Centre de Vulgarisation de la Connaissance

Au sein du Laboratoire des Sciences du Climat et l'Environnement, près de 250 personnes travaillent en collaboration dans le but de comprendre les variations du climat au cours du temps et de prévoir son évolution future. Toutes les compétences (physiciens, chimistes, géologues, biologistes, informaticiens, ?) sont réunies pour traquer les informations sur les climats du passé - les paléo climats - à partir de sédiments et coraux marins, de glaces polaires, d'éléments continentaux. Un des buts : déterminer les différents mécanismes à prendre en compte dans une modélisation numérique permettant de reproduire les changements climatiques passés et présents et utiliser ces modèles numériques pour simuler le climat futur.

Qu'est-ce que le climat ?

Le mot « climat » vient du mot grec klima, qui désigne l'inclinaison. En effet, c'est parce que l'axe de rotation de la Terre est incliné qu'il existe des saisons. Et cette inclinaison varie avec le mouvement de rotation de la Terre autour de son axe. Petite démonstration avec la toupie qu'Elisabeth Michel a apportée avec elle ! L'incidence avec laquelle les rayons du Soleil atteignent la surface du globe terrestre change en fonction de l'inclinaison de la Terre. Lorsque les rayons solaires arrivent perpendiculairement à la surface terrestre, l'échauffement est maximal et cette partie de la planète sera en période estivale. À l'inverse, lorsque les rayons arrivent obliquement à la surface de la Terre, c'est l'hiver.

Avec ses 6000°C en surface, le Soleil est une boule de feu qui fournit de l'énergie à la Terre et a donc un rçle fondamental dans son climat. Cependant, si la planète ne possédait pas d'atmosphère, la température moyenne de la Terre serait que -18°C ! Heureusement pour un grand nombre d'êtres vivants, la température terrestre est en moyenne 15°C grâce à l'effet de serre provoqué par la présence de l'atmosphère. Eh oui, l'effet de serre est indispensable pour garder la chaleur à la surface de la Terre, ce qui a permis à divers organismes, dont les Hommes, de se développer. Mais qu'est-ce que c'est l'effet de serre ?

Principe de l'effet de serre

La lumière visible du Soleil est réémise sous forme d'infrarouge par la Terre. L'atmosphère en réabsorbe une partie © Ademe-Guyane

De façon simplifiée, le rayonnement solaire est composé principalement de lumière visible. L'atmosphère est transparente pour cette chaleur « visible » qui atteint donc la surface de la Terre. Une bonne partie de ce rayonnement incident est absorbée (30% seulement réfléchis vers l'espace). La Terre, corps beaucoup plus froid, rayonne, elle, dans l'infrarouge. Les gaz à effet de serre de l'atmosphère absorbent une partie de cette chaleur rayonnée, et la re-émettent dans toutes les directions : une moitié vers l'espace, une moitié vers la Terre, contribuant ainsi au réchauffement de sa surface. Quand la teneur en gaz à effet de serre augmente, une plus grande partie du rayonnement IR de la Terre est donc piégée, et la température de la planète augmente. J. Fourier (1786-1830) l'expliquait ainsi à ses contemporains : « La température de la Terre est augmentée par l'interposition de l'atmosphère car la chaleur trouve moins d'obstacle pour pénétrer l'air, étant à l'état de lumière, qu'elle n'en trouve pour repasser dans l'air lorsqu'elle est convertie en chaleur obscure ».

A cause de l'inclinaison de la Terre, la chaleur reçue du Soleil est différente en fonction de la période de l'année et de la région de la planète où l'on se trouve. De plus, l'absorption de cette chaleur n'est pas identique au sein d'une même bande de latitude : la nature de la surface de la Terre (désert, neige, océan, ?) ainsi que son relief influent sur l'absorption de chaleur. Elisabeth Michel nous donne un exemple. Quand on met un t-shirt blanc ou noir, on a respectivement moins et plus chaud, car le blanc réfléchit la lumière alors que le noir l'absorbe. C'est pareil pour la surface du globe ! Par ailleurs, une fois la chaleur solaire absorbée, elle est distribuée à travers la surface de la planète par les océans et l'atmosphère. Les circulations océaniques et les vents vont eux aussi faire varier la chaleur apportée à des régions se trouvant à une même latitude. Par exemple, il fait beaucoup plus froid en hiver en Amérique du Nord qu'en Europe (et pourtant Montréal et Bordeaux se trouvent à la même latitude) à cause de la circulation océanique, et plus précisément du courant de surface : en Europe, le Gulf Stream réchauffe l'atmosphère près de nos cçtes. Ensuite, lorsque cette eau de surface monte vers le nord, elle se refroidit et comme elle est salée, elle devient plus dense et plonge. Elle forme ainsi le courant de profondeur.

Elisabeth Michel nous fait vite comprendre que de nombreux et divers paramètres interviennent dans l'évolution et dans la mise en place du climat à un moment donné et qu'il faut en prendre le maximum en compte si on veut comprendre ce qui s'est passé.

Comment étudier les climats passés ?

Afin de déterminer la nature du climat à une époque donnée, il faut savoir comment arrivait la chaleur du Soleil à la surface de la Terre, quelle était la composition de l'atmosphère en gaz à effets de serre, comment était le transport de chaleur par les océans et l'atmosphère et comment cette chaleur était absorbée. Dans ce but, les scientifiques ont différents terrains de recherche : les océans, les glaciers, les continents et, pour la période récente, les archives d'historiens !

En effet, le travail avec les historiens est intense car la connaissance de l'évolution du comportement des habitants d'un village ou d'une ville peut aider dans la détermination de différents paramètres d'une époque précise. Par exemple, la maturation du raisin dépend de façon très étroite du climat (température) et si on connaît les dates de vendanges locales, on peut en déduire les conditions climatiques !

Par ailleurs, la détermination de l'âge et de la composition d'éléments continentaux comme les arbres, les roches, le pollen constitue un outil précieux pour la climatologie. En étudiant un arbre par exemple, on peut connaître son âge en comptant ses cernes, ses conditions climatiques idéales de croissance, la composition en carbone de sa cellulose, ? L'identification de grains de pollen permet de déterminer s'il s'agit d'une époque propice à la croissance de plantes « chaudes » ou « froides ». Par contre, l'étude des pollens présente une limite?, l'agriculture existant depuis près de 5000ans, c'est l'Homme qui choisit les plantations et non pas les conditions climatiques !

Lame mince de glace (en noir des bulles d'air)

© Volodia Lipenkov

Les glaciers constituent un autre objet d'étude très important. Année après année, la neige se dépose en couches enfermant des bulles d'air, des poussières, ? qui conservent une trace des conditions climatiques de leur époque. Une analyse, cm par cm, d'un échantillon cylindrique prélevé depuis la surface permet de déterminer la composition de l'atmosphère, la température au-dessus de la calotte aux époques où se sont déposées les couches de neige. Les scientifiques partent en missions internationales de terrain en Antarctique, au Groenland, où ils participent à la logistique des forages, des découpes des échantillons avant de les ramener en France pour finir de les découper et les analyser. Actuellement, grâce à cette stratégie, la plus ancienne datation d'un échantillon provenant d'un glacier est presque de 120 000 ans pour le Groenland et 1 millions d'années pour l'Antarctique !

