L’homme est-il en train d’épuiser la planète Terre ?

A change of seasons
L’homme prélève environ un quart de la biomasse produite par la biosphère
terrestre. Une perspective durable ?
L’homme a sans débat possible imposé sa marque sur son environnement. Ainsi,
certains scientifiques ont même proposé lors du dernier Congrès international
de géologie en août 2012 à Brisbane (Australie) de parler à ce propos d’une
nouvelle ère géologique, l’Anthropocène,
suivant les propos du météorologue néerlandais Paul Josef
Crutzen
, Prix Nobel de chimie en 1995. Une étude publiée dans la revue
Science en 1997
estimait ainsi qu’entre un tiers et la moitié de la surface terrestre avait été
modifiée par l’activité humaine, que ce soit par l’agriculture ou l’extension
des zones denses, ou encore qu’un quart des espèces d’oiseaux avaient disparu
de notre fait. Des chercheurs de l’université de Klagenfurt (Autriche),
conduits par Fridolin Krausmann, ont tenté de chiffrer le prélèvement
humain sur les ressources naturelles de biomasse, forêts, champs et prairies
confondues. Celui-ci aurait doublé au cours du siècle écoulé, marquant
toutefois un rythme plus contenu que la hausse de la population mondiale qui a
quadruplé pendant la même période. Cet impact toujours plus important
menace-t-il à moyen terme l’équilibre de notre biosphère ? Les écologues autrichiens de l’Institut d’écologie sociale basé à Vienne ont
défini ce qu’ils appellent l’appropriation humaine de la
production primaire nette
(notée par la suite AHPPN). Cette grandeur évalue
l’impact de l’homme sur la ressource carbonée contenue dans la biomasse, soit
par modification de l’utilisation des sols (par exemple, une forêt abattue pour
faire place à des pâturages renfermant moins de matière végétale) soit par
prélèvement direct par l’agriculture (sans oublier les feux de forêts causés
par l’homme). L’AHPPN peut être rapportée à la production primaire nette
potentielle (NPP0), une valeur théorique correspondant à l’énergie
accumulée dans la biomasse sur une hypothétique planète Terre qui n’aurait pas
subi les dégâts d’Homo sapiens. Dans une première étude publiée en
2007,
Fridolin Krausmann et ses collègues avaient ainsi évalué l’impact
local
de l’activité humaine, la quasi-totalité du globe présentant un ratio
AHPPN/NPP0 positif qui atteste d’un appauvrissement de la ressource
biologique.

Une utilisation de plus en plus importante de la biomasse

Les différents scénarios envisagés indiquent une augmentation continue de
l’appropriation humaine de la production naturelle de biomasse.
Cette fois-ci, les chercheurs ont voulu étudier l’évolution de cette
appropriation des ressources naturelles sur la période 1910-2005. L’AHPPN
globale a cru de 116 % en à peine 100 ans, culminant à 14,8 milliards de
tonnes de carbone en 2005, soit 25 % de la production primaire potentielle
contre seulement 13 % en 1910. Cette forte augmentation reste toutefois
plus lente que celle de la population mondiale (+ 274 %) ou du PIB
planétaire (+ 1 655 % !). Chaque individu a ainsi diminué
son prélèvement de biomasse, aujourd’hui estimé à 2,3 tonnes de carbone par an
et par personne. Comment expliquer cette baisse, intervenue principalement à
partir des années 1950 ? Les hommes ne sont pas devenus moins énergivores.
En effet, la consommation de biomasse par habitant est restée globalement
constante sur la période : la hausse de la demande alimentaire par
personne, qui a suivi celle du niveau de vie, a été compensée par une baisse de
la demande en bioénergie, stockée dans la
biomasse. Si l’on pense rapidement à la substitution du bois de chauffage par
les énergies fossiles, les chercheurs évoquent également l’abandon des animaux
de trait au profit des machines agricoles motorisées. Ainsi, ils précisent que
en 1950 en Autriche, entre 15 et 20 % des terres agricoles et de la
biomasse servaient à nourrir les animaux de trait
“ ! La baisse relative de l’AHPPN par personne est donc due à une plus grande
efficacité du prélèvement de la biomasse (même s’il reste des progrès à
accomplir dans l’utilisation des résidus agricoles).
L’augmentation des rendements, grâce à une meilleure irrigation et un usage
industrialisé des engrais, a permis de limiter le poids négatif de la
conversion des terres, alors que la surface cultivée passait de 7 à 13 millions
de km² entre 1910 et 2005. Ces dynamiques divergent toutefois d’un continent à
l’autre : l’Asie se distingue par une AHPPN par habitant faible (grâce à
une faible consommation de viande d’élevage et une agriculture à fort
rendement), quand l’Amérique latine figure en haut du classement, à cause de
ses grands pâturages, principalement destinés à l’exportation. Les chercheurs autrichiens se sont livrés à un exercice prospectif en
établissant cinq scénarios, basés sur les projections de croissance de l’OCDE
et des Nations Unies. Pour les trois scénarios poursuivant les tendances
actuelles concernant l’utilisation de la ressource naturelle, la hausse de
l’AHPPN serait modérée, atteignant 27 à 29 % d’ici 2050. En revanche, deux
autres hypothèses se font plus menaçantes par l’introduction d’une nouvelle
donnée : une utilisation massive de la ressource carbonée pour la
convertir en énergie, suivant ainsi les préconisations du Groupe d’experts
intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) visant à limiter
l’émission de gaz à effet de serre. La consommation actuelle de bioénergie, qui
avoisine aujourd’hui les 50 exajoules (soit environ la moitié de la
consommation énergétique des États-Unis), pourrait être multipliée par six
d’ici 2050, ce qui entraînerait une augmentation importante du prélèvement
humain sur la biomasse, jusqu’à 44 % de la ressource potentielle. L’impact
de l’homme sur la biosphère atteindrait alors des niveaux inégalés, qui
pourraient avoir des conséquences irréversibles sur l’équilibre écologique de
la planète : érosion et lessivage des sols, perte de biodiversité, etc.
Gare à ne pas surexploiter la
Terre nourricière
. Pour continuer le débat : L’avenir de
l’agriculture peut-il être durable ?
, perspectives sur l’évolution de la
demande agricole et ses impacts écologiques. Source : F. Krasumann et al., Global human
appropriation of net primary production doubled in the 20th century
,
PNAS, 3 juin 2013.
Crédit photo : Henrik Johansson – Flickr (CC BY-NC
2.0).

