L’étude de la paléoanthropologie, depuis sa fondation au XIXe siècle, démontre sans ambiguïté que son développement est marqué par la multiplication des hypothèses concurrentes, dont certaines sont tout à fait étonnantes, et que cette diversité de points de vue ne cède lentement que sous le poids de l’inexorable accumulation des découvertes. Ainsi, le progrès en paléoanthropologie procède davantage de l’élimination des mauvaises hypothèses que de la formulation de la bonne solution. Les paléoanthropologues éprouvent souvent une petite gêne vis-à-vis de l’idée de chaînon manquant. Mais ce n’est que pour mieux la réintroduire sous une forme à peine dissimulée. Ainsi, en 1990, selon ceux qui l’avaient découvert en Grèce, Ouranopithecus macedoniensis, daté de 9 ou 10 millions d’années, était un hominidé très ancien offrant un meilleur type morphologique ancestral aux hominidés plus récents (Australopithecus, Homo) que d’autres candidats potentiels  [2]. Le Tchadien

Sahelanthropus ­tchadensis, surnommé Toumaï et daté à 6 ou 7 millions d’années, a été décrit en 2002 comme l’hominidé le plus ancien connu dont la conformation morphologique indiquerait une position généalogique proche de l’ancêtre commun à l’homme et au chimpanzé  [3]. Un an plus tôt, Orrorin tugenensis était également présenté comme un hominidé vieux de 6 millions d’années, et l’équipe qui l’avait découvert au Kenya, défendait sans >>>

L’essentiel >>Les découvreurs de chaque

nouvel hominidé fossile qualifient celui-ci plus ou moins directement de « chaînon manquant » dans la lignée de l’évolution humaine.

>>Pourtant, c’est l’accumulation  es découvertes qui fait d progresser la compréhension de cette dernière.

>>Aujourd’hui,contrairement aux apparences, il y a un fort consensus sur les aspects essentiels de cette évolution.

nº 479 • septembre 2013 | La Recherche • 51

© légendes cartographie

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La plupart des hominidés  fossiles découverts avant 1930 sont récents à l’échelle de l’évolution humaine. Les plus anciens sont le Sinanthrope, découvert en Chine, et le Pithécanthrope, découvert à Java, qui ont depuis été reclassés dans l’espèce Homo erectus. Les fossiles de Piltdown et de Moulin-Quignon étaient des canulars, ossements récents introduits dans des couches archéologiques, et ne sont plus pris en compte, sans que cela ait beaucoup de conséquences.

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hominidés découverts avant 1930


La Recherche n°479 - Energie noire