Carottes de sédiments marins

© Graham Tullah, BGS

Dans le cas de l'étude des océans, les sédiments marins provenant de profondeurs variables sont analysés. Elisabeth Michel propose au public un petit détour par les anciennes caves du château du CNRS où, à la place des bonnes bouteilles, on trouve aujourd'hui des carottes ! Pas les ombellifères orange de nos marchés? mais des cylindres de sédiments marins issus de « carottages », conservés par centaines dans ces caves dont l'humidité les préserve du dessèchement. Elles proviennent d'à peu près tous les bassins océaniques du monde et sont des archives des climats du passé, que viennent étudier les chercheurs du LSCE mais aussi d'autres laboratoires du monde entier. Elles portent les initiales du bateau qui les a prélevées : MD comme Marion-Dufresnes, par exemple qui peut rapporter des carottes de 65 m d'un seul tenant.

navire Marion Dufresnes

© Wikimediacommons

Sur le plancher océanique, croûte terrestre en basalte, les sédiments se déposent inlassablement cm par cm, millénaire après millénaire. Ils renferment de précieuses informations sur l'époque à laquelle ils se sont déposés et permettent de déterminer le niveau des mers, miroir de la taille des calottes de glace qui stockait l'eau sur les continents. Ainsi une carotte est une succession de zones claires, du calcaire fabriqué par des organismes vivants, signe de températures clémentes ou de zones plus foncées, de l'argile seul par exemple quand il faisait trop froid pour que la vie foisonne. On y trouve aussi des cailloux, rapportés par les icebergs. La carotte qu'Elisabeth Michel montre au public a beaucoup servi? de carotte-témoin ! Les lycéens des environs sont venus en étudier des petits morceaux et les prélèvements qu'ils ont faits ont été rebouchés par du polystyrène pour éviter que les sédiments ne se mélangent avec les couches inférieures car c'est bien cela le secret de la carotte : chaque tranche représente une époque. Quand la vitesse de sédimentation est lente (1 ou 2 cm par millier d'années), on remonte aux conditions climatiques d'époques vieilles de quelques millions d'années. Au contraire, quand les sédiments s'accumulent plus vite (plus de 30cm par millier d'années par exemple), on voyage moins loin dans le temps mais on obtient plus de détails, bien utiles notamment pour étudier les variations rapides du climat. Pour remonter à des époques encore plus reculées, le simple carottage - qui consiste à enfoncer un cylindre creux dans le sédiment en chassant l'eau avec un piston se maintenant à l'interface eau-sédiment, tel une seringue dont on maintiendrait le piston en place et enfoncerait le corps - ne suffit plus. Il faut de réelles machines de forage, comme celle des pétroliers qui peuvent descendre jusqu'à 2 km. On peut retrouver ainsi des archives vieilles de 200 millions d'années sur les plus vieux planchers océaniques (Nord-ouest Pacifique). Cette frontière dans le temps est lié à l'âge même du plancher océanique : à cause du mouvement des plaques sur le manteau terrestre, elles finissent toujours par plonger sous une autre, perdant à jamais les sédiments accumulés.

Les scientifiques, comme les chercheurs d'or, tamisent les sédiments marins et se partagent le précieux butin selon leur spécialité. On y trouve par exemple des squelettes ou microfossiles de différentes espèces et de formes variées comme les foraminifères. Le scientifique choisit alors une espèce dont il va étudier l'habitat naturel, faire des analyses de composition chimique (en regardant les isotopes du carbone qui permettent d'appréhender la circulation océanique de l'époque, ou ceux de l'oxygène qui donnent une indication du niveau marin par exemple) à partir de nombreuses toutes petites coquilles (de l'ordre du 10ème de millimètre !).

Comment expliquer les changements climatiques ?

Pingouins de la grotte Cosquer

© Ministère de la Culture

En travaillant avec les historiens, les scientifiques se sont rendu compte que les dessins faits par les hommes des cavernes sont des archives précieuses pour comprendre l'évolution du climat. Par exemple, dans la Grotte Cosquer qui se trouve au bord de la Méditerranée, des archéologues ont repéré des dessins de pingouins. Or, cette grotte se trouve de nos jours 37 mètres en dessous du niveau de la mer ! Nos ancêtres d'il y a 20 000 ans plongeaient-ils pour aller faire ces dessins ? Probablement pas ! Grâce aux études de carottes de glace et de sédiments marins, les scientifiques peuvent affirmer qu'à ce moment là, il y avait une calotte de glace, telle celle du Groenland sur l'Amérique du Nord et sur le Nord de l'Europe. Plus de glace, moins d'eau, le niveau de la mer était 120 mètres plus bas que ce qu'il est à nos jours. L'accès à la grotte était donc libre et le climat favorable aux pingouins !

A partir de nombreuses études des climats passés, les scientifiques ont mis en évidence des alternances entre des périodes glaciaires (comme à l'époque des dessins de la Grotte Cosquer) et interglaciaires (comme aujourd'hui) au cours du temps où la température moyenne de la Terre est passée de 15°C lors d'une période interglaciaire à 9 à 10°C lors d'une glaciation.

Mais pourquoi le climat connait-il de telles évolutions ? Un scientifique serbe, Milutin Milankovitch, a calculé en 1924 les variations de la quantité de chaleur reçue par la Terre aux différentes latitudes, liées aux variations périodiques du mouvement de la Terre autour du Soleil : la précession de l'axe de rotation de la Terre (périodicité : 19 000 à 23 000 ans), son inclinaison (périodicité : 41 000 ans) et l'excentricité de l'orbite terrestre autour du Soleil (périodicités : 100 000, 130 000, 410 000 ans?..).

Cycles de Milankovitch

© Wikimediacommons

Dans les années 1970, les scientifiques ont constaté grâce aux carottages océaniques que les alternances glaciaires-interglaciaires sont bien en accord avec cette théorie. Il a donc fallu quelques décennies pour confirmer la théorie astronomique des paléoclimats de Milankovitch !

Comment prédire les changements climatiques dans le futur ?

Maintenant que les spécialistes comprennent de mieux en mieux les mécanismes impliqués dans l'évolution du climat dans le passé, peuvent-ils prévoir les changements dans 10, 20, 100 ans ? Elisabeth Michel nous explique que toutes les données recueillies vont servir à alimenter des modèles informatiques de climat. Il s'agit de codes informatiques dans lesquels on rentre sous forme d'équations mathématiques un certain nombre de lois physiques qui régissent par exemple la circulation de l'atmosphère, de l'océan ainsi que leur évolution au cours du temps. Ces codes permettent de calculer les caractéristiques du climat à une période donnée passée, actuelle ou future. Une des limites des modélisations en climatologie est la puissance des ordinateurs : avec autant de paramètres (atmosphère, surface continentale, océan, aérosols, chimie atmosphérique, végétation dynamique, ?) les calculs sont longs et compliqués et nécessitent des machines extrêmement performantes !

Différents forçages climatiques

© Elisabeth Michel

À partir des climats passés, on peut valider le modèle en comparant avec les études d'échantillons. Par contre, il est très difficile de réaliser des prévisions à long terme car on ne peut pas affirmer avec certitude comment évolueront les différents paramètres, notamment la teneur en gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Le meilleur modèle doit donc compter les forçages naturels mais aussi les forçages d'origine humaine. Or, même s'il est déjà connu qu'une partie du CO2 émis dans l'atmosphère par les activités humaines reste dans l'atmosphère, on ne sait pas précisément comment l'autre partie est prise en charge. Les « puits de carbone » sont les océans et les végétaux, mais quelle est la part de CO2 absorbée par l'un ou l'autre ? Et comment cela va-t-il évoluer si le taux d'émission de ce gaz continue à augmenter ?

Par ailleurs, on ne sait pas non plus combien d'habitants peupleront la Terre dans quelques années, quelles seront les activités humaines, la consommation, les gaspillages, ? Les scientifiques s'allient à des économistes cette fois-ci pour envisager différents scénarios. Et, ce n'est pas une nouveauté, dans le cas du scénario où la population continue à augmenter et nos productions et consommations restent aussi intenses, un réchauffement climatique important peut avoir lieu. L'entrée en période glaciaire, qui aurait pu avoir lieu dans 50 000 ans, semble déjà compromise, tellement l'Homme a modifié l'équilibre climatique. Elisabeth Michel souhaite néanmoins terminer ce « jeudi de la recherche » par une note plus optimiste : si chacun change un peu ses habitudes, évite le gaspillage, on a encore une marge de man?uvre assez importante pour faire changer les choses !

Pour voir les scientifiques dans leurs laboratoires

Une mécanique bien réglée

Seuls les êtres humains disposent d'un réveil. Et pourtant, le coq chante le lever du jour, les oiseaux gazouillent, nombre d'animaux sortent de leur léthargie nocturne lorsque les étoiles cèdent leur place au soleil, tandis que d'autres, au contraire, n'abandonnent la sécurité de leur terrier qu'à la nuit tombée. Qu'est-ce qui déclenche toute cette activité ? Chaque être vivant possède une « horloge interne » qui contrçle la succession des périodes d'activité et des périodes de sommeil. Elle régule ainsi le rythme biologique sur une période d'environ 24 heures, ce qui lui vaut la dénomination d'horloge « circadienne » (du latin « environ un jour »). La durée de cette période permet d'être en phase avec l'alternance du jour et de la nuit, due à la rotation de la Terre sur elle-même. Le rçle de l'horloge est de préparer l'organisme au réveil, même avant la fin de la période d'obscurité (ou de lumière pour les organismes nocturnes), de suivre l'évolution des saisons, grâce aux variations de durée du jour, et de mettre en place les différentes fonctions physiologiques aux différents moments de la journée. Cette horloge tourne même en l'absence d'alternance du jour et de la nuit, permettant aux êtres vivants (animaux ou végétaux) de préserver leur rythme d'activité dans des conditions artificielles, parce qu'ils savent toujours où ils en sont dans le temps. Les grands voyageurs, ceux qui franchissent les fuseaux horaires lors de voyages long-courrier par exemple, connaissent bien les effets de leur horloge circadienne : elle les fait tomber de sommeil en arrivant à New York au milieu de l'après-midi, alors que les habitants sur place sont en pleine activité. Il faut plusieurs jours pour recaler son horloge sur le rythme local : on compte en général un jour par heure de décalage soit environ 6 jours pour un Parisien à New York.