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Du riz pour recharger nos batteries (électriques) ?

riz
Les glumelles enveloppant le grain de riz forme aujourd’hui un déchet qui
pourrait être mis à profit dans la fabrication de batteries électriques
“vertes”.
La récolte mondiale de riz s’est élevée à 730 millions de tonnes en 2012
d’après les
dernières estimations
de l’Organisation des Nations Unies pour
l’alimentation et l’agriculture (FAO), dépassant le record établi l’année
précédente. Si cette augmentation de la production suit (en partie) la demande
alimentaire (la consommation moyenne avoisinant les 57 kg par
habitant !), elle ne manque pas d’entraîner concomitamment une hausse des
coproduits, le riz asiatique (Oryza sativa) n’étant pas consommé dans
son intégralité. Ainsi, les enveloppes des grains, appelées glumelles, représentent
environ 120 millions de tonnes chaque année, et ces résidus restent peu
exploités aujourd’hui. Des chercheurs de l’université Stanford (États-Unis)
menés par Yi
Cui
proposent d’utiliser ce déchet végétal pour construire une nouvelle
génération de batteries plus performantes et plus “vertes”. Un bel exemple de
“recyclage” intelligent. Aujourd’hui, la plupart des batteries
lithium-ion
, massivement utilisées pour les smartphones, contiennent des
anodes en graphite. Pourtant, les ingénieurs portent de
grands espoirs
sur le silicium, qui permettrait de concevoir des anodes de
plus grande capacité (la quantité de courant électrique que peut délivrer
l’anode en un temps donné). Toutefois, les importantes variations de volume
subies lors des cycles de charge-décharge de la batterie fragilisent ce
matériau. C’est là qu’intervient le coproduit de la riziculture : les
glumelles enveloppant les grains de riz se trouvent être riches en silicium,
absorbé par la plante sous forme d’acide silicique Si(OH)4. Et ce
silicium, qui représente environ 20% de la masse des glumelles, est présent
sous forme de nanoparticules de silice (SiO2), une structure qui
pourrait améliorer la résistance mécanique des anodes. Reste à transformer ces
particules naturelles de silice en silicium.

La chimie “verte” de la silice

La combinaison de la taille nanométrique et de la porosité des particules de
silicium contribue à leur résistance mécanique.
Première étape : extraire la silice des glumelles. Pour cela, Yi Cui et
ses collègues ont opté pour un traitement par chlorure d’hydrogène (HCl) puis
un chauffage à 700 °C, qui permet de conserver la structure des
nanoparticules tout en éliminant efficacement la matière organique. La silice
subit ensuite une réaction de réduction
pour donner le silicium. Afin de réduire la température à laquelle s’effectue
habituellement cette réaction (autour de 2 000 °C), ce qui
dégraderait la structure nanométrique des particules, les chercheurs américains
ont choisi une méthode plus douce, la magnésiothermie. L’utilisation du
magnésium permet d’abaisser la température à 650 °C, mais se “paie”
toutefois par un fort dégagement de chaleur qui contraint à mener la réaction
dans un réacteur renforcé. À la fin de la réaction, le magnésium peut être
recyclé par électrolyse, laquelle forme comme unique déchet du dichlore
(Cl2). Pour les auteurs, “le procédé global, qui ne consomme que
du chlorure d’hydrogène pour le convertir en dichlore après l’électrolyse, est
vert
“. Ce procédé permet d’obtenir des particules de silice d’un diamètre moyen de
22 nm et d’une très grande pureté, les traces de différents métaux
(magnésium, fer, calcium, sodium, etc.) représentant moins de 0,5 % de la
masse totale. Leur structure poreuse, “héritée” des nanoparticules de silice
extraites des glumelles, contribue à leur résistance mécanique pendant les
variations de volume au cours des cycles de charge-décharge. Ainsi, après 100
cycles, les nanoparticules de silicium “vert” affichent toujours une capacité
spécifique de 2200 mAh/g, soit près de six fois la capacité théorique du
graphite. Reste encore à passer à l’échelle industrielle, les chimistes
américains s’étant limités à un “batch” de 1 g, obtenu à partir d’environ
100 g de glumelles… Source : S. Bai et al., Rice
husks as a sustainable source of nanostructured silicon for high performance
Li-ion battery anodes
, Scientific Reports, 29 mai 2013.
Crédit photo : Santo Chino – Flickr (CC BY-NC
2.0).

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Un robot bionique qui marche (et vibre) au poil

robot_poils
Les soies de Setaria viridis ont inspiré un nouveau modèle de robot
capable de se mouvoir grâce à sa surface “poilue”.
C’est en s’inspirant d’un jeu traditionnel de certaines régions chinoises
que Yong Qin et
ses collègues de l’université de Lanzhou (Chine) ont mis au point un petit
robot d’un genre nouveau : dépourvu de roues mais hérissé de “poils”, la
petite machine est capable de se mouvoir le long de tuyaux sous l’effet de sa
seule vibration. L’idée originale des ingénieurs chinois vient de la sétaire verte (Setaria
viridis
), une graminée fréquente sur les bords de chemins en France comme
dans toutes les régions tempérées, et objet d’un jeu apprécié par les petits
Chinois des champs. Le principe est simple : tendus entre deux bâtons,
deux fils de coton servent de support à deux épis de sétaire (on parle plus
exactement de panicule dans le cas des graminées) disposés aux deux extrémités
de la piste de jeu. Chaque concurrent fait alors avancer sa panicule le long du
fil en faisant vibrer celui-ci, le but étant qu’elle reste en place au moment
où les deux bolides végétaux vont se percuter à mi-parcours (le jeu vous
paraîtra plus clair avec cette démonstration en
images
). Comment la panicule avance ? Grâce à ses fines soies, longues
de 6 à 10 mm, qui sont en contact avec la surface rugueuse du fil de
coton : élastiques, les soies se déforment sous l’effet de la vibration
et, en se relâchant, sautent un peu plus loin le long du fil. Ce déplacement a
été mis en équation, en tenant compte des propriétés élastiques de la soie et
de l’angle qu’elle forme avec le fil.

