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n° 474 avril 2013 Quand la matière émerge du vide

MENSUEL doM 6,70 € bEL 7,20 € LUx 7,20 € d 7,90 € ESp 7,20 € gr 7,20 € ita 7,20 € port.coNt 7,20 € caN 10,50 $ caN ch 12,40 fS Mar 60 dh tUN 6,10 tNd MayottE 8,70 € toM SUrfacE 920 xpf toM aVioN 1600 xpS - iSSN 002956711

la recherche

n° 474 • 6,20 € avril 2013

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L’actualité des sciences

Recherche Recherche Quand la matière Recherche émerge A

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Recherche

du

vide

La physique quantique à l’épreuve des expériences

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actualités

rie

par es

La transplantation fécale pour soigner les intestins

Recherche

Soigner une grave infection intestinale en injectant des selles de donneurs sains dans l’intestin des malades se révèle nettement plus efficace qu’un traitement par antibiotiques.

Éditorial 6 Courrier 3

nnn 18 Mathématiques

4 Introduction de selles

12 astres

a trouvé la source des rayons cosmiques > Observation : des tresses magnétiques pour chauffer la couronne du Soleil

Recherche

> On

nnn 14 Matière > Une

usure réalisée atome par atome > Physique : des nanobulles trop stables pour leur petite taille

nnn 16 Terre

n° 474 avril 2013 La Recherche est publiée par Sophia publications, filiale d’Artémis. En couverture : © RICHARD KAIL/SPL/ COSMOS - JAMES KIng HOLMES / SPL / COSMOS

Offre d’abonnement : p. 95 Ce numéro comporte un encart La Recherche sur les ventes France et export (hors Belgique et Suisse) ; un encart Edigroup (ventes Belgique et Suisse).

4 • La Recherche | avril 2013 • nº 474

> La

glace du Groenland a résisté à quelques degrés de plus > Sismologie : un forage profond au large du Japon

5 Une flore intestinale

nnn 26 Populations

> Géométrie sur est reconstituée,> L’altruisme diversifiée

et Clostridium difficile des ensembles disparaît de points isolés

nnn 20 vie

des enfants étudié lors d’un séisme

nnn 28 Santé

> Les

abeilles sauvages, reines de la pollinisation > Longévité : des bactéries qui aident à vivre plus longtemps nnn

22 archéologie

> Parasitologie :

la leishmaniose cutanée traitée simplement > Une thérapie génique contre le cancer du foie nnn 30 Technologie > La

rigidité des combustibles nucléaires examinée au microscope > Énergie : la nature du carbone joue sur l’efficacité des supercondensateurs

Recherche

nnn

diluées dans le duodénum du malade par une sonde nasale

A

A

dium difficile

l’événement

8

A

estin colonisé Clostridium cile

Mise en solution dans de l‘eau salée

> Les

Mongols, orfèvres et sédentaires > Agriculture : l’olivier a été façonné au Proche-Orient

nnn 24 Cerveau

A

Recherche

s

> La

frappe sur clavier entraîne des difficultés à lire

32 À surveiller 34 acteurs

www.larecherche.fr POuR RecheRcheR

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savoirs 36 Dossier

38

idées

Quand la matière émerge du vide

Marc Lachièze-Rey : « Le statut du vide pose problème » Propos recueillis par Vincent Glavieux

42

Un trou blanc au laboratoire Par Vincent Glavieux, avec Silke Weinfurtner

44

Le vide n’est pas vide Par Bernard Romney

74 L’entretien du mois

avec Dominique Pestre

« Les sciences ne sont pas les seuls savoirs décisifs dans les débats publics » Propos recueillis

par nicolas Chevassus-au-Louis

78 Déchiffrage 50 Santé

XMRV : un virus accusé de tous les maux Par Sylvie Sargueil

54 Climatologie

Le dernier réchauffement climatique

Par Édouard Bard

58 Paléontologie

Le régime varié des australopithèques

Par Vincent Balter

62 Portrait Philippe Froguel

« La recherche française reste trop recroquevillée sur ses vieilles gloires » Par Stéphane Barge

2,1 ou 2,8 enfants par famille en France Par Hervé Le Bras

79 Le grand débat

Sommes-nous entrés dans l’Anthropocène ? Avec Jan Zalasiewicz et Philip Gibbard

83 Question d’éthique

Un accord international contre le mercure Par Cécile Klingler

86 L’invitée Catherine Frot

Je ne suis pas scientifique mais… Propos recueillis par Lise Loumé

92 Histoire de science

Les origines de l’écho Par Marie-Christine de La Souchère

65 Cahier spécial

« Ouvert sur l’industrie » Réalisé avec le soutien de l’université Paris-Sud.

87 Les livres 96 L’agenda 98 Curiosités nº 474 • avril 2013 | La Recherche • 5


actualités

L’événement

La transplantation fécale pour soigner les intestins Soigner une grave infection intestinale en injectant des selles de donneurs sains dans l’intestin des malades se révèle nettement plus efficace qu’un traitement par antibiotiques. Par

Jean-Philippe Braly, journaliste scientifique.