Un réveil dans la tête

Neurones d'horloge dans le cerveau d'une drosophile. © Laboratoire NGI (CNRS)

André Klarsfeld explique aux visiteurs, à l'aide de posters soigneusement préparés à leur intention, que le cerveau humain contient cette horloge interne. Elle se situe dans une partie spécialisée à l'arrière de la tête - l'hypothalamus-, au niveau de ce que les anatomistes appellent le noyau suprachiasmatique, à la croisée des voies visuelles (l'?il gauche projette l'influx visuel à droite tandis que l'?il droit projette l'influx visuel à gauche). Ce n'est pas un hasard si l'horloge se situe sur le trajet des voies visuelles qui informent sur l'alternance jour / nuit puisqu'il faut voir la lumière pour pouvoir se recaler sur les conditions environnementales locales.

Curieux de mieux comprendre le fonctionnement de cette horloge qui siège en nous, les jeunes scientifiques en herbe de l'assistance ne manquent pas de questionner le chercheur sur l'existence d'un tel rythme d'activité chez les organismes qui ne sont pas soumis aux alternances jour / nuit, comme ceux vivant aux fins fonds des grottes ou ceux plus ou moins profondément cachés dans le sol qui souvent n'ont plus d'organe visuel. André Klarsfeld nous explique qu'en fait le mode de vie de ces animaux est relativement récent au regard de leur évolution et qu'ils ont gardé une trace de cette horloge biologique ancestrale. Elle leur permet de fonctionner selon un rythme journalier qui ne sera plus calé sur l'alternance jour / nuit. Cependant, chez des espèces presque aveugles comme la taupe par exemple, un très petit nombre de cellules rétiniennes suffisent en réalité à percevoir une variation de l'intensité lumineuse locale, et donc à rythmer l'activité selon un schéma pas très différent du nçtre.

Les drosophiles sous haute surveillance

A l'Institut de Neurobiologie, les chercheurs utilisent la drosophile comme modèle expérimental pour comprendre le fonctionnement intime de cette horloge biologique.

En effet, comme nous, elles ont un cerveau mais il ne comprend qu'environ 100 000 neurones (100 000 fois moins que chez l'être humain). Cela suffit à ce petit insecte de quelques millimètres, non seulement pour élaborer l'ensemble des grandes fonctions physiologiques communes à tout organisme vivant, mais également pour apprendre, se souvenir ou dormir d'une façon plutçt proche de la nçtre. Cette star des laboratoires est également adaptée à l'étude des rythmes circadiens : sa taille permet d'en élever un très grand nombre au laboratoire, elle se reproduit très vite (une génération tous les 10-12 jours environ) et possède également une horloge biologique contrçlée par le cerveau.

Profils d'activité journaliers (actogrammes) de drosophiles, sur 9 jours consécutifs. © Laboratoire NGI (CNRS)

On peut donc observer ses rythmes d'activité assez facilement dans des actimètres, machines spécialement conçues pour elles et qui permettent de suivre simultanément 32 mouches. Chacune d'elle est isolée dans un petit tube de 3.5 millimètres de diamètre au milieu duquel se trouve un détecteur photoélectrique infrarouge, comme ceux des ascenseurs par exemple. A chaque fois que la mouche passe devant le détecteur, un signal est transmis à un ordinateur qui relève les compteurs. Au laboratoire de Neurobiologie Génétique et Intégrative, les chercheurs peuvent ainsi suivre simultanément plusieurs dizaines de ces actimètres, et surveiller en un coup d'?il l'activité de 1000 à 2000 drosophiles. Un petit tour dans le laboratoire permet au public de voir en direct l'impressionnante batterie d'installations. Les chercheurs de l'équipe s'intéressent à la présence d'un gène, le gène per (pour période) qui contrçle l'horloge circadienne. Ils observent des coupes de cerveau de drosophiles. Grâce à un marquage fluorescent, il est ainsi possible de localiser les neurones qui expriment ce gène, et de voir comment ils sont affectés chez les mutants dont le rythme d'activité est perturbé. On connaît aujourd'hui une dizaine de gènes que l'on retrouve à la fois chez l'homme et chez la drosophile, ce qui montre que l'horloge biologique est une fonction qui existait déjà chez un lointain ancêtre commun aux actuels êtres vivants. Ces recherches sur la drosophile permettent de mieux comprendre les mécanismes physiologiques et génétiques qui contrçlent l'activité des organismes et d'étudier les facteurs à l'origine de perturbations pathologiques ou environnementales (troubles du sommeil, décalage horaire, cancers?).

Zoologie des microbes

Colonies de bactéries cultivées sur un milieu nutritif. © Pascale Boulanger

Dans notre imaginaire, les bactéries sont bien souvent associées à l'image de microbes et de maladies : angine, listériose, salmonellose? Ces bactéries sont des êtres vivants formés d'une seule cellule et dont la taille est de l'ordre du micron (1/1000 de mm). On en trouve partout dans notre environnement : dans les eaux, les sols, chez les végétaux et les animaux, dans les milieux les plus extrêmes (eaux acides ou brûlantes, déserts?). Dans notre corps, nous abritons 10 fois plus de bactéries que nous n'avons de cellules et la plupart d'entre elles nous sont utiles, pour digérer par exemple. Certaines bactéries sont utilisées dans les processus de fermentation, pour fabriquer des yaourts, etc.

Ce qui est frappant chez les bactéries, c'est la vitesse à laquelle elles se reproduisent. Elles se dupliquent en moyenne toutes les ½ h. Petit calcul tout simple : en une journée cela donne 48 générations de bactéries, soit 281.000 milliards d'individus à partir d'une seule bactérie. Les participants ont pu découvrir cette croissance exponentielle ? et impressionnante ? des bactéries, filmée sous un microscope.

Les virus, eux, sont encore plus petits (de l'ordre du dixième de micron). Ils sont à la frontière du monde vivant car ils ne sont pas autonomes : pour vivre et se reproduire, ils ont besoin d'une cellule hçte qu'ils envahissent et dont ils détournent les fonctions vitales à leur profit. Le plus souvent, ils conduisent à la mort de la cellule qu'ils ont infectée pour se multiplier.

Plus surprenant encore : les bactéries ont des virus !

Le phage T5 vu en microscopie électronique © Pascale Boulanger

Ce qui intéresse Pascale Boulanger et ses collègues, ce sont des virus particuliers, appelés bactériophages (ou phages). Les plus petits connus, les plus nombreux sur la planète, ils infectent les bactéries, et de façon très spécifique. A chaque bactérie, sa collection de phages ! Le phage T5 qui infecte Escherichia coli (bactérie normalement présente dans notre intestin, mieux connue sous le nom de colibacille) possède, comme de très nombreux phages, une structure à la fois simple et remarquable : une « tête » en forme d'icosaèdre ? polyèdre régulier à 20 faces ? contenant l' ADN, molécule très longue, enroulée sous forme d'une pelote dense et extrêmement bien organisée. Cette tête est reliée à une « queue » qui permet au phage de reconnaître la cellule à infecter et de s'y accrocher. Une des choses que les chercheurs essaient de comprendre, c'est comment une telle structure peut s'assembler, et quelles sont les conséquences de cette organisation sur le bon déroulement de l'infection. En effet, lorsque la queue du phage s'accroche sur « sa bactérie cible », la molécule d'ADN est injectée dans la bactérie en quelques secondes, ce qui déclenche la fabrication de nouveaux virus. Ceci serait impossible si l'ADN n'était pas si bien rangé (imaginez une pelote de laine emmêlée sur laquelle on tire?).