La bionique, c’est fantastique !

Le mécanisme de propulsion de la sétaire a inspiré le design d’un petit
robot hérissé de poils en plastique recouvrant un moteur vibrant.
Les ingénieurs chinois ont alors conçu un petit robot mimant le déplacement
saltatoire de la panicule de la sétaire. Ils ont fabriqué un tube plastique
couvert de longs “poils” souples et ont placé à l’intérieur un moteur
électrique vibrant. Ainsi, au lieu de faire osciller le support sur lequel est
posé le robot, c’est le véhicule lui-même qui fournit l’énergie, la vibration
locale suffisant en réalité à déformer les poils. Ainsi propulsé, le petit
robot mesurant à peine 2 cm a été testé dans différentes situations : il a
réussi à se mouvoir le long d’une rigole
horizontale
, d”une arène
circulaire
et enfin d’un tuyau
vertical
, en se déplaçant jusqu’à une dizaine de centimètres par
seconde. Yong Qin et ses compères envisagent de nombreuses applications pour ce robot
capable de se faufiler grâce à ses poils flexibles dans les canalisations,
quelle que soit leur orientation : opérations de secours dans des ruines,
reconnaissance militaire et même inspection de coque de vaisseaux
spatiaux ! Le robot pourrait même être miniaturisé pour des applications
en micro-électronique (les fameux MEMS) ou en médecine, pour amener le
médicament au bon endroit le long des vaisseaux sanguins. Un bel exemple de
bionique, où un jeu issu des campagnes chinoises pourrait s’exporter jusque
dans les laboratoires pharmaceutiques ! D’autres inventions bioniques : Un robot imite les acrobaties du
gecko
et Un robot-cafard ailé. Source : S. Bai et al., Vibration
driven vehicle inspired from grass spike
, Scientific Reports, 16
mai 2013.
Crédit photo : SimonQ錫濛譙 – Flickr (CC BY-NC-ND
2.0).

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Le germe infectieux de l’autoritarisme

zimbabwe
Les milices de jeunes de Robert Mugabe, suspendues en 2007, seraient-elles
liées aux mauvaises conditions sanitaires du Zimbabwe ?
Pourquoi certains pays ont opté pour la démocratie quand d’autres
populations subissent depuis des décennies l’oppression de régimes
autoritaires ? Cette question, longtemps réservée à la sphère des
politistes, apparaît sous un jour nouveau en étant abordée par des chercheurs
d’autres disciplines. Suivant les traces de Jared Diamond qui, dans son essai
intitulé
De l’inégalité parmi les sociétés
, pointait l’importance de
l’environnement sur le devenir des civilisations humaines, des biologistes de
l’université du Nouveau-Mexique (États-Unis) ont suggéré que des considérations
écologiques pourraient entrer en ligne de compte dans le choix du régime
politique d’un pays. Ils ont ainsi formulé en
2007
une curieuse hypothèse : la démocratie s’épanouirait mieux loin
des maladies infectieuses ! Cette hypothèse dite du “stress parasitaire”,
lequel favoriserait l’autoritarisme, semble aujourd’hui confirmée par les
travaux d’une équipe de l’université de la Colombie-Britannique (Canada),
versant cette fois-ci dans la psychologie sociale. Bactéries, virus et autres vers parasites ont-ils une influence sur la
nature du régime politique qui se met en place dans un état ? Pour le
savoir, Damian
Murray
et ses collègues ont comparé le destin politique de 31 pays, de
l’Australie au Zimbabwe en passant par la Grèce. Pour chaque pays, les mœurs
politiques ont été évaluées à partir de plusieurs indicateurs émanant notamment
d’organisations américaines comme la Freedom House et la Fondation Heritage. L’originalité de cette étude
est de s’être intéressée aux comportements individuels en estimant
l’autoritarisme des citoyens via l’échelle
du fascisme
proposée par Theodor Adorno en 1950.

La peur de l’infection favorise le repli individualiste et
conservateur

Mycobacterium leprae, le bacille de Hansen responsable de la lèpre,
meilleur agent des dictateurs ?
Qu’en déduisent les psychologues canadiens ? Que l’autoritarisme d’un
pays est corrélé à la prévalence d’une série de neuf pathogènes (parmi lesquels
le paludisme, le typhus, la lèpre et la leishmaniose). Il en va de même
pour les tendances individuelles à l’autoritarisme, qui sont également liées au
niveau d’éducation moyen ou encore au PIB par habitant. Les sceptiques des
corrélations auront beau jeu de rappeler que les pastafariens ont pu relier le
réchauffement climatique à la disparition des
flottilles de pirates
et qu’il est donc difficile de déduire quoi que ce
soit d’une telle observation statistique. Pour cela, les chercheurs ont poussé
plus avant l’analyse de leurs données : ils ont alors établi que l’impact
du “stress parasitaire” sur la forme de gouvernement est principalement dû à
son influence sur l’inclinaison de chacun à l’autoritarisme. La relation de
cause à effet entre prévalence infectieuse et gouvernement autoritaire semble
donc médiée par les comportements individuels valorisant un tel autoritarisme,
et non la situation inverse, où la nature politique pèserait sur les conduites
personnelles. En se basant sur un atlas anthropologique, le Standard Cross Cultural Sample
établi en
1968
, les chercheurs canadiens ont établi le même genre de corrélations
chez des tribus aborigènes de plusieurs continents, renforçant encore le lien
de causalité entre infection et autoritarisme du gouvernement via des
considérations individuelles et non collectives, issues de modèles politiques
modernes. Pour les psychologues, l’hypothèse sous-jacente à la théorie du
“stress parasitaire” est que “la perception subjective du risque
d’infection entraîne les individus vers des comportements plus conformistes et
dociles, les poussant également à se comporter de façon plus négative envers
ceux qui ne suivent pas les règles et à adopter des attitudes socio-politiques
plus conservatrices
“. Certaines études ont de même lié le sentiment de
vulnérabilité à une infection à des comportements ethnocentriques et
xénophobes. Le sixième des huit
Objectifs du Millénaire pour le Développement adoptés en 2000 par l’ONU, qui
vise à faire reculer les infections dans le monde, aurait non seulement de
grandes conséquences sanitaires, mais pourrait ainsi favoriser une révolution
démocratique dans les pays autoritaires, en contribuant au changement des
mentalités. Le vaccin contre le VIH, meilleur antidote contre la
dictature ? Source : D.R. Murray et al., Pathogens
and Politics: Further Evidence That Parasite Prevalence Predicts
Authoritarianism
, PLoS ONE, 1er mai 2013.
Crédit photo : Sokwanele – Zimbabwe – Flickr (CC BY-NC-SA 2.0) ;
Public Health Image Library – Wikimedia Commons.