Bactéries

1 La flore

Sonde nasale

intestinale est normale Prélèvement de selles d‘un donneur sain

Antibiotiques

2 La flore

Mise en solution dans de l‘eau salée

intestinale est appauvrie après un traitement par antibiotiques

3 L‘intestin

est colonisé par Clostridium difficile

Clostridium difficile

4 Introduction de selles diluées dans le duodénum du malade par une sonde nasale

5 Une flore intestinale

diversifiée est reconstituée, et Clostridium difficile disparaît

De nomBreux Patients entrant à l’hôpital avec une flore intestinale normale diversifiée (1) subissent des traitements par antibiotiques qui appauvrissent celle-ci (2). La bactérie Clostridium difficile colonise alors leur intestin (3), provoquant diarrhées, vomissements et fièvre. L’injection dans le duodénum de selles d’un donneur sain diluées dans de l’eau salée (4) permet de réintroduire une grande diversité de bactéries. Dans la plupart des cas, une flore intestinale normale est reconstituée après quelques semaines (5). 8 • La Recherche | avriL 2013 • nº 474


l’essentiel > Injecter les selles d’un

© INfOGrAPhIe SyLvIe deSSert

donneur sain dans l’intestin de malades est plus efficace que la prise d’antibiotiques contre une grave infection.

> la dIversIté mIcrobIenne de la flore intestinale est ainsi rétablie. > la technIque est en cours

d’amélioration, notamment par l’étude des effets de cultures in vitro de bactéries intestinales.

1 micromètre

La bactérie intestinale Clostridium difficile (en jaune) cause de nombreux décès à l’hôpital. Plusieurs souches sont résistantes aux antibiotiques. L’équipe néerlandaise s’est attaquée à un problème de santé public majeur : l’infection du côlon par la bactérie intestinale Clostridium difficile. Celle-ci provoque de graves crises de diarrhées, parfois accompagnées de vomissements à répétition et de fortes fièvres. Depuis une dizaine d’années, le nombre et la sévérité des cas ne cessent de croître, à cause de souches de plus en plus virulentes et qui résistent à un nombre croissant d’antibiotiques. Aujourd’hui, près de 25 % des malades ont une infection récurrente, et celle-ci est devenue une cause majeure de décès à l’hôpital.

Reconstituer la flore intestinale.

Pourquoi s’attaquer à Clostridium difficile en injectant des selles étrangères aux malades ? La colonisation de l’intestin par cette bactérie survient la plupart du temps après la prise d’antibiotiques pour soigner une autre infection. Ceux-ci perturbent l’équilibre naturel de la flore intestinale, que l’on nomme le microbiote. Or, de plus en plus d’études le confirment : cette flore est indispensable au bon fonctionnement de l’organisme. Parmi ses nombreux rôles, elle participe activement à la réduction du risque de colonisation par des bactéries pathogènes, notamment en occupant l’espace dans

l’intestin et en s’accaparant les nutriments disponibles. Certaines bactéries vont même jusqu’à synthétiser des composés antimicrobiens ; d’autres stimulent le système immunitaire. Conséquence, les pathogènes, tel Clostridium difficile, ont du mal à s’implanter. D’où l’idée de remplacer le microbiote déficient des malades par celui d’un donneur sain. Et les selles de celui-ci en constituent un échantillon représentatif : elles contiennent près de 100 milliards de bactéries intestinales par gramme. Certes, une partie des bactéries anaérobies* de l’intestin meurent en passant à l’air ambiant. Mais plus la procédure est rapide, mieux elles survivent, et certaines se protègent en formant des spores. L’équipe néerlandaise a partagé en trois groupes des malades souffrant d’une infection intestinale récurrente au Clostridium difficile. Aux 16 malades du premier groupe les médecins ont injecté environ 140 grammes de selles d’un donneur sain, diluées dans 500 millilitres de solution saline. Ils ont réalisé cette injection dans la première partie de l’intestin, le duodénum, à travers >>> *Les bactéries anaérobies vivent exclusivement en l’absence d’oxygène. nº 474 • avril 2013 | La Recherche • 9

© PAUL GUNNING/SPL/COSMOS

S

e faire injecter les selles de quelqu’un d’autre dans le tube digestif : l’idée a de quoi rebuter. Cette thérapie serait pourtant très efficace pour combattre de graves infections intestinales. Dans un essai piloté par Els van Nood, de l’université d’Amsterdam, aux Pays-Bas, la « transplantation fécale », c’est son nom, a en effet guéri 94 % des malades à qui elle a été administrée. Soit une efficacité trois ou quatre fois supérieure à l’antibiotique de référence testé en comparaison [1]. Le concept : utiliser l’ensemble des bactéries intestinales contenues dans les selles d’une personne en bonne santé pour concurrencer le pathogène responsable de l’infection. « Longtemps considérée comme farfelue par bon nombre de spécialistes, cette méthode a commencé à susciter un réel intérêt après une tentative très médiatisée il y a quelques années aux États-Unis », explique Nadine Cerf-Bensussan, de l’Institut national de la santé et de la recherche médicale [2]. Dans la foulée, une revue recensant les tentatives passées montrait que l’efficacité de la greffe fécale pouvait atteindre jusqu’à 92 % [3]. Pourtant, jusqu’ici, probablement par manque d’intérêt des scientifiques, elle n’avait jamais été comparée avec le traitement antibiotique de référence au sein d’un même essai, seul type d’étude qui fasse réellement foi en médecine.


actualités

Vie

Les abeilles sauvages, reines de

En bref Des perches sous anxiolytique

Écologie

Les résidus de médicaments qui polluent les milieux aqua­ tiques modifient le comporte­ ment des poissons, des biolo­ gistes suédois en ont apporté la preuve. En exposant, au laboratoire, des perches juvé­ niles à des concentrations d’anxiolytique comparables à celles trouvées dans diffé­ rents cours d’eau européens, ils ont observé que les animaux se montraient moins sociaux, plus audacieux et plus voraces. Dans le milieu naturel, cette augmentation de l’appétit des poissons pourrait, à terme, per­ turber le fonctionnement de la chaîne alimentaire.