Le public a pu juger par lui-même de l'efficacité redoutable de ces bactériophages en visionnant un petit film. Les bactéries, qui tout à l'heure se multipliaient allègrement, disparaissent une à une parce qu'elles explosent sous l'action d'ennemis invisibles au microscope optique : les bactériophages.

Les bactériophages : amis ou ennemis ?

Ils ne sont a priori pas dangereux pour l'homme puisqu'ils n'infectent que les bactéries mais imaginez les ravages qu'ils peuvent faire sur une cuve de fermentation de yaourt ! C'est d'ailleurs pour cela que l'industrie laitière s'y intéresse depuis longtemps. Aujourd'hui, les chercheurs voient en eux une piste à ré-explorer, pour lutter contre certaines infections d'origine bactérienne. L'action de ces virus sur des maladies comme la fièvre jaune ou le choléra a été mise en évidence, au Guatemala et en Inde notamment, dès le début du XXème siècle par le biologiste canadien Félix d'Hérelle, mais l'essor des antibiotiques pour lutter contre les bactéries n'a pas laissé beaucoup de place pour ce type de recherche. Des médecins de pays de l'Est, en Géorgie notamment, pour qui les antibiotiques n'étaient pas abordables, pratiquent la « phagothérapie » depuis 1930 avec un certain succès, recherchant pour chaque patient et chaque infection bactérienne un type de phage adapté. Ils guérissent ainsi les bénignes angines des enfants mais aussi certaines pathologies sévères, comme les infections très étendues qui affectent les grands brûlés. Depuis quelques années, en raison de l'émergence d'infections bactériennes résistant aux antibiotiques et devant l'angoisse du terrorisme biologique (contamination par le bacille du charbon par exemple), les phages reviennent sur le devant de la scène.

Lors de la visite du laboratoire, le public a pu découvrir les instruments de recherche utilisés pour cultiver des bactéries, purifier et analyser les protéines des phages, et observer la structure des virus ? Ces recherches, menées en collaboration avec des physiciens et des biologistes d'autres laboratoires en France, en Europe et aux Etats-Unis, contribuent à lever le voile sur la biologie de ces virus, omniprésents et pourtant si mal connus.

Le monde microscopique en lumière

L'envie de découvrir ce que l'?il ne peut pas observer ne date pas d'hier. Dès que les progrès dans le travail du verre ont permis de fabriquer des lentilles de bonne qualité, les premiers microscopes optiques ont vu le jour. Quelques pionniers hollandais : Zacharias Jansen (v.1588- v.1631) à qui l'on attribue souvent la primeur de l'invention, Antoni von Leeuwenhoek (1632-1723), le père de la microbiologie moderne, auteur de bon nombre d'extraordinaires découvertes : microbes, cellules sanguines et autres spermatozoïdes? Le monde microscopique, au sens littéral du terme : de la taille du micron (millième de mm), livre ses secrets. Et qu'y a-t-il ensuite ? Pourquoi ne pas mettre en série plusieurs microscopes optiques pour grossir les détails 10.000, 100.000, 1 million de fois ? Parce que ça ne fonctionne pas ! La lumière est une onde et elle ne peut pas nous permettre d'observer des détails nets inférieurs à sa longueur d'onde (phénomène de diffraction). Pour la lumière visible, c'est effectivement de l'ordre du micron. Alors il faut utiliser d'autres sources pour les microscopes.

Eclairage électronique

C'est ce qu'a fait le scientifique allemand Ernst Ruska en inventant le microscope électronique en 1931. La lumière y est remplacée par des électrons fortement accélérés ; les lentilles par des champs électromagnétiques. Grâce à ces gros engins qui ne ressemblent plus du tout au microscope des écoliers (il faut y faire le vide), on peut obtenir de superbes images en relief de détails de quelques microns. Petit jeu de devinettes avec les participants à ce jeudi de la recherche : que sont ce tortillon qui ressemble au fil d'un téléphone, ces araignées microscopiques, ce fleuret pointu? ? Un filament d'ampoule, une gravure en relief faite au moyen d'électrons accélérés, un dard de moustique ! Mais avec un microscope électronique en transmission, on atteint aujourd'hui des résolutions subnanométriques (1 nanomètre = 1 milliardième de m) pour observer des transistors implantés sur une puce par exemple.

Le nanomonde

Il n'y a pas de microscope électronique au Laboratoire de Photophysique Moléculaire mais un microscope à effet tunnel ou STM (acronyme anglais de Scanning Tunneling Microscope). Formidable outil d'exploration du nanomonde capable d'effleurer une surface et d'en sentir le relief avec une précision nanométrique ! Le principe, nous explique Guillaume Baffou, est extrêmement simple. Une pointe très fine, dont l'extrémité se termine par un atome, est promenée quelques dixièmes de nanomètres au dessus d'une surface conductrice. Un courant électrique s'établit entre la surface et la pointe, que l'on peut mesurer. Ce courant passe à travers le vide (grâce à un phénomène quantique appelé « effet tunnel » qui a donné son nom au microscope) uniquement pour des écartements de la pointe et de la surface extrêmement faibles. En pratique, on déplace la pointe au-dessus de la surface en faisant varier sa hauteur de façon à maintenir ce courant constant. On obtient ainsi une carte du relief, que l'on code ensuite avec des couleurs pour obtenir une image. C'est au début des années 80 que le premier microscope à effet tunnel a livré ses images aux chercheurs suisses d'IBM-Zurich ; il fallait deux conditions techniques pour permettre cette prouesse : la possibilité de guider le mouvement de la pointe avec une précision suffisante grâce aux céramiques piézoélectriques (le pas des déplacements de la pointe atteint le millième de nm) et le traitement informatique qui va avec. Depuis, avec les microscopes à effet tunnel qui équipent de nombreux laboratoires de physique, on a pu obtenir des images de surfaces atomiques, de molécules déposées sur des surfaces et même avec la pointe déplacer les atomes un par un !

A la découverte du microscope à effet tunnel

Voilà pour la théorie exposée dans un des amphithéâtres du laboratoire. Et la pratique ? Deux étages plus bas, les visiteurs découvrent à quoi ressemble un microscope à effet tunnel. C'est un grand bâti, sous ultravide, connecté à de nombreuses pompes et instruments de mesure, recouvert de papier alu. Toujours intrigant pour qui ne sait pas, ce papier alu ! Pour décoller les molécules (azote, oxygène, eau?) collées sur les parois qui empêchent de faire efficacement le vide, il faut chauffer le dispositif et l'alu assure une bonne répartition de la chaleur? Guillaume Baffou détaille sur place son expérience : les deux chambres à vide, l'une où l'on prépare les surfaces, l'autre où on les étudie, le sas pour introduire les échantillons, la caméra pour une première approche de la pointe aux abords de la surface. Sur les murs, des images obtenues avec le STM. Au fond de la pièce, un autre STM, bien petit une fois sorti de son énorme enceinte à vide, révèle aux visiteurs tous les détails de sa mécanique de précision. Par exemple, les aimants qui permettent un amortissement des vibrations et qui font que l'on peut parler dans la pièce sans altérer la qualité des images obtenues !

Image d'une molécule de phtalocyanine sur une surface de carbure de silicium réalisée au Laboratoire de Photophysique Moléculaire. © Guillaume Baffou

La thèse de Guillaume Baffou porte sur les phénomènes d'émission de lumière qui peuvent être induits par l'interaction de la pointe et d'une molécule accrochée sur la surface. Ces travaux s'inscrivent dans la cadre d'une science émergente : l'électronique moléculaire. Les chercheurs essaient d'utiliser des molécules individuelles pour réaliser des tâches accomplies actuellement par des transistors qui arrivent au bout de leur chemin vers la miniaturisation.

A la rentrée, ce jeune chercheur partira un ou deux ans à l'étranger pour acquérir de nouvelles expériences et connaissances et espère bien revenir en France pour y devenir chercheur ou enseignant-chercheur.

Les récentes découvertes en neurosciences ont révolutionné l'image que l'on peut se faire de notre cerveau et des centaines d'équipes scientifiques dans le monde travaillent pour en comprendre le fonctionnement. L'approche choisie par Cyrille Vaillend est d'étudier les retards mentaux provoqués par des maladies génétiques afin de relier certains comportements anormaux à certaines modifications cérébrales.

Les souris sont-elles de bons modèles pour étudier les maladies mentales ?