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Un antibiotique contre le charme envoûtant des femmes

flirt
Cet homme, sous le charme de la porteuse d’eau, semble prêt à vider ses
poches pour lui plaire.
James Bond a beau être un agent secret de premier plan, il n’en reste pas
moins un homme sensible, tombant bien souvent sous le charme de belles femmes,
parfois à ses dépens. Cette péripétie n’est pas qu’une astuce de scénariste en
mal de rebondissements (et de belles plastiques à mettre à l’écran) :
plusieurs études de psychologie expérimentales ont montré que, face à une femme
séduisante, un homme avait tendance à baisser la garde et à se comporter avec
moins de prudence. Heureusement, les représentants de la gente masculine
pourraient bientôt se ressaisir grâce à une potion magique, ou plus exactement,
un antibiotique qui aurait le pouvoir d’annuler l’effet envoûtant d’un beau
visage. Une équipe japonaise menée par Motoki Watabe et Takahiro Tako a sélectionné
98 étudiants de l’université de Kyūshū pour un jeu d’économie expérimentale,
appelé jeu
de confiance
. Le principe est le suivant : deux joueurs reçoivent une
certaine somme (ici 1 300 yens, soit environ 10 €), l’homme doit
alors choisir la somme qu’il souhaite envoyer à l’autre joueur, une femme en
l’occurrence. Celle-ci reçoit alors un multiple du montant envoyé (trois fois
dans le cas présent) et décide si elle partage ce montant avec son comparse
(attitude coopérative) ou si elle garde tout pour elle (stratégie qualifiée de
trahison par les auteurs). Variante du jeu du dictateur, ce jeu évalue la
confiance que le “cobaye” attribue à son partenaire : il lui donne de
l’argent, mais au risque de tout perdre. Dans cette expérience, l’étudiant ne
dispose que d’une photo pour décider s’il doit faire confiance à sa partenaire.
L’expérience est reproduite pour huit étudiantes, choisies par les chercheurs
nippons pour leur goût de la trahison (elles choisissent de tout garder pour
elles). Les étudiants ne savent pas que l’issue de l’expérience est écrite – il
va se faire plumer –  ce qui permet d’observer si ceux-ci vont placer leur
confiance en une femme en se basant sur leur seule apparence physique.

Le charme féminin, une bactérie infectieuse ?

Les hommes donnent plus d’argent aux femmes qu’ils jugent attirantes, mais
cet effet est annulé par la prise de la minocycline.
À côté de ce jeu, les participants ont en effet évalué la beauté des femmes,
sur une échelle de 0 à 10. Il apparaît ainsi que les hommes font plus confiance
aux femmes jugées séduisantes, leur octroyant (en pure perte) plus des
deux-tiers de leur cagnotte, contre moins de la moitié pour les autres, moins
attirantes. C’est là qu’intervient la minocycline, un antibiotique
habituellement prescrit pour lutter contre certaines infections bactériennes.
Une partie des étudiants a, préalablement au jeu, suivi un court traitement à
base de cet antibiotique. Et, comme s’y attendaient les chercheurs, ceux-ci ont
perdu toute sympathie pour les jolies filles. La minocycline est en effet connue pour améliorer certains symptômes
psychiatriques comme la dépression ou la schizophrénie. Elle affecte également
les décisions économiques et sociales, et en l’occurrence diminue ce que les
psychologues appellent le honeytrap (le “piège à
miel
” en bon français), effaçant la présomption de moralité accordée aux
jolies femmes. Cette preuve psychopharmacologique
de l’action de la minocycline serait liée à une inactivation de la microglie,
une partie du système nerveux central impliquée principalement dans la réponse
immunitaire, mais aussi dans les comportements anxieux d’après des expériences
menées en 2009 sur des souris. En
mettant en sourdine la microglie, l’antibiotique pourrait rendre plus
raisonnable les mâles et protéger au mieux leurs intérêts face aux
tentatrices. Source : M. Watabe et al., Minocycline,
a microglial inhibitor, reduces ‘honey trap’ risk in human economic
exchange
, Scientific Reports, 18 avril 2013.
Crédit photo : Eugen de Blaas – Wikimedia
Commons.

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Magnétisme et cellules souches font bon ménage