L’abeille domestique est utile pour la pollinisation des cultures. Mais ses cousines sauvages le sont encore plus. C’est la conclusion sans appel d’une étude menée sur les cinq continents.

D

Un goût trop salé

sur le web www.unep.org/yearbook/2013/ Le programme des Nations unies pour l’environnement fait le point sur les problèmes environnementaux émergents, en particulier en Arctique. 20 • La Recherche | avril 2013 • nº 474

zoom

© DEPARTMENT OF ENTOMOLOGY/NORTH CAROLINA STATE UNIVERSITY

Y. Oka et al., Nature, 494, 472, 2013.

souligne Bernard Vaissière, mais on ignorait si ces résultats avaient vraiment une portée générale. » Lucas Garibaldi, de l’université de Rio Negro, en Argentine, Alexandra Klein, de l’université de Lunebourg, en Allemagne, et leurs collaborateurs à travers le monde, ont levé le doute en étudiant 41 systèmes de cultures dans 600 champs répartis sur les cinq continents [1].

es 20 000 espèces d’abeilles répertoriées dans le monde (dont 1 000 en France), Cultures variées. Les espèl’une, l’abeille domestique Apis ces choisies incluaient le mellifera, bénéficiait jusqu’à café, le coton, le concombre, présent d’une aura particul’amande, la pastèque, le sarlière : « On considérasin ou encore le rait qu’il s’agissait kiwi. Et les pratiPollinisées par des abeilles de l’insecte polliniques culturales sateur globalement sauvages, les plantes employées allaient le plus efficace pour produisent plus de fruits de la monoculture les plantes cultivées, intensive à l’agriexplique Bernard Vaissière, doublait là où des abeilles culture traditionnelle. Dans spécialiste de la pollinisation sauvages étaient présentes chaque champ, les biologistes à l’INRA d’Avignon. Et donc, en plus des abeilles domes- ont évalué la diversité des qu’elle seule jouait un rôle tiques. « Ces exemples indi- pollinisateurs et le nombre essentiel dans le rendement viduels étaient intéressants, de visites qu’ils rendaient

T. Brodin et al., Science, 339, 814, 2013.

Le goût salé présente une carac­ téristique unique : il est agréa­ ble lorsqu’il est modéré, et désagréable lorsqu’il est très prononcé. Si la voie ­sensorielle aboutissant à la première sen­ sation était connue, celle conduisant à repousser un mets trop salé restait à identifier. C’est aujourd’hui chose faite. Une étude américaine vient de montrer qu’une concentration élevée de sel active les deux types de cellules qui perçoi­ vent l’amertume et l’acidité, saveurs en général considé­ rées comme désagréables. Des souris ­rendues incapables de détecter aussi bien l’une que l’autre se mettent à lécher avec bonheur des liquides aussi salés que l’eau de mer.

de la plupart des cultures. » Il va falloir réviser cette opinion : une étude internationale, qualifiée de majeure par Bernard Vaissière, prouve à l’échelle de la planète que les abeilles sauvages et quelques autres insectes sont des pollinisateurs plus efficaces que l’abeille domestique. Depuis 2006, quelques travaux avaient commencé à remettre en question la suprématie d’Apis mellifera. L’un d’eux, mené dans le nord de la Californie, montrait par exemple que la production de semence de tournesol

  Des antennes bien propres

Pourquoi les insectes amènent-ils régulièrement leurs antennes à la bouche pour les lécher ? Pour les débarrasser d’une substance cireuse qui s’y accumule et qui empêche les poils sen­ soriels qui s’y trouvent, les sensilles, de fonctionner correct­ement. C’est la conclusion d’une équipe américaine qui a comparé au microscope électronique à balayage les sensilles de cafards qu’on avait ­empêchés de se nettoyer, celles de cafards témoins, et celles de cafards dont les antennes ont été nettoyées chimiquement (ci-­dessous, de gauche à droite). Les sen­ silles engluées dans la cire répondent moins bien aux substances odorantes et aux phéro­ mones sexuelles que celles nettoyées. K. Böröcsky et al., PNAS, 110, 3615, 2013.


la pollinisation aux fleurs. En parallèle, ils ont mesuré la quantité de pollen déposé par fleur pour 14 des systèmes de culture, et quantifié la fructification pour 32. Enfin, ils ont effectué une analyse statistique de l’énorme batterie de données obtenues. Résultat : plus les pollinisateurs sauvages (essentiellement des abeilles) visitent une fleur, plus la fructification augmente, et cela quel que soit le système de culture. Alors qu’avec les abeilles domestiques, l’augmentation des visites n’entraîne

une meilleure fructification que dans 14 % des systèmes. De plus, l’augmentation de fructification induite par les abeilles sauvages est deux fois plus élevée que celle induite par leur cousine domestique. « Enfin et surtout, souligne Bernard Vaissière, les résultats montrent que le maximum de fructification n’est atteint que si les fleurs sont visitées à de nombreuses reprises à la fois par des abeilles domestiques et par des abeilles sauvages. » Sur le plan agro-environnemental, la leçon à tirer de ces résultats est claire. Pour

Cette fleur de myrtillier d’Amérique est visitée par une abeille sauvage du genre Andrena. Cette plante fait partie des 41 cultures ayant permis de mesurer l’efficacité pollinisatrice des abeilles sauvages. © RUFUS ISAAC/AAAS

préserver le rendement des cultures, on ne saurait se contenter d’enrayer le déclin des abeilles domestiques : il faut aussi enrayer celui, moins

médiatisé mais tout aussi réel, des pollinisateurs sauvages. ■ Cécile Klingler [1] L.A. Garibaldi et al., Science, doi:10.1126/science.1230200, 2013.