Reconnaissance d'un objet

© CNRS UMR 8620

Quand on parle de retard mental, on pense à « maladie de l'intelligence », or l'intelligence n'est-elle pas le propre de l'Homme ? Comment une souris de laboratoire pourrait-elle être atteinte d'une même pathologie ? En réalité, ce type de débat nous éloigne des questions essentielles qui permettent l'avancée des connaissances. Tout d'abord, les travaux de recherche du XX^ème siècle ont démontré que les animaux de différentes espèces ont des aptitudes variées et sont capables d'apprendre, de communiquer, de faire des choix ? Mais surtout, pour qu'un animal comme la souris soit un bon modèle pour l'étude d'une pathologie génétique humaine, il faut tout d'abord que les causes de la maladie soient les mêmes (l'anomalie d'un même gène par exemple), que des anomalies ou malformations cérébrales similaires soient observées, et idéalement que des symptçmes comparables soient mis en évidence. Il existe plus d'une centaine de formes de retard mental, se caractérisant par un certain nombre de symptçmes communs, notamment des difficultés d'apprentissage, des troubles du comportement, de la mémoire et de la communication. A travers quelques exemples choisis, Cyrille Vaillend nous montre que la plupart de ces fonctions mentales peuvent être étudiées chez la souris. Premier exemple : dans le syndrome de Rett, les stéréotypies gestuelles, qui consistent à répéter de façon spontanée et incontrçlée des mouvements et torsions des mains, se traduisent par des mouvements similaires des pattes antérieures chez des souris modèles de cette maladie. Beaucoup de tests de mémoire chez la souris sont basés sur la curiosité légendaire de cet animal. Par exemple, une souris ira spontanément explorer ? renifler, toucher - un nouvel objet si on lui en présente deux, dont un qu'elle connaît déjà, ce qui permet d'étudier la mémoire dite « de reconnaissance ». Certaines souris, modèles de maladies cérébrales humaines qui perturbent ce type de mémoire, n'ont plus ce comportement. Une souris fait aussi preuve d'une mémoire des lieux : ainsi, si on la place régulièrement dans une cuve d'eau avec une plateforme qui lui permet de se mettre au sec, elle va retrouver le chemin qui la conduit à la plateforme de plus en plus vite. Certaines souris malades, elles, finiront par apprendre ce chemin mais il leur faudra beaucoup plus de temps ; elles présentent donc un retard d'apprentissage. La souris est également un animal sociable, qui recherche la compagnie des autres souris. On peut donc étudier chez cet animal les troubles du comportement social : on a pu montrer que des mutations dans certains gènes responsables de l'autisme chez l'Homme peuvent aussi avoir pour conséquence des troubles du comportement social chez la souris. Les souris semblent aussi posséder un langage relativement élaboré, structuré en un ensemble d'ultrasons qui se déclinent en syllabes et en phrases, et on peut donc espérer comprendre les causes de certains troubles de la communication en étudiant cet animal.
Ces exemples montrent la pertinence des études des retards mentaux chez la souris. Il s'agit de reconnaître les symptçmes communs pour étudier des processus de base (apprendre, se souvenir, reconnaître, oublier, interagir, communiquer?) et de définir leur support biologique. Comme le souligne Cyrille Vaillend, ce travail s'inscrit dans une collaboration interdisciplinaire entre les équipes qui fabriquent les souris malades par modification génétique, celles qui étudient leur comportement et celles qui cherchent les anomalies dans la structure du cerveau et dans l'activité électrique ou biochimique des neurones.

Zoom sur le cerveau

Schéma d'un neurone

© Wikimedia commons, Nicolas Rougier

On a désormais compris que ce n'est pas la taille du cerveau qui compte ? on ne mesure plus l'intelligence d'un homme avec un « craniomètre », nous dit en souriant Cyrille Vaillend ! ? mais son degré de complexité : un cerveau humain est composé d'environ 100 milliards de neurones et chacun peut établir une dizaine de milliers de connections. C'est grâce à ce nombre élevé de connections que nous sommes capables d'apprendre. Les neurones sont comme des câbles électriques qui relient différents points du cerveau. Plus précisément un neurone se compose d'un corps cellulaire abritant le noyau, prolongé par un axone le long duquel va circuler l'influx nerveux. Le neurone reçoit des informations venues d'autres neurones grâce aux milliers de prolongements et points de contacts, ou épines dentritiques, développés à partir du corps cellulaire. La transmission de l'information entre deux neurones se fait au niveau des synapses, essentiellement par voie « électro-chimique » : le premier neurone libère une molécule, un neurotransmetteur, capté par le second qui traduit cette activation par un signal électrique. Les synapses sont donc des éléments clés de la transmission des informations.

Souvenir, souvenir

Différentes aires du cerveau humain

(rouge : Aire motrice primaire, rose : aire motrice supplémentaire préfrontale, bleu foncé : aire sensorielle primaire, bleu clair : aire d'association sensorielle, vert : aire auditive primaire, jaune : aire visuelle primaire) © Gray's anatomy (1918)

Le cerveau est divisé en aires spécialisées dans différentes tâches : parler, voir, entendre, choisir, être ému, etc. Un souvenir est composé de multiples éléments (lieu, date, événement, émotion, bruits etc?), chaque élément étant stocké dans un endroit différent du cerveau et relié aux autres par des connections neuronales. Le souvenir serait donc tel un puzzle éclaté dont les pièces ont été éparpillées aux quatre coins du cerveau. Cyrille Vaillend nous donne l'exemple fictif d'un souvenir de vacances passées avec des amis dans un endroit paradisiaque ? au hasard Tahiti ! Hélas, le bonheur tourne court car le héros de notre histoire est piqué par une méduse : la douleur est intense. Ensuite il se met à pleuvoir. Longtemps après, le protagoniste pourra accéder à ce souvenir par différentes portes d'entrée : ainsi rencontrer ses amis dans toute autre circonstance réveillera chez lui le souvenir de la douleur de la piqûre ! Il se souviendra aussi longtemps qu'il a plu juste après la piqûre, détail qu'il aurait vite oublié en d'autres circonstances, car les émotions, en induisant la production d'hormones, aident les neurones à établir de nombreuses connections, donc le souvenir à s'imprimer durablement.

Pour qu'un souvenir perdure, il faut réactiver ces connections entre les différentes composantes d'un souvenir ; il est possible aussi qu'une partie seulement s'efface, sans doute l'averse plus que la piqûre dans notre exemple ! Le nombre de ramifications et de synapses d'un neurone n'est pas figé, bien au contraire : chaque neurone participant à un apprentissage voit son nombre de ramifications se modifier ; le cerveau est « plastique ». On pense que certaines connections sont renforcées, d'autres diminuées, ce qui pourrait expliquer que certains éléments d'un souvenir vont être mémorisés de manière durable, tandis que d'autres vont être oubliés, ou difficiles à rappeler. Chez l'enfant de moins de 3 ans, cette explosion des connections est spectaculaire ! Mais c'est en fait tout au long de la vie, et notamment au cours des processus d'apprentissage chez l'adulte, que des liens nouveaux se créent, disparaissent ou se transforment entre les neurones du cerveau. Les modifications des contacts entre neurones ne sont pas les seuls éléments « plastiques » du cerveau. On a longtemps cru que le nombre de neurones d'un individu ne pouvait que décroître, les neurones morts n'étant pas remplacés. Ceci n'est pas vrai : chez l'adulte, il naît environ 10.000 neurones par jour dans une zone du cerveau appelée l'hippocampe, et cette neurogenèse semble pouvoir être favorisée par l'activité physique et cérébrale. Pour paraphraser un slogan bien connu : « le cerveau ne s'use que si l'on ne s'en sert pas » ! Pour maintenir son cerveau en forme, il faut le stimuler et favoriser ainsi le remodelage perpétuel des connections synaptiques et la naissance de nouveaux neurones?