cartilage
Quoi de mieux pour piéger des cellules qu’un bon vieil aimant ?
Alors que le président Barack Obama a levé dès
mars 2009
l’interdiction du financement public des recherches sur les
cellules souches embryonnaires, ces derniers jours, les députés UMP ont empêché
l’examen d’une
proposition de loi
, adoptée en première lecture par le Sénat le 4 décembre
2012, autorisant en France la recherche médicale sur ces mêmes cellules. Il
existe toutefois d’autres “sources”, ne déchaînant pas les mêmes passions
éthiques, qui permettent à des chercheurs français d’exploiter les propriétés
uniques de différenciation des cellules souches, notamment dans un domaine qui
a émergé au début des années 1990 : l’ingénierie
tissulaire
, également appelé médecine régénérative (un article précédent
parlait de cette technique appliquée… à la fabrication de
dents
). Ainsi, pendant trois ans, j’ai pu travailler sur des cellules
souches mésenchymateuses, issues principalement de la moelle de la
crête iliaque
(le bord supérieur de l’os du bassin), avec l’idée de
fabriquer in vitro du cartilage. J’ai aujourd’hui le plaisir de vous
annoncer que les efforts ont été payants, puisque mes anciennes collègues (et
directrices de thèse) du laboratoire Matière et systèmes complexes (MSC)
de l’université Paris-Diderot (France), viennent de publier dans la revue
Advanced Materials un article présentant les progrès accomplis tout
particulièrement par la dorénavant docteur Delphine Fayol qui m’a succédé dans
l’équipe. Depuis de nombreuses années, les biologistes étudient la formation des
différentes familles cellulaires à partir des cellules souches dans le but de
reproduire ce phénomène en laboratoire. Dans notre cas, nous cherchions à
obtenir des chondrocytes, cellules qui
produisent notamment le collagène, élément essentiel du tissu cartilagineux. La
spécificité de ce mécanisme de différenciation, appelé chrondrogenèse, est
qu’il ne s’opère que lorsque les cellules souches sont dans un état compact,
proche de celui dans lequel elles sont à l’état embryonnaire. Pour compacter
les cellules souches, les biologistes utilisent principalement la technique de
centrifugation, mais celle-ci
n’est pas très contrôlable et ne permet que de produire de petits morceaux de
cartilage, inférieur au millimètre. Difficile alors d’imaginer reconstruire une
cloison nasale 100 % bio ! C’est ici que l’apport de notre labo
(plutôt dédié à la physique) intervient : nous avons utilisé des forces
magnétiques pour compacter les cellules. Mais, me direz-vous, comment un champ
magnétique peut-il forcer des cellules à former une boule compacte ? Rien
de plus simple, rendons la cellule… magnétique !

Petit à petit, le cartilage fait son nid (de collagène)

En formant au niveau de chaque aimant un agrégat capable de se différencier,
puis en les faisant fusionner, on peut former un morceau de cartilage de
plusieurs millimètres.
L’étape préalable à notre technique de compaction magnétique est donc de
rendre magnétiques les cellules souches. Pour cela, nous leur faisons absorber
de minuscules aimants, en l’espèce des nanoparticules d’oxyde de fer formant un
ferrofluide.
Cette étape se fait naturellement, par un phénomène appelé endocytose, développé
par l’ensemble des types cellulaires pour internaliser des molécules ou des
particules présentes dans leur environnement. Ainsi emplies de particules
magnétiques, les cellules peuvent être attirées par un aimant placé sous la
boîte de culture afin de former un tas – disons, de façon plus élégante,
un agrégat cellulaire – contenant plusieurs centaines de milliers de
cellules. La différenciation peut alors s’opérer, avec l’appui de certaines
molécules bien choisies ; la présence de ces aimants à l’intérieur des
cellules n’a heureusement pas d’impact quantifiable, même à plus long terme (la
différenciation prend tout de même 4 semaines). Les agrégats, une fois formés, peuvent être manipulés par d’autres
attracteurs magnétiques au cours de la chondrogenèse : c’est ainsi que mon
équipe est parvenu à obtenir de plus grands amas de cellules souches grâce à la
fusion de plusieurs agrégats. Un tel assemblage de cellules ne peut être obtenu
directement par centrifugation : en effet, si l’amas initial est trop
important, les cellules emprisonnées au cœur du sphéroïde n’ont pas accès aux
nutriments ainsi qu’aux molécules induisant la chondrogenèse, et finissent par
mourir sans pouvoir se différencier. Par une suite de manipulations, mes
collègues ont pu former un “carré” de 16 agrégats, comprenant un total de 4
millions de cellules souches. Et le résultat s’avère concluant : les
cellules se différencient et fabriquent une matrice abondante de collagène.
Prochaine étape : l’implantation chez un modèle animal, pour vérifier
l’innocuité de ce cartilage “vivant”, en espérant qu’il parvienne facilement à
fusionner avec le tissu déjà présent. Mais cette fois, je ne devrais plus
figurer parmi les auteurs, me permettant de recouvrer pleinement ma neutralité
journalistique ! Source : D. Fayol et al., Use of
Magnetic Forces to Promote Stem Cell Aggregation During Differentiation, and
Cartilage Tissue Modeling
, Advanced Materials, 22 mars
2013.

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T’as de beaux yeux, l’tarsier !

tarsier
Les yeux du tarsier nous renseignent sur l’évolution du système visuel chez
les primates anthropoïdes.
Parmi les prodiges polymathes qui ont marqué
l’histoire des sciences, on pense plus volontiers à Léonard de Vinci qu’à
l’anglais Thomas Young (1773-1829). Ce
dernier a pourtant participé au déchiffrement de la pierre de Rosette, inventé
les fentes (d’Young) qui lui ont
permis de mettre en évidence l’interférence des ondes lumineuses et découvert
le phénomène qui nous intéresse ici : la présence dans la rétine de trois
familles de cellules nerveuses, chacune sensible à une couleur différente
(rouge, vert et bleu). Il a fallu attendre un siècle et demi pour qu’en 1956,
le neurophysiologiste Gunnar Svaetichin observe expérimentalement ces trois
types de cellules photoréceptrices, appelées cônes. On a depuis appris que si
nous partagions avec les primates ce système dit trichromatique, la plupart
des mammifères sont eux dichromates alors que poissons, oiseaux et autres
reptiles ont une vision tétrachromatique. D’où nous vient cette
particularité ? La réponse pourrait venir du tarsier, un curieux petit
primate habitant les forêts d’Asie du Sud-Est, connu pour ses grands pieds mais
aussi pour ses yeux énormes : le neurologue croate Stephen
Polyak
le considère comme l’animal ayant les plus gros yeux relativement à
la taille de son corps, chaque œil étant aussi gros que son cerveau (la

comparaison
en images avec l’homme est impressionnante). La famille des tarsiers a très tôt divergé des autres primates (pour en
savoir plus sur l’arbre phylogénétique des primates, n’hésitez pas à consulter
le site onezoom.org), d’où
l’intérêt suscité par ces petits singes pour remonter aux origines des primates
anthropoïdes. Particularité des tarsiers modernes par rapport à leurs cousins
primates simiiformes : ils sont tous
dichromates, phénomène que les zoologues associent à la taille démesurée de
leurs yeux, adaptée à la vie nocturne. Mais en comparant chez plusieurs espèces
la séquence du gène codant l’opsine,
la protéine qui réagit à la lumière au niveau du cône, des biologistes du
Darmouth College (États-Unis) et de l’université de Tokyo (Japon) ont montré
que leurs ancêtres auraient pu distinguer trois couleurs, remettant en cause
l’évolution supposée du système visuel chez les primates.