LONGÉVITÉ Des bactéries qui aident à vivre plus longtemps

© dR

Questions à l’expert

Hugo Aguilaniu, directeur de recherche au CNRS, dirige l’équipe « vieillissement cellulaire et des organismes », à l’École nationale supérieure de Lyon. Une équipe américaine vient de découvrir comment les bactéries dont se nourrit le petit ver Caenorhabditis elegans influencent sa longévité. De quoi s’agit-il ? H.A. Il y a une dizaine d’années, une expérience a montré que C. elegans, l’un des « modèles animaux » favoris des biologistes, vit plus longtemps lorsqu’on le nourrit avec des bactéries Bacillus subtilis qu’avec des Escherichia coli. L’équipe d’Evgeny Nudler, de l’École universitaire de médecine

de New York, vient de montrer que le responsable de cette longévité accrue est le monoxyde d’azote (NO), une substance que Bacillus subtilis produit en plus grande quantité qu’Escherichia coli [1]. Ce résultat est d’autant plus intéressant que Caenorhabditis elegans est l’un des rares animaux qui soit incapable de synthétiser son propre NO, faute de posséder les gènes codant les enzymes nécessaires. Comment les biologistes new-yorkais ont-ils démontré cet effet ? H.A. Dans un premier temps, ils ont nourri des vers avec des bactéries Bacillus subtilis rendues incapables de fabriquer du NO : ils ont alors observé que la longévité des animaux diminuait de 15 %, ce qui est une réduction significative. Puis ils ont élevé d’autres vers de

façon « classique », avec des bactéries Escherichia coli, mais en ajoutant un produit chimique qui libère du NO. Ils ont alors constaté que la durée de vie de l’animal augmentait de 14 %. Ces différentes expériences prouvent que c’est bel et bien le monoxyde d’azote, et non un autre composé, qui influence la longévité. Quel est son mode d’action ? H.A. Il favorise une plus grande longévité car il permet au nématode de mieux résister au stress thermique. C’est visible lorsqu’on nourrit des vers avec des bactéries productrices de monoxyde d’azote, d’autres avec des bactéries qui n’en fabriquent pas, et que l’on augmente brusquement la température d’une dizaine de degrés. Le taux de survie des vers est plus important chez ceux nourris avec des bactéries productrices de NO.

Ce constat surprend-il ? H.A. On sait depuis quelques années que, chez les animaux capables de synthétiser leur propre NO, cette molécule favorise la longévité lorsque les animaux sont soumis à une restriction calorique. C’est par exemple le cas chez la souris et le rat. On l’observe même sur les cellules de mammifères en culture. Le NO induit une augmentation du nombre de mitochondries dans les cellules, ce qui entraîne une production d’énergie supplémentaire. Néanmoins, dans le cas de Caenorhabditis elegans, le mécanisme est apparemment différent. Cet animal est donc doublement intrigant, à la fois par son incapacité à produire lui-même du NO, et par la façon qu’il a d’utiliser le NO bactérien. ■ propos recueillis par Caroline Depecker [1] L. Gusarov et al., Cell, 152, 818, 2013.

nº 474 • avril 2013 | La Recherche • 21


actualités

Archéologie Anciens bifAces Les plus anciens bifaces (pierres taillées, comme leur nom l’indique, sur deux faces) sont apparus simultanément dans deux pays d’Afrique, au Kenya et en Éthiopie, il y a environ 1,7 million d’années. Les archéologues qui étudient le site de Konso en Éthiopie, récemment détrôné du titre de plus ancien site à bifaces par le site de Kokiselei au Kenya, viennent en effet de publier une mise à jour des datations. Les plus anciennes de ces pierres taillées deviennent ainsi à peu près contemporaines dans les deux sites. Y. Beyene et al., PNAS, doi:10.1073/ pnas.1221285110, 2013.

LAngAge néAndertALien L’homme de néandertal n’avait pas moins d’aptitude au langage que nous. C’est ce qu’indique l’analyse par une équipe de Leipzig d’une région du génome humain appelée FOXP2. Chez les hommes actuels, cette région paraît nécessaire au langage, sa mutation provoquant des difficultés d’élocution et de grammaire. Des études suggéraient que depuis que la lignée des hommes modernes s’est séparée de celle des néandertaliens, cette région s’était stabilisée sous une forme procurant aux hommes modernes une meilleure aptitude au langage. En fait, chez les néandertaliens, le fonctionnement de FOXP2 était identique à celui d’une partie des hommes actuels. T. Maricic et al., Mol. Biol. Evol., doi:10.1093/molbev/mss271, 2012.

sur le web wanar-excavations.jimdo.com Près de 30 000 mégalithes, érigés pendant les deux derniers millénaires, sont répertoriés au Sénégal et en Gambie. Ce site est consacré à la fouille de plusieurs de ces monuments. 22 • La Recherche | Avril 2013 • nº 474

Les Mongols, orfèvres et séden Asie

Éternels rivaux de la Chine, les Xiongnu n’étaient pas de simples nomades, mais des métallurgistes accomplis.