Des éléments clés : les synapses

Synapse de l'hippocampe de souris. Ves : vésicules contenant le neurontransmetteur. rec : Zone de réception du neurotransmetteur

© CNRS UMR 8620 / CCME, Orsay

Si ces processus d'apprentissage et de mémoire sont liés à la capacité du cerveau à être plastique - à modifier constamment le nombre et l'efficacité des connections entre neurones ?le support biologique du retard mental repose-t-il sur une incapacité à assurer cette plasticité ? Pour répondre à cette question, il est important de préciser le lien entre l'activité électrique des neurones, les modifications de la forme et du nombre des synapses en fonction de cette activité, et les capacités d'apprentissage et de mémoire. Cyrille Vaillend et ses collègues travaillent sur des maladies génétiques responsables d'un mauvais fonctionnement des synapses, qui empêche le cerveau de fonctionner correctement. Ils utilisent, comme on l'a dit, des souris génétiquement modifiées présentant tel ou tel comportement anormal, et tentent de déterminer la nature des mécanismes défectueux à l'origine de ces perturbations. Les anomalies cérébrales peuvent être étudiées à différentes échelles d'observation. A l'échelle globale, par IRM on peut déterminer quelle zone du cerveau est malformée chez une souris malade ou encore grâce à l'IRM fonctionnelle, qui commence à pouvoir s'appliquer sur de petits animaux comme la souris, on peut évaluer quelle zone est moins bien activée lors d'une tâche donnée ou suite à une activité électrique localisée. Au niveau de la cellule, il est possible d'enregistrer l'activité électrique des neurones et des synapses, et d'évaluer les capacités du cerveau à augmenter ou diminuer de manière plastique cette activité. Enfin, à l'échelle microscopique, on peut étudier comment des variations de l'activité électrique des neurones ou une situation d'apprentissage peuvent conduire à la multiplication ou à des changements de forme des synapses. L'étude des souris présentant des anomalies comportementales liées à des gènes du retard mental nous a beaucoup appris sur ces phénomènes et il est clair aujourd'hui que dans de nombreux modèles de ces pathologies, ce nombre de contact synaptique est souvent diminué, ou les contacts présentent des malformations ou des dysfonctions. Dans de nombreux cas, le retard mental pourrait donc s'apparenter à une « maladie de la synapse ».

La plateforme de microscopie électronique

Lors de cette soirée, le public a également pu faire la connaissance de Danielle Jaillard, technicienne experte du centre commun de microscopie électronique d'Orsay. Depuis des années, elle a acquis un irremplaçable savoir-faire dans la préparation de coupes extrêmement minces (quelques dizaines de nm) pour l'observation au microscope électronique. Des coupes de cerveau de souris? mais aussi d'éclats de peintures de Rembrandt ou de vernis de Stradivarius ! Dans le cas de l'observation des cellules, il s'agit de remplacer l'eau des tissus par une résine qui va ensuite polymériser (donc durcir). On ne remplace pas en une fois toute l'eau par la résine ; ce processus est progressif et peut prendre une semaine. Le bloc durci ainsi obtenu peut ensuite être coupé en tranches extrêmement minces.
Ceci est indispensable pour l'observation au microscope électronique à transmission, dont le principe est semblable à un microscope classique, à ceci près que ce n'est pas la lumière qui traverse l'échantillon mais un faisceau d'électrons rapides. Ce soir-là, le public a pu observer des neurones et leurs synapses agrandis de 10 000 fois à près de 100 000 fois. Avec Ruben Miranda aux commandes du microscope électronique, jeune chercheur espagnol séjournant au laboratoire et travaillant avec Cyrille Vaillend sur le retard mental chez la souris, nous avons pu effectuer une véritable plongée au c?ur de cette jungle de contacts synaptiques qui constitue le tissu cérébral.

L'organisation des neurones et des contacts synaptiques dans le cerveau est extrêmement complexe, nous nous en sommes bien rendu compte, et comprendre comment son remodelage perpétuel contribue à l'apprentissage et à d'autres fonctions mentales essentielles est un challenge qui nécessitera encore de longues années de recherche. Etudier les dysfonctions associées aux retards mentaux chez la souris semble à même de pouvoir nous aider à comprendre comment le cerveau doit normalement fonctionner, et ouvrira peut-être quelques pistes de thérapies pour ces pathologies très handicapantes.

2009 a été déclarée « année mondiale de l'astronomie » par les Nations Unies et l'UNESCO. 400 ans après les premières observations de Galilée dans sa lunette astronomique, les citoyens du monde entier sont invités à regarder le ciel. Regarder, c'est ce que font beaucoup d'astrophysiciens : la lumière ? qu'elle soit visible ou non - en provenance des objets célestes est leur principale source d'information. Bien sûr, ramener des échantillons dans un laboratoire au sol et pouvoir les analyser, ouvre d'autres horizons. Ce n'est cependant pas chose aisée. Les scientifiques disposent aujourd'hui d'environ 400 kg de roches lunaires rapportées par les missions Apollo et d'une centaine de microgrammes de poussière interstellaire et cométaire piégée dans les récepteurs de la sonde Stardust récupérée en 2006. Pourtant, 30.000 tonnes de matière extra-terrestre arrivent sur Terre chaque année? naturellement !

Les météorites, un cadeau du ciel

Pluie d'étoiles filantes des Perséides

© NASA

Quand on pense aux météorites, on imagine bien les gros « cailloux » qui sont tombés du ciel, laissant un cratère plus ou moins impressionnant au sol (même si des chutes qui laissent leur empreinte dans le paysage sont très rares !). On pense aussi aux « étoiles filantes », petites pierres de tailles millimétriques qui brûlent à leur entrée dans l'atmosphère. Mais on oublie l'essentiel : sur chaque m², il tombe en moyenne chaque année une micrométéorite (soit 30.000 tonnes contre 10 tonnes seulement de météorites macroscopiques). Elles sont trop petites pour que l'on s'en aperçoive (leur taille moyenne est de 200 microns) et sont donc perdues pour la science? Sauf si on sait où aller les chercher ! On peut récolter ces pierres de l'espace dans les glaces et les neiges immaculées des pçles. Le pionnier français de cette collecte de micrométéorites est Michel Maurette, chercheur dans le même laboratoire qu'Elena, qui dès le début des années 80, organisa des collectes au Groënland. Par la suite, il préféra faire sa moisson dans l'Antarctique. En effet, les micrométéorites du Nord n'étaient pas exemptes de contamination bactérienne et subissaient une certaine altération à la fonte des neiges.

Sable glaciaire recueilli en fondant la glace sur les cçtes antarctiques. Quelques micrométéorites sont entourées en vert.

© M. Maurette , CSNSM

Elena n'a pas encore eu l'occasion de participer à ces missions mais ses aînés lui ont tout raconté : l'avion pour aller jusqu'en Tasmanie, puis 10 jours de bateau pour rejoindre la base de Dumont d'Urville et enfin l'hélicoptère pour se rendre à Cap Prud'homme. Là, entre 1988 et 1998, des tonnes de glaces bleues ont été fondues ? en injectant de l'eau chaude - et filtrées pour en extraire un sable glaciaire qui contient environ 20% de micrométéorites. On ne peut pas dater la chute de ces météorites car elles se sont accumulées et concentrées au cours du temps dans cette glace bleue.

Chercheurs récoltant les micrométéorites dans des tranchées de neige à Dçme C

© CSNSM

Au début des années 2000, les possibilités de séjour développées avec la construction de la station Concordia, au Dçme C au c?ur du continent Antarctique, ont permis de nouvelles récoltes, cette fois-ci dans la neige. Ce site est idéal : la neige de surface est isolée des roches du continent par 3 km de glace, les précipitations sont faibles et extrêmement régulières ce qui permet de dater la chute des micrométéorites (et donc d'en connaître le flux), la température reste en dessous de -30°C toute l'année et le taux d'humidité est extrêmement faible : l'eau n'abîme donc pas les micrométéorites. Trois expéditions ont été organisées en 2000, 2002 et 2006. La technique est désormais parfaitement rodée : lors de la dernière collecte, des 24 m³ de neige filtrés ont été extraites plus de 1300 micrométéorites, soit plus de 50 % de la matière récoltée. Et comme on le verra par la suite, des échantillons très petits et très fragiles ont pu être observés pour la première fois.

Signes particuliers : matière extraterrestre.