Peut-on distinguer trois couleurs dans le noir ?

L’arbre phylogénétique des tarsiers montre qu’un ancêtre commun pouvait
présenter une vision trichromatique, alors qu’il possédait déjà des yeux
imposants adaptés à une très faible luminosité.
Alors que certains, comme le tarsier des Philippines (Tarsius
syrichta
) ou le tarsier spectre (Tarsius tarsier), présent à

Célèbes
(Indonésie), sont plutôt sensibles au rouge
(λ = 553 nm), d’autres, comme le tarsier de Horsfield
(Tarsius bancanus), fréquent à Bornéo, détectent le vert
(λ = 538 nm). Ces différences de photosensibilité dépendent de
quelques nucléotides sur le gène
codant l’opsine, aboutissant à une opsine L sensible au rouge et à une opsine M
sensible au vert. En reconstituant l’histoire des mutations ayant abouti aux
trois séquences actuelles, les chercheurs ont montré qu’une forme primitive du
gène de l’opsine existait chez un ancêtre commun (on parle de groupe-couronne), une
forme hybride notée opsine L/M qui pouvait aboutir dans certains cas à une
vision trichromatique, sensible à la fois au rouge et au vert. Or au Miocène
supérieur, époque supposée de la divergence génétique ayant abouti au
dichromatisme actuel des tarsiers, les fossiles présentaient déjà des orbites
impressionnantes, ce trait apparaissant dès l’Éocène moyen, soit environ 30
millions d’années plus tôt. C’est cette concomitance de caractères jugés incompatibles qui a intrigué
Amanda Melin et ses collègues. En effet, “ce tandem paradoxal entre une
vision trichromatique et des yeux hypertrophiés est déroutante ; elle indique
qu’une lumière faible plutôt qu’un mode de vie diurne a été un facteur
important dans l’évolution des tarsiers
“. En d’autres termes, les gros
yeux du tarsier, que l’on pensait associés à une vie nocturne, pourraient
également être adaptés à la tombée de la nuit, de même que la vision
trichromatique, qui était jusqu’alors synonyme de mode de vie diurne. Alors que la théorie actuelle était que les premiers primates anthropoïdes
étaient trichromates et diurnes, et que le comportement nocturne des tarsiers
constituait un “retour en arrière” spécifique à cette branche, ayant abouti à
la perte de sensibilité pour une couleur, les chercheurs montrent dans cette
étude que l’ancêtre originel des haplorrhiniens se situait plutôt à mi-chemin
entre les deux comportements observés aujourd’hui : sa vision était
trichromatique et mésopique,
c’est-à-dire adaptée à la faible lumière de la tombée de la nuit. Alors que les
autres primates se tournaient de plus en plus vers le grand jour, les tarsiers
choisissaient eux un mode de vie essentiellement nocturne. Pour les chercheurs,
cette évolution aurait pu être contrainte par une baisse des
précipitations : ne pouvant plus profiter de la pluie pour approcher de
façon furtive les insectes dont il se nourrit, le tarsier a commencé à chasser
de nuit, développant alors une sensibilité unique pour les
ultrasons
pour évoluer dans le noir. Que de records pour un si petit
gremlin ! Source : A.D. Melin et al., Inferred
L/M cone opsin polymorphism of ancestral tarsiers sheds dim light on the origin
of anthropoid primates
, Proceedings of the Royal Society B, 27
mars 2013.
Crédit photo : Sakurai Midori – Wikimedia
Commons.
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La crucifixion tape sur les nerfs

crucifixion
Sur de nombreuses représentations artistiques (comme ce tableau de Franz
Christoph Janneck), le Christ sur la croix semble faire le signe de la
bénédiction.
À l’occasion, des médecins tentent de reconstituer le dossier médical de
patients depuis longtemps disparus, faisant alors s’entrecroiser histoire et
sciences. Ainsi, une récente étude a montré que l’athérosclérose, maladie
artérielle que l’on pensait associée à notre régime hypercalorique
contemporain, frappait déjà les
Égyptiens
momifiés il y a 4 000 ans. Un examen attentif du rapport
d’autopsie de Vladimir Ilitch Oulianov, plus connu sous le nom de Lénine, fait
dire aujourd’hui à des médecins californiens que le leader de la Révolution
d’Octobre aurait été emporté prématurément, à l’âge de 53 ans, par une

maladie génétique
rare. De même, de nombreux médecins ont tenté de percer
le mystère de la maladie qui a poussé Vincent Van
Gogh à se couper l’oreille. Suivant cette tradition, une équipe de neurologues
s’est penchée sur une singularité observée dans de nombreuses œuvres d’art
représentant le Christ sur la croix : la posture particulière de ses mains
clouées. Faut-il y voir un message religieux ou le signe d’un trouble
neurologique ? Apparue dans l’Empire perse au cinquième siècle avant notre ère, le
crucifiement s’est progressivement répandu dans tout le pourtour méditerranéen,
sous l’impulsion d’Alexandre le Grand. Ce châtiment est ensuite devenu sous
l’Empire romain un mode d’exécution répandu pour punir esclaves, pirates,
prisonniers de guerre et autres criminels étrangers, avant d’être interdit par
l’empereur Constantin Ier en 337. Cette méthode particulièrement
cruelle est restée “célèbre” comme le mode d’exécution de Jésus de Nazareth. Le
Christ en croix est depuis lors l’une des figures les plus fréquentes de
l’iconographie chrétienne. Parmi les innombrables représentations du
crucifiement de Jésus, un détail, retrouvé dans un grand nombre d’œuvres
d’époques, de cultures et de styles différents, a intrigué Jacqueline Regan, de
l’hôpital Inova Fairfax de Falls Church, en Virginie (États-Unis) et ses
collègues : les mains du Christ adoptent une position particulière,
l’auriculaire et l’annuaire complètement pliés, le majeur l’étant partiellement
contrairement à l’index et au pouce, tendus.