V

ers 600 ans av. J.-C., les premiers royaumes chinois commencent à construire des tours de guet, des murs qui vont devenir au cours des siècles la Grande Muraille de Chine. Ils cherchent à se défendre de leurs voisins mongols, les Xiongnu, avec lesquels ils seront fréquemment en conflit jusqu’à la disparition de ces derniers vers les Ve et VIe siècles apr. J.-C. Pendant longtemps, les archéologues ont vu les Xiongnu comme de simples nomades, ce qui correspond au mode de vie habituel dans les régions de steppe comme la Mongolie. Mais peu à peu, de nouvelles fouilles révèlent une société plus complexe que prévu, et semi-sédentaire. Des analyses récentes d’une équipe francoallemande viennent même de montrer que les Xiongnu étaient d’authentiques orfèvres, qui recueillaient leur matière première dans les rivières aux alentours [1]. Des archéologues du musée Guimet ont découvert ces objets en or dans l’une des nécropoles les plus monumentales de cette civilisation, Gol Mod, située à 500 kilomètres environ d’Oulan-Bator et datée entre le Ier siècle av. J.-C et le IIIe siècle apr. J.-C. Une partie de ces vestiges appartenait à la tombe d’un prince, enterré avec son char. Il s’agit de croisillons qui ornaient le couver-

1 centimètre Cette parure à décor de nuages, en tôle d’or repoussée, a été découverte à Gol Mod, l’une des nécropoles les plus monumentales de la civilisation mongole. Datée du Ier siècle apr. J.-C., elle atteste du raffinement de l’orfèvrerie Xiongnu. © MAFM

cle du cercueil. Le reste de l’or se répartit entre divers objets découverts dans les tombes, comme des parures ou des harnachements de chevaux. Présents chinois. Comment être sûr que ces objets ne sont pas des importations chinoises ? Les sources écrites indi-

zoom

quent en effet que les Chinois, quand ils ne guerroyaient pas contre les Xiongnu, leur offraient des présents : princesses en mariage, objets précieux et or. « Mais les objets en or de Gol Mod n’ont pas d’équivalents connus en Chine, explique Guilhem André, archéologue et secrétaire scientifique

Hameçon fossile

Cet hameçon en ivoire de mammouth (vu sur ces deux faces) prouve que les hommes préhistoriques pouvaient recourir à des fossiles pour fabriquer leurs outils. Mis au jour à 20 kilomètres de Berlin par une équipe allemande, sa datation à 19 000 ans devrait en faire le plus ancien hameçon d’Europe. Mais les archéologues l’ont découvert entouré d’hameçons et d’autres objets qui dataient tous d’une autre époque, entre 12 000 et 11 000 ans. En outre, aucun hameçon découvert jusqu’ici en Europe ne remonte au-delà de 12 600 ans. Il est donc vraisemblable que le groupe qui a fréquenté le site allemand a fabriqué cet hameçon il y a 11 000 à 12 000 ans, à partir d’un ivoire fossile vieux de 7 000 ans. S’ils l’ont pris sur un squelette entier, l’anatomie de celui-ci ne devait rien leur évoquer. Car le mammouth était alors éteint en Europe depuis quelques milliers d’années. B. Gramsch et al., JAS, 40, 2458, 2013.

© 2013 ELSEVIER INC. ALL RIGHTS RESERVED/ KIEL UNIVERSITY, INSTITUTE FOR NATURAL RESOURCE CONSERVATION

En bref


taires de la mission. C’est pourquoi nous pensions que les Xiongnu les avaient peut-être fabriqués eux-mêmes. » D’autant que d’autres recherches ont montré que les Xiongnu pratiquaient la métallurgie du fer, du bronze et d’autres alliages cuivreux. Un argument de plus en faveur d’une sédentarité au moins partielle des Xiongnu, déjà étayée par l’ampleur des travaux qui ont été nécessaires

à la construction des tombes de infimes de platine. Or celui-ci des sites : les Xiongnu s’apGol Mod – certaines atteignent était invisible au microscope provisionnaient donc locale70 mètres de long et 18 mètres électronique. Pour le détecter, ment. « Encore aujourd’hui, de profondeur. les chercheurs ont dû recou- nous côtoyons au quotidien Encore fallait-il prouver que rir à un accélérateur spécial, à des orpailleurs clandestins lors l’or était produit sur place. Berlin. Par ailleurs, la composi- de nos fouilles, explique Denis « Une tâche délicate, Ramseyer, direcde la mission explique l’une des La composition de l’or des objets teur auteurs des analysuisse en Mongolie. ses chimiques, Maria étudiés correspond à celle des L’or est tellement présent autour des Guerra, du CNRS, car pépites trouvées dans la région nous devions démonsites Xiongnu qu’il est trer que l’or venait bien de l’or- tion de l’or à Gol Mod et dans logique que ces derniers l’aient paillage des rivières locales. » d’autres sites correspond à celle exploité. » n nicolas Constans Dans ces cas-là, les pépites identifiée dans les rivières auri- [1] M. radtke et al., Anal. Chem., 85, contiennent des quantités fères à proximité immédiate 1650, 2013.