Photo de micrométéorite ultracarbonée au microscope électronique à balayage

© CSNSM Orsay - LSPES Lille

Comment reconnaît-on une micrométéorite, en d'autres mots comment savoir que ce caillou-là plutçt qu'un autre est bien tombé du ciel ? Certains indices sont irréfutables : une micrométéorite possède souvent une coquille, totale ou partielle, de magnétite formée lors de l'entrée atmosphérique ; à l'intérieur, certains alliages sont rares sur Terre ? comme le Fer-Nickel par exemple - et enfin, les proportions des éléments qui la composent sont bien particulières et semblables à celles de la photosphère solaire (aux éléments volatils près). C'est bien là tout son intérêt ! Elle est faite de la matière primitive qui a engendré le Soleil et tous les objets qui gravitent autour (planètes, satellites, astéroïdes, comètes?). Le système solaire est né il y a 4, 5 milliards d'années, de l'effondrement d'un nuage de gaz et de poussières (matière elle-même issue d'étoiles en fin de vie). Au centre du nuage, la température et la densité ont permis l'allumage des réactions nucléaires qui ont fait naître notre étoile, le Soleil. Tout autour, les grains de poussière se sont agglomérés pour donner des grains de plus en plus gros et ainsi de suite, jusqu'aux planètes. Deux types de corps ont échappé à la formation planétaire et ont préservé une mémoire de la formation du système solaire : les astéroïdes et les comètes. Entre Mars et Jupiter, on trouve la ceinture d'astéroïdes : là le processus d'accrétion n'est pas allé jusqu'au stade de planète et on y trouve des milliers de corps pierreux de toutes tailles (entre 10 m et 1000 km). Hormis les météorites lunaires et martiennes, les météorites arrivant sur Terre proviennent de cette ceinture d'astéroïdes à la suite de chocs entre astéroïdes. Pour les planètes telluriques comme la Terre et pour certains astéroïdes massifs, suite aux températures très élevées suivant l'accrétion, le matériau d'origine a fondu et s'est structuré en couches. Pour d'autres objets pour lesquels l'élévation de température a été moindre, la structure minérale a pu être modifiée mais pas la composition chimique globale. Les comètes constituent la deuxième population d'objets qui contiennent des informations primitives. Elles se trouvent dans deux réservoirs, la ceinture d'Edgeworth-Kuiper, située à 50 unités astronomiques du Soleil, et le nuage d'Oort, qui s'étend jusqu'à environ 2 années-lumière, à mi-chemin de notre étoile la plus proche. Ainsi les micrométéorites, qui peuvent provenir à la fois de la ceinture d'astéroïde et des comètes, constituent de véritables archives de la composition originelle du système solaire. En étudiant leur composition et leur structure minéralogique, on essaie de comprendre les conditions dans lesquelles la matière primitive s'est agrégée.

Patience et longueur de temps?

Avant d'avoir toutes les informations prometteuses que livreront les micrométéorites de la collection 2006, un travail gigantesque attend Elena, il lui faut répertorier toutes les micrométéorites pour pouvoir les classer en différentes catégories. Elle est devenue experte du maniement de si petits objets (taille moyenne : 100 microns) ! Leur aspect est d'abord analysé au microscope optique ; tous seront étudiés plus précisément avec un microscope électronique à balayage qui permet de plus forts grossissements. Il faut également prélever des échantillons pour une analyse de la composition chimique (par absorption ou émission des rayons X et/ou par spectrométrie de masse). Un travail qui nécessite de la patience et beaucoup de rigueur. Mais le jeu en vaut la chandelle. On a déjà découvert dans la collection des particules friables encore jamais observées?

Au pçle Sud ou dans l'espace ?

En 1978, on a découvert la comète Wild 2 et compris qu'elle allait bientçt passer pour la première fois près du Soleil (en effet, elle a été déviée de sa trajectoire circulaire éloignée du Soleil par Jupiter en 1974). Elle aussi constituait donc une archive des origines du système solaire et de là a germé l'idée de s'approcher de son noyau pour y prélever des particules cométaires. La sonde NASA « Stardust » a donc été conçue dans ce sens : grâce à un aérogel de silice qui emplissait son collecteur de particules, elle a pu récupérer des échantillons cométaires, ainsi que des poussières interstellaires un peu plus loin sur sa trajectoire, et surtout les ramener sur Terre en 2006. Là encore un travail titanesque attend des équipes du monde entier pour extraire les grains collectés dont la taille est 10 à 100 fois plus petite que les micrométéorites ! Les premières analyses semblent montrer une grande proximité entre ces échantillons et certaines micrométéorites de Concordia, ces dernières ayant l'avantage d'être plus grandes et en meilleur état ! En effet l'impact des particules de Wild 2 dans l'aérogel a été réalisé à plus de 6 km/s, et même dans cet aérogel conçu pour absorber le choc, cela laisse des traces ! Mais au-delà de l'idée qu'il est peut-être plus simple, plus efficace et bien moins cher d'aller récolter les micrométéorites au pçle Sud pour avoir des informations sur le système solaire, ces résultats ont des implications dans les modèles établis de formation des comètes. On pensait qu'elles s'étaient formées loin du Soleil, peut-être à partir de matière interstellaire. Or la proximité de leur composition avec celles des astéroïdes montre que leurs composantes sont nées près du Soleil. Elles ont ensuite récupéré leur enveloppe de glaces plus loin, ce qui montre également un important brassage de matière dans le système solaire primitif. Les micrométéorites sont des témoins d'un passé extrêmement lointain qui arrivent sur Terre, livrant aux scientifiques une foule d'informations. Témoins, certes, mais peut-être aussi actrices de la naissance de notre monde. Elles contiennent de l'eau et leur pluie incessante aurait pu contribuer à la formation des océans ; elles sont riches en carbone et renferment des molécules organiques qui auraient pu ensemencer la Terre de ses premières briques de Vie. Elena travaille jour après jour pour tenter d'apporter des éléments de réponse à ces questions?

Sequoiadendron giganteum

© Wikimedia commons, Mike Murphy

Le séquoia géant, Sequoiadendron giganteum, qui doit son nom au chef indien Seqoyah inventeur de l'alphabet cherokee, est actuellement l'être vivant le plus « gros », c'est-à-dire le plus lourd : 1200 tonnes environ. Le plus gros animal est la baleine bleue, environ 170 tonnes. À l'autre bout de l'échelle, on trouve les plus petites formes de vie (si on excepte les virus) ; elles n'ont qu'une seule cellule. Le record de petite taille est détenu par des bactéries, les mycoplasmes : 0, 1 picogramme. [1]

Spirale des temps géologiques

Wikimedia Commons, United States Geological Survey

La vie est apparue sur Terre il y a 3, 5 milliards d'années et jusqu'à -700 millions d'années , elle est restée sous forme unicellulaire, avec comme « nouveauté » l'apparition des « eucaryotes », qui contrairement aux bactéries possèdent un noyau dans leur cellule, où est regroupé l'ADN. Aujourd'hui encore, la vie reste essentiellement unicellulaire, même si bien sûr la partie émergée de l'iceberg (animaux, plantes?) nous saute davantage aux yeux. On estime à 10³⁰ le nombre de bactéries sur Terre. Comme le dit si bien Franck Bourrat, un tel ordre de grandeur ne parle pas au sens commun. Mais il faut bien imaginer que les bactéries sont partout sur la planète, même dans les milieux arides, froids ou brûlants, acides ou salés. Nous-mêmes en hébergeons vingt fois plus sur et dans notre corps que nous n'avons de cellules ! Alors quel intérêt l'évolution a-t-elle trouvé à faire des êtres plus compliqués ? Et réciproquement, pourquoi ces êtres plus compliqués n'ont-ils pas supplanté la vie bactérienne ?

Pourquoi et comment grandir ?

La réponse est toute simple, nous dit Franck Bourrat. Pour ne pas être mangé ! Il suffit pour cela d'être plus gros que le prédateur. La prédation n'existe pas que chez les animaux. Une cellule peut en « manger » une autre, ainsi par exemple certains de nos globules blancs qui nous débarrassent des intrus. Alors, comment grandir ? Première solution pour un être unicellulaire : augmenter la taille de sa cellule. Il existe des êtres unicellulaires beaucoup plus gros que les autres, comme certaines amibes qui atteignent le dixième de mm. Ce sont des cellules eucaryotes (avec un noyau). Mais on n'aura jamais d'eucaryotes de la taille d'une baleine bleue. En effet, le plan de fonctionnement de la cellule est contenu dans le noyau et si la cellule est trop grande, les informations ne peuvent plus être transmises vers le cytoplasme et la membrane cellulaire. Des chercheurs ont bien réussi à faire croître un physarum , sorte d'amibe, pour qu'il recouvre une surface de plus de 5m² mais cet être vivant possède un grand nombre de noyaux réunis dans un seul cytoplasme. Peut-on réellement parler d'être unicellulaire ? De la même façon, les cellules de nos muscles mesurent plusieurs cm mais elles possèdent aussi un grand nombre de noyaux.