Tout est une histoire de nerfs

Le nerf ulnaire aboutit dans l’annuaire et l’auriculaire, alors que le nerf
médian innerve pouce, index et majeur.
Cette posture singulière des doigts de la main serait une conséquence
directe de la crucifixion, selon les neurologues américains. La position du
corps adoptée sur la croix (les deux bras en l’air, les épaule formant un angle
d’environ 135°) cause une forte contrainte mécanique sur un nerf traversant le
bras jusqu’aux extrémités de certains doigts : le nerf médian. Cette pression
sur le nerf médian peut compromettre la circulation sanguine, comme cela a été
montré chez des rats et des lapins ; cette ischémie, si elle est
prolongée, dégrade à son tour la fonction de certains nerfs périphériques et
entraîne in fine la dénervation de certains muscles de l’avant-bras.
Ces défauts nerveux, causés non pas directement par le clou, planté la chair
entre les os métacarpiens, mais par la position contrainte du corps sur la
croix, se traduisent par l’incapacité de fléchir le pouce, l’index et le
majeur. En revanche, le fonctionnement du nerf ulnaire n’est pas entravé
par la crucifixion : le crucifié garde le contrôle de ses annulaire et
auriculaire. Le majeur, innervé à la fois par le nerf ulnaire et le nerf
médian, ne conserve lui qu’une capacité de flexion partielle. Le tableau
neurologique dressé par les médecins américains permet de retrouver très
exactement la posture de la main qu’adopte Jésus sur ces tableaux. Les neurologues américains ne sont pas les premiers à s’intéresser de près à
la crucifixion. Leurs travaux s’inscrivent dans une longue suite de
recherches, parmi lesquels
ceux de Frederick Zugibe, qui
n’a pas hésité en 1989 à accrocher des cobayes humains sur une croix pour
comprendre la cause finale de la mort : asphyxie, arrêt cardiaque ?
L’expert de médecine légale penchant finalement pour la “théorie du choc”.
Jacqueline Regan et ses collègues ont semble-t-il été tentés de suivre la même
voie expérimentale mais “des considérations éthiques rendent cette option
déraisonnable
“. Loués soient-ils ! Source : J.M. Regan et al., Probing the statistical properties of unknown
texts: application to the Voynich Manuscript
, Brain and Behavior, 18 mars
2013.
Crédit photo : Wikimedia Commons. Continue reading

Les statistiques à l’assaut du manuscrit Voynich

Voynich
Le manuscrit Voynich (ici, le soixante-dix-huitième feuillet) résiste encore
aux linguistes, dont certains doutent qu’il s’agisse d’un texte
authentique.
Il est passé entre les mains de Rodolphe II,
empereur du Saint-Empire romain germanique, de Georg Baresch, alchimiste
pragois, et des Jésuites italiens de la Villa Mondragone de Frascati avant
d’atterrir en 1912 chez le collectionneur polonais Wilfrid Michael Voynich –
qui lui a laissé son nom – et de finir sa course à la Bibliothèque Beinecke de
l’université Yale, aux États-Unis. Outre un parcours tortueux, pourquoi le
manuscrit Voynich et ses 234 pages de vélin finement illustrées à la plume
d’oie (vous pouvez le feuilleter sur le site de la
bibliothèque américaine), datant selon de récentes
analyses
au carbone 14 du début du XVe siècle, intrigue autant ?
Car plus de cent ans après sa redécouverte, les linguistes restent incapables
de dire en quelle langue a été rédigé ce bréviaire semblant évoquer la
botanique, l’astronomie ou encore des recettes de cuisine. Trois hypothèses se
font face : le manuscrit est un faux, sans aucune signification ; le texte,
écrit dans une langue connue, est crypté ; le manuscrit est rédigé dans une
langue inconnue à ce jour. Pour trancher ce débat, des chercheurs de l’Institut
de physique de São Carlos (Brésil), épaulés par des compatriotes travaillant en
Allemagne, ont passé le manuscrit Voynich à la moulinette statistique afin de
connaître la vraie nature de ce mystère linguistique. Depuis de nombreuses années, la littérature constitue l’un des terrains de
jeu favoris des physiciens statisticiens (n’hésitez pas à lire à ce sujet le

passionnant article
de David Louapre sur les propriétés
statistiques exceptionnelles de Moby Dick). Outre la fameuse
loi de
Zipf
selon laquelle le vocabulaire employé dans tous les livres suit une
même règle générale, relative à la fréquence des mots utilisés (et qui se
vérifie pour le manuscrit Voynich), de nombreuses autres mesures permettent de
distinguer un texte signifiant d’une suite stochastique de lettres.
Luciano
Costa
et ses collègues ont ainsi défini une série de 29 grandeurs
statistiques calculables pour un texte, comme la taille du lexique utilisé,
l’intermittence des mots (les articles définis “le” ou “la” reviennent
régulièrement, alors qu’un mot-clé, normalement rare, va se faire plus fréquent
dans la portion du texte consacré à ce thème) ou encore la répétition d’un
couple de mots dans le même ordre (certains couples vont réapparaître plus
souvent que si les mots étaient répartis aléatoirement, car leur sens est
associé).