Agriculture L’olivier a été façonné au Proche-Orient

© dr

Questions à l’expert

Jean-Frédéric Terral dirige le centre de bio-archéologie et d’écologie à Montpellier Où a été domestiqué l’olivier ? J.-F.T. En plusieurs endroits de la Méditerranée. Mais c’est la première domestication, réalisée il y

a environ 7 000 à 6 000 ans au Proche-Orient, qui a été déterminante pour l’avenir de l’olivier. En effet, 90 % des olives cultivées dans l’ouest de la Méditerranée aujourd’hui ont une origine proche-orientale. C’est ce que montre une analyse d’environ 1 200 oliviers sauvages et 500 domestiques par une équipe internationale [1]. D’autres études génétiques, ainsi que l’analyse des restes de bois et de graines

3 centimètres

avaient montré qu’ailleurs en Méditerranée, par exemple en Espagne, des populations avaient domestiqué indépendamment l’olivier. Ces domestications locales étaient plus tardives, débutant quelques millénaires après celle du Proche-Orient. Elles semblent avoir été tuées dans l’œuf par l’arrivée massive des variétés et du savoir-faire procheorientaux, qui commencent à être importés par les navigateurs phéniciens dès 1400 av. J.-C environ. Comment les chercheurs ont-ils procédé ? J.-F.T. Ils ont d’abord dressé une carte de la diversité génétique des oliviers, tout autour de la Méditerranée, fondée sur l’ADN d’organites de la cellule, les chloroplastes. Ils ont ainsi constaté que l’ensemble des oliviers actuels se regroupaient en trois lignées génétiques. Grâce à des simulations climatiques, ils ont montré que ces trois lignées correspondent vraisemblablement aux trois zones où cet arbre a subsisté lors des glaciations de la

Préhistoire : l’une autour de Gibraltar, une autre autour de la mer Égée, et enfin une autre au Proche-Orient. Ces zones concordent avec la localisation des vestiges d’olivier pour cette période. Ensuite, ils ont montré que les variétés d’oliviers cultivées venaient pratiquement toutes d’une seule lignée, celle du Proche-Orient. Que sont devenues les variétés locales d’oliviers dans l’ouest de la Méditerranée ? J.-F.T. Elles se sont croisées avec les oliviers procheorientaux. C’est le cas de la picholine marocaine, l’olive emblématique du Maroc. Longtemps considérée comme originaire du pays, elle résulte en fait d’une souche orientale qui s’est croisée à de multiples reprises avec des souches locales. Ces hybridations se sont probablement faites soit naturellement, soit lors d’expériences agronomiques pratiquées dès l’Antiquité.n propos recueillis par n.C. [1] G. Besnard et al., Proc. Roy. Soc. B, doi:10.1098/rspb.2012.2833, 2013.

nº 474 • avril 2013 | La Recherche • 23


savoirs

Dossier

© RICHARD KAIL/SPL/COSMOS

Quand la matière

À l’approche d’un trou noir, une sonde spatiale pourrait-elle observer le rayon­ nement de Hawking qu’il émet (ici en vue d’artiste) ? Pour l’instant, cette expérience reste hors de portée. 36 • La Recherche | avril 2013 • nº 474


émerge du vide

L

■■Dossier préparé par Vincent Glavieux

e vide, selon l’acception courante, c’est là où il n’y a rien. Mais pour les physiciens, « rien », cela n’existe pas. Il y a toujours, partout, un champ, qui produit au moins d’infimes fluctuations. Mieux, ces fluctuations peuvent, dans certaines conditions, se transformer en rayonnement ou en matière. C’est ce que disent les équations. Malheureusement, il n’est guère envisageable d’observer directement ce phénomène : il faudrait se trouver pour cela au moment du Big Bang, ou au bord d’un trou noir. Alors les physiciens ont imaginé des expériences qui obéissent aux mêmes équations, dans des gaz d’atomes ultrafroids, dans des fibres optiques ou dans de simples écoulements d’eau. Ils observent ainsi par analogie des particules émergeant du vide.

1 Marc Lachièze-Rey : « Le statut du vide pose problème » Propos recueillis par Vincent Glavieux

2 Un trou blanc au laboratoire Par Vincent Glavieux, avec la collaboration de Silke Weinfurtner

3 Le vide n’est pas vide par Bernard Romney nº 474 • avril 2013 | La Recherche • 37


savoirs

>>Quand la matière émerge du vide • 3

3 • Le vide n’est pas vide À défaut d’observer directement des particules matérielles émises par le vide, les physiciens mènent des expériences analogues, dans des fibres optiques ou des gaz d’atomes très froids. Avec succès. par Bernard

Romney,

journaliste.

* Une antiparticule

possède les mêmes caractéristiques physiques que la particule matérielle à laquelle elle est associée, sauf la charge électrique, qui est de signe opposé.

D

ans l’univers quantique, le vide est paradoxal. Loin d’être un simple contenant, il est fait lui-même, une fois que l’on en a ôté jusqu’au dernier grain de matière et de rayonnement, d’un océan de particules : des ­photons, des électrons, des quarks, des neutrinos. Sur ce point, les équations sont formelles. Toutefois, ces particules du vide, que l’on nomme aussi fluctuations de point zéro, ou énergie du vide, restent le plus souvent virtuelles. C’est ce qui explique sans doute que, pendant longtemps, aucun physicien n’avait réussi à en extraire une seule de ce néant en trompe-l’œil. On manquait de preuves expérimentales que le vide est bien ce milieu bouillonnant. Depuis quelques années, la situation a commencé à changer. Plusieurs équipes ont annoncé qu’elles avaient extrait des particules du vide, grâce à différentes expériences astucieu­sement menées. En particulier, en novembre 2012, l’équipe de Christoph Westbrook et Denis Boiron, à l’institut d’optique à Palaiseau [1]. La plupart de ces résultats ne font pas encore l’unanimité, mais ils laissent penser que les physiciens ne sont plus très loin de domestiquer le vide.

L’essentiel >>On ne peut pas observer directement la matérialisation de

particules à partir du vide, que prédit pourtant la physique quantique.