Colonies de Volvox

© Exploratorium.edu

Par conséquent, devenir pluricellulaire est la seule solution pour grandir. Cela s'est sans doute fait pas hasard au début : lorsqu'une cellule-mère s'est divisée, les deux cellules filles sont restée accrochées, puis deux sont devenues quatre? Au regard de l'évolution, ce type d'agrégats de cellules a dû présenter quelques avantages et a perduré. On retrouve cette configuration chez l'algue verte Chlamydomonas qui peut exister sous forme de cellule unique ou de colonies de cellules appelées Volvox.

Unicellulaires versus pluricellulaires, qui gagne ?

Tout dépend des conditions extérieures : l'accès à la nourriture, les prédateurs? Dans un monde idéal pour les unicellulaires, sans prédateurs, ils resteraient dominants car ils se reproduisent beaucoup plus vite que les autres. Par contre, s'il y a des prédateurs, ils ont tout intérêt à grandir, c'est-à-dire devenir pluricellulaires. Et un jour, d'autres grandiront encore plus et deviendront leur prédateurs, puis d'autres encore qui mangeront ceux qui jusqu'alors mangeaient les autres et ainsi de suite? Il y a toujours des petits mais les gros sont de plus en plus gros, et ce depuis que la vie est apparue sur Terre. Ainsi la taille maximum des baleines bleues aujourd'hui est d'environ 31 m alors que celle des diplodocus, le plus long des dinosaures ne dépassait pas les 27 m. Chez les végétaux c'est la même chose, le séquoia géant parait être l'arbre le plus gros ayant jamais existé. Par contre, ce qui est vrai à l'échelle globale ne l'est pas à l'intérieur d'une même espèce. Si le cheval d'aujourd'hui est plus grand que son ancêtre qui vivait il y a quelques dizaines de millions d'années, c'est le contraire chez les ours. Il faut retenir que la taille est un des facteurs qui peut varier le plus vite au cours de l'évolution, comme en témoigne aussi la variation chez les populations qui se retrouvent isolées. Par exemple, les cerfs de l'île de Jersey ont été « réduits » à 1/6 de leur taille en 6000 ans durant la dernière période interglaciaire (de -7000 à -1000 ans).

Grand ou petit, qu'est ce que ça change ?

Être grand, c'est limiter le nombre de ses prédateurs. Mais cela a bien d'autres implications. Petit détour par les lois de la physique qui ont bien des conséquences pour les êtres vivants ! Pensez à une sphère. Si vous multipliez son rayon par 2, sa surface sera multipliée par 4 et son volume par 8. C'est mathématique ! En d'autres termes, le volume croît plus vite que la surface. Plus un être vivant est gros, plus son volume est grand par rapport à sa surface. Le volume est relié à la quantité de matière vivante donc à sa consommation en oxygène, en nutriments et aussi à la quantité de déchets qu'il rejette. Et où la matière entre-t-elle et sort-elle de l'individu ? À sa surface bien sûr? D'où un petit problème quand la taille devient trop grande, par exemple pour que l'oxygène puisse diffuser de la surface vers l'intérieur de l'individu. Les plus gros organismes rudimentaires ne dépassent guère le mm, au moins dans l'une de leurs dimensions (des vers plats par exemple). Pour être plus gros, il faut développer des organes plus complexes : des systèmes respiratoire, circulatoire et excréteur. Ainsi nous avons des poumons pour respirer ! De plus, afin de faciliter les échanges gazeux, la surface des poumons est augmentée par de nombreux replis Si on pouvait déplier nos poumons, ils mesureraient environ 100 m², soit la surface d'un terrain de tennis ! Ne parlons pas de nos intestins à travers la surface desquels les nutriments passent dans le sang? 300 m² ! Autre conséquence, un gros qui tombe se fait plus mal qu'un petit ! Les frottements de l'air sont eux aussi proportionnels à la surface. Ainsi qu'aime à le citer Franck Bourrat, John Burdon Sanderson Haldane, généticien britannique du début du XX^ème siècle et grand vulgarisateur, écrivait : « Vous pouvez faire tomber une souris du haut d'un puits de mine de 300 m, en arrivant en bas, elle aura un léger choc et partira. Un rat sera tué, un homme brisé et un cheval explosera ». Mais n'allez pas croire qu'aucun danger ne guette le petit qui aura échappé à ses prédateurs. Son ennemi n°1, c'est l'eau? Et oui, l'eau, ça mouille ! En termes plus savants, on parle de « tension superficielle » qui fait que l'eau adhère aux surfaces. Ainsi un homme mouillé qui sort de son bain transporte environ 500 g d'eau, ce qui ne lui demande guère d'effort supplémentaire pour s'extraire de la baignoire ! Mais pour la mouche, c'est une toute autre affaire : la même pellicule d'eau sur toute la surface de son corps représente plusieurs fois son poids. Pour citer à nouveau Haldane, « Un insecte qui veut boire se retrouve dans un danger aussi grand qu'un homme qui se pencherait au dessus d'un précipice à la recherche de nourriture. S'il se mouille, il est probable qu'il restera sur place jusqu'à la noyade ». Avoir une grande surface relative, c'est aussi un souci pour maintenir sa température corporelle puisque la déperdition de chaleur se fait par là. Ainsi une petite souris doit manger le quart de son poids chaque jour juste pour maintenir sa chaleur interne.

Sous l'?il des chercheurs?

Même un éléphant a été un jour de sa vie une cellule unique et les chercheurs essaient de comprendre quels mécanismes président à la croissance des êtres vivants. En observant la nature, ils ont pu montrer que chez les invertébrés, à la fois la taille des cellules et leur nombre augmentait avec la taille de l'animal tandis que chez les vertébrés, c'est essentiellement le nombre qui croît (les globules rouges d'un éléphant ne sont pas plus gros que ceux d'une souris. Ce n'est néanmoins pas vrai pour toutes les cellules, par exemple les neurones). Pour aller plus loin, il faut faire des expériences en laboratoire, en particulier grâce à des mutations génétiques essayer de déterminer les gènes qui sont impliqués dans le contrçle de la taille et du nombre de cellules d'un organisme

Différentes tailles de cornes de scarabées

© Emlen et al. (2006)

Par exemple, les chercheurs ont montré l'implication du récepteur de l'insuline (hormone qu'on connaît mieux pour son lien avec le diabète). En effet, en mutant le gène codant pour le récepteur à l'insuline chez la mouche drosophile, ils obtiennent des mouches miniaturisées. C'est la déficience de ce même gène qui est à l'origine d'une maladie rare humaine : le lépréchaunisme, qui est un syndrome d'insulino-résistance majeur se traduisant par un très fort retard de croissance intra-utérin et néonatal, conduisant au décès du bébé à quelques mois. Moins douloureux : c'est également cette voie de signalisation qui contrçle la taille des « cornes » des scarabées exotiques.

Un « petit » tour dans le laboratoire?

Ce jeudi soir, nombreux étaient ceux de l'équipe de Franck Bourrat (techniciens, ingénieurs, étudiants en thèse?) qui étaient restés pour montrer avec enthousiasme les multiples aspects de leur recherche au public. Cette équipe ne s'intéresse pas uniquement à la taille des organismes mais plus largement aux mécanismes moléculaires qui contrçlent le développement des animaux.

poisson zèbre

© Wikimedia commons

A l'institut Alfred Fessart, on travaille beaucoup sur un petit animal : le poisson zèbre. Dans une pièce au sous-sol, des milliers de poissons vivent dans de petits aquariums. Vu de loin, ils sont tous pareils ! Mais en réalité, les habitants de chacun des aquariums ont subi des mutations génétiques différentes. On récupère leurs ?ufs pour étudier, quelques étages plus haut, le développement embryonnaire de ces poissons et observer au microscope les modifications morphologiques induites par la mutation de tel ou tel gène. Nous avons pu voir aussi l'appareillage qui permet d'injecter des molécules dans l'?uf de ces poissons à un stade très précoce afin de perturber leur développement. Un travail titanesque pour attribuer aux centaines de gènes étudiés leurs rçles respectifs, mais il faut en passer par là pour espérer un jour percer les mystères du développement des organismes vivants?

La star des satellites

Comparaison de la Terre et de Titan

© NASA

Titan est la plus grosse « lune » de Saturne, à un milliard et demi de km de notre Terre. Ce satellite, découvert en 1655 par l'astronome hollandais Christian Huygens, est l'objet d'un intérêt