L’empreinte du sens

Comparé au Nouveau Testament (la cloche rouge), le manuscrit
Voynich (en tirets) présente un plus grand nombre de mots revenant par
à-coups dans le texte.
Ces grandeurs ont été calculées pour plusieurs textes rédigés en anglais et
en portugais, ainsi que pour 15 traductions différentes du Nouveau Testament,
puis comparées à celles correspondant à des copies aléatoires de ces mêmes
textes. Les chercheurs ont sélectionné celles dont les valeurs étaient
sensiblement différentes dans les deux cas pour construire un test robuste
permettant de distinguer un texte sensé d’une suite des mêmes mots distribuée
au hasard. Les tests statistiques révèlent selon les physiciens brésiliens que “le
manuscrit Voynich n’est pas compatible avec des textes dont les mots ont été
mélangés, et ainsi rendus dépourvus de sens
“, mettant à bas la thèse d’un
faussaire ayant garni à partir d’un alphabet construit
de toutes pièces des pages entières de mots sans signification. De plus, les
différentes grandeurs calculées à partir du manuscrit mystérieux sont assez
voisines de celles obtenues pour le Nouveau Testament, à l’exception de
l’intermittence qui est plus élevée que dans le texte biblique. Pour les
chercheurs, cela est sans doute lié à la nature du manuscrit Voynich, qui
s’apparente à un abrégé évoquant différents thèmes, d’où la surabondance de
mots qui reviennent régulièrement. Le manuscrit serait néanmoins compatible
avec une langue naturelle et ne serait donc pas écrit dans une langue
construite comme l’espéranto. Enfin, cette analyse statistique du manuscrit Voynich est même parvenue à
repérer les mots probablement les plus signifiants du texte, en isolant les
mots-clés (ceux qui reviennent à intervalle régulier dans une fraction du
texte) les plus fréquents, équivalents des Pilate, Hérode et Marie du Nouveau
Testament. Reste à savoir ce que peuvent bien signifier cthy,
qokeedy ou encore lkaiin pour que les linguistes parviennent
enfin à bout de cette version récalcitrante. Source : D.R. Amancio et al., Probing the statistical properties of unknown
texts: application to the Voynich Manuscript
, arXiV, 5 mars
2013.
Crédit photo : Wikimedia Commons. Continue reading

Suricates et sécurité routière : le cruel compromis

suricate
Ces suricates survivront-ils à l’enfer du bitume sud-africain ?
Dans un précédent article, nous avions
abordé le mécanisme original choisi par pucerons et coccinelles pour échapper à
la mastication prédatrice des chèvres. De la même façon, de nombreuses espèces
ont coévolué et appris à coexister pour forger des interactions
biologiques
complexes, parfois symbiotiques, sinon neutralistes. Mais
qu’advient-il lorsque l’une de ces espèces est Homo sapiens, dont
l’apparition, récente à l’échelle de l’histoire de
l’évolution
, s’avère pourtant déjà lourde de conséquences sur son
environnement ? Les espèces appartenant aux mêmes écosystèmes ont-elles pu
s’adapter rapidement à la présence de leurs
voisins les hommes
? Deux chercheurs zurichois, Nicolas Perony et Simon Townsend,
se sont ainsi penchés sur la façon dont les suricates (Suricata
suricatta
) du désert du Kalahari,
en Afrique du Sud, se sont familiarisés avec les routes qui traversent depuis
quelques décennies leur habitat ancestral. Ces travaux s’inscrivent dans le Kalahari Meerkat
Project
, un projet de recherche consacré à l’étude aux comportements
sociaux de ces petits mammifères africains, et ce depuis 1993 (n’hésitez pas de
faire un tour dans la galerie photo du
KMP). Le site, proche de la frontière botswanaise, est installé dans une région
certes désertique mais entrecoupée de nombreuses routes reliant les différentes
destinations touristiques comme les Chutes
d’Augrabies
. Les chercheurs en ont profité pour observer plusieurs groupes
de suricates lors de leur traversée de la route la plus proche du camp. Au sein
des groupes, les chercheurs se sont plus particulièrement intéressés au sort de
la femelle dominante, qui structure la vie sociale de la colonie. En suivant la
dynamique du groupe lors de la traversée, ils ont pu constater que “bien
qu’elle mènent plus souvent, les femelles dominantes restent devant le groupe
et traversent en premier moins souvent que les subordonnés
“, auxquels
elles laissent leur place à l’approche de l’obstacle. D’où provient cette
différence de comportement face au danger ?

Simuler la dynamique sociale des suricates

La femelle dominante (en rouge) mène le reste du groupe jusqu’au
moment où ils s’approchent de la route.
Pour le savoir, les chercheurs se sont déplacés du désert sud-africain… à
une salle informatique. Ils ont en effet modélisé le déplacement d’un groupe de
huit suricates à partir d’équations mathématiques simples. Ce modèle
minimaliste, proposé par le physicien hongrois Tamás Vicsek en 1995, est
aujourd’hui largement utilisé pour l’étude des mouvements collectifs. Dans ce
cas, la route est assimilée à ce que les physiciens appellent une barrière de
potentiel : si une particule vient la percuter avec une faible énergie, elle
est défléchie (un
simulateur
très ludique explique ce concept dans le cas des ondes). Pour
nos suricates, cela signifie que l’animal ne traverse pas la route s’il s’en
approche avec trop peu d’élan. Pour retrouver le comportement différent des femelles dominantes et des
animaux subordonnés, les simulations numériques doivent intégrer une barrière
de potentiel de hauteur variable. Si la femelle dominante freine au moment de
traverser la route et laisser passer devant elle les subordonnés, c’est que la
barrière est plus haute pour elle et qu’elle franchit donc l’obstacle plus
difficilement que les autres membres du groupe. Traduit en termes
comportementaux, cette barrière plus haute signifie une plus grande aversion au
risque, d’environ 40%, des femelles dominantes par rapport aux subordonnés. Comment expliquer ce comportement égoïste des femelles dominantes, qui
laissent en première ligne les individus de second rang de la colonie, au lieu
de se sacrifier pour le bien de la communauté ? Si elles cherchent à se
protéger, ce serait peut-être pour préserver la stabilité du groupe, les
zoologistes du KMP ayant constaté que les groupes se dispersent parfois à la
mort de la femelle dominante. Qu’elle que soit la cause de ce comportement, il
est évident que les suricates se sont adaptés à l’apparition des routes dans
leur environnement et ont fait évoluer leurs règles collectives en accord avec
ces nouvelles menaces. Pour Nicolas Perony et Simon Townsend, “ces
résultats constituent une lueur d’espoir et suggèrent que les animaux peuvent
s’adapter et coexister avec succès avec l’homme, en dépit de son intrusion
toujours plus forte
“. Source : N. Perony et S.W. Townsend, Why
Did the Meerkat Cross the Road? Flexible Adaptation of Phylogenetically-Old
Behavioural Strategies to Modern-Day Threats
, PLoS ONE, 18 février
2013.
Crédit photo : Ashleigh Thompson – Wikimedia Commons (CC BY
2.0).
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