>>Des théoriciens ont découvert  que des systèmes optiques ou acoustiques sont régis par les mêmes équations que le vide quantique. >>Depuis trois ans, des expérimentateurs ont confirmé,

à l’aide de tels systèmes, que l’on peut faire apparaître de la matière à partir du vide.

44 • La Recherche | avril 2013 • nº 474

Avec la mécanique quantique, le vide a pris une forme déconcertante (lire « Le statut du vide pose problème », p. 38). La théorie ­quantique décrit en effet toute particule et ses propriétés sous la forme des différentes configurations d’une entité abstraite appelée « champ ­quantique ». Or, l’absence de particule, ce que l’on nomme « le vide » en langage courant, n’est pas synonyme d’absence de champ. En l’absence de particule, les spécialistes ­parlent plutôt d’un champ au repos, dans son état fondamental. Et cet état de plus basse énergie n’est pas « rien ». En vertu du principe d’incertitude de Heisenberg, une entité physique peut exister même si l’énergie nécessaire à sa matériali­ sation n’est pas disponible, pour peu qu’elle ne soit ­arrachée au vide que durant un temps infinitésimal. Par conséquent, des paires de particule et antiparticule* jaillissent à tout moment des ­limbes de l’espace-temps, s’annihilant l’une l’autre avant d’avoir eu la moindre chance d’interagir avec ­quelque autre objet physique bien réel.

Dématérialisation. Les physiciens ont mis en évidence des effets indirects de ce phénomène depuis plusieurs décennies. Ainsi, l’énergie du vide affecte certaines propriétés du neutron, ou encore les énergies accessibles aux électrons dans les atomes. Mais les mêmes physiciens se sont aussi interrogés sur la possibilité ­d’observer directement des particules qui se matériali­seraient à partir du vide. Et effectivement, ils ont identifié des ­situations où les fluctuations du vide se transforment en particules durables. L’une d’elles concerne la physique des trous noirs. Dans les années 1970, Stephen Hawking, alors à l’université de Cambridge, au Royaume-Uni, étudie la ­possibilité qu’une paire de particules virtuelles issues du vide – par exemple deux photons – surgisse juste sur ­l’horizon


© JEREMY SUTTON-HIBBERT/GETTY IMAGES

Daniele Faccio, de l’université Heriot-Watt, a créé dans une fibre optique un rayonnement analogue à celui prédit par Stephen Hawking pour les trous noirs. Il a utilisé deux impulsions lumineuses se propageant à des vitesses différentes. d’un trou noir. Cette surface virtuelle sépare l’Univers en deux : rien de ce qui se trouve à l’intérieur ne peut en sortir, à cause de l’attraction gravitationnelle de l’astre ; en revanche, à l’extérieur, matière et lumière peuvent lui échapper. D’après les calculs de Stephen Hawking, si deux photons se matérialisent juste sur cet horizon, plutôt que de s’annihiler instantanément, ils sont séparés. L’un tombe vers le centre du trou noir, d’où il ne réchappera jamais. L’autre est émis vers l’extérieur, contribuant à ce que les théoriciens appellent désormais le rayonnement de Hawking d’un trou noir [2].

Malheureusement, bien que tous les physiciens soient convaincus de l’existence de ce rayonnement, ils savent aussi qu’ils ne pourront jamais l’observer. Il est en effet, selon les calculs théoriques, si peu intense qu’il sera à jamais impossible de l’extraire du bruit de fond électromagnétique de l’Univers. Une seconde situation dans laquelle on pourrait en théorie observer la matérialisation des fluctuations du vide est connue sous le nom d’« effet Casimir dynamique ». Cet effet a été découvert en 1970 par Gerald Moore, de l’université Brandeis, aux États-Unis. Il a calculé qu’un miroir se déplaçant très rapidement dans >>>

Un laser pour faire jaillir la matière du vide Afin d’arracher au vide une paire de particules de matière, par exemple un électron et un positron, il existe, en principe, une méthode radicale : engendrer un champ électrique gigantesque dans un volume minuscule, tel qu’il pourra arracher l’une à l’autre les deux particules qui, gorgées d’énergie, pourront alors se matérialiser. Dans ce but, le projet international Izest (acronyme anglais pour technologie pour la science internationale zetta-

exawatt), qui rassemble une trentaine de laboratoires, envisage de réaliser, d’ici une dizaine d’années, grâce au laser Petal du CEA, à Bordeaux, des impulsions laser ultracourtes, mais emportant une phénoménale quantité d’énergie. Au point que leur intensité atteindra 1029 watts (100 millions de zettawatts) par centimètre carré ! En cas de succès, les physiciens disposeront de la plus magistrale preuve que le vide est en réalité rempli de matière. nº 474 • avril 2013 | La Recherche • 45


savoirs

Paléontologie

Le régime varié des australopithèques Les australopithèques qui vivaient en Afrique du Sud il y a 4 à 2 millions d’années consommaient à la fois de la viande et des végétaux. Les premiers représentants du genre Homo qui leur ont succédé étaient nettement plus carnivores.

par Vincent Balter, chercheur au laboratoire de géologie de Lyon.

l’essentiel > Une noUVelle techniqUe permet de distinguer les carnivores des herbivores à partir de leurs dents fossiles.

> elle a été appliqUée

à plusieurs types d’hominidés sud-africains.

> elle réVèle que les

australopithèques avaient le régime alimentaire le plus varié, mangeant parfois de la viande.

58 • La Recherche | avril 2013 • nº 474

L

es premiers hominidés ont vécu il y a environ 7 millions d’années. Depuis, plusieurs genres et de nombreuses espèces sont apparus puis ont disparu. En particulier, plusieurs espèces du genre Australopithecus ont peuplé différentes zones de l’Afrique il y a 4 à 2 millions d’années. Elles ont été progressivement remplacées, à partir de 2,5 millions d’années environ, par d’autres espèces, appartenant aux gen-

res Paranthropus et Homo. Le premier s’est éteint à son tour il y a 1 million d’années. Quant au second, nous en sommes les derniers représentants. Les raisons de ces transformations sont inconnues. De nombreux paléoanthropologues estiment toutefois que les capacités d’adaptation des espèces à de nouveaux environnements ont joué un rôle important. Les australopithèques, dont le régime alimentaire était trop spécialisé, auraient disparu


© JOSE BRAGA, DIDIER DESCOUENS/CNRS PHOTOTHEQUE

parce que leur écosystème se raréfiait, par exemple lors d’un changement climatique. Le genre Homo aurait, seul, subsisté grâce à la diversité de ses choix alimentaires.

Mangeurs de viande. Nous allons toutefois montrer que cette interprétation doit être nuancée. Grâce à une nouvelle technique d’analyse, nous avons en effet prouvé que les australopithèques d’Afrique du Sud avaient une alimentation beaucoup plus variée que celle des deux genres qui leur ont succédé [1]. Ils auraient consommé toutes sortes d’aliments, y compris de la viande. Comment appréhender l’alimentation d’animaux dont nous ne connaissons que des os fossiles, souvent très détériorés qui plus est ? Nous savons qu’il y a environ 2,6 millions d’années, des hominidés, dont on ignore l’identité exacte, ont commencé à utiliser des pierres taillées pour dépecer des proies. Les outils laissent des traces caractéristiques sur leurs os. Une étude présentée en 2010 suggère même que des australopithèques en auraient déjà fait usage, il y a 3,4 millions d’années [2]. Cependant, cette Ce crâne d’Australopithecus africanus adulte, trouvé en Afrique du Sud en 1947, est surnommé Mrs Ples. L’espèce aurait vécu il y a environ 4 à 2 millions d’années. On a longtemps pensé que son alimentation était essentiellement végétale.

Ces molaires appartenaient à un Homo ancien (à gauche) et à un Paranthropus robustus (à droite). Des microéchantillons y ont été prélevés à l’aide d’un laser. L’analyse des concentrations relatives de calcium et de baryum indique que les premiers consommaient beaucoup de viande, quand les seconds étaient végétariens.

hypothèse est loin de faire consensus. Et de toute façon, les hominidés pouvaient consommer de la viande sans forcément utiliser des outils. Une autre manière de reconstituer l’alimentation des hominidés anciens est de se fonder sur leur morphologie. Par exemple, les australopithèques ont des mâchoires puissantes. Chez les paranthropes, ces caractéristiques sont encore plus accusées. Il s’agit peut-être d’une adaptation à la consommation d’aliments coriaces, comme des tubercules. Quant à leurs larges molaires avec un émail épais, elles pouvaient leur permettre de mastiquer efficacement des végétaux. Dans les années 1970, des chercheurs ont commencé à étudier les usures microscopiques laissées par les aliments sur les dents, quand la surface de celles-ci est suffisamment bien préservée. Mais cette information renseigne surtout sur l’alimentation des quelques jours ou des quelques semaines qui ont précédé la mort de l’individu, pas sur son régime alimentaire tout au long de sa vie. Il faut répéter les analyses sur de nombreux individus pour en tirer une tendance générale. Il y a une trentaine d’années, l’analyse chimique, plus précisément l’analyse isotopique, est venue à l’aide des paléoanthropologues. Grâce à la mesure des concentrations relatives des différentes formes de carbone, le carbone-12 *Le carbone-12 et Le carbone 13

ne diffèrent que par le nombre de neutrons dans leur noyau.

et le carbone-13*, elle indique quelle grande famille de plantes l’animal avait l’habitude de consommer : plutôt des grandes herbes tropicales ; ou plutôt des feuilles et de l’écorce d’arbres, ou d’arbustes, et des broussailles. Car ces deux familles diffèrent dans la manière d’effectuer la photosynthèse, et les proportions des deux formes du carbone n’y sont pas les mêmes. Ce qui laisse des traces dans les dents des animaux qui consomment plutôt l’une ou plutôt l’autre de ces familles. Les études menées à l’aide de cette méthode ont révélé que les australopithèques sudafricains ne semblaient pas avoir de préférence : ils consommaient indifféremment les deux familles de plantes.

Calcium et baryum. Mais l’analyse isotopique n’a d’intérêt que si les animaux analysés ont de bonnes chances d’être des herbivores. En effet, un carnivore se nourrissant d’herbivores absorbe leur carbone. Par conséquent, il peut sembler consommer beaucoup de grandes herbes tropicales, par exemple, alors qu’il est simplement friand de l’herbivore qui en mange. C’est pourquoi nous avons entrepris un autre type d’analyses : des mesures des concentrations de calcium et de baryum dans les dents des fossiles. Imaginée à partir des années 1950, cette méthode permet de déterminer si un animal fossile était ou non carnivore. Mais elle n’avait pas été appliquée aux hominidés, car elle exigeait de sacrifier de volumineux fragments de dents. Or ces fossiles âgés de millions d’années sont rares et irremplaçables. >>>

© SINCLAIR STAMMERS/SPL/COSMOS

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La Recherche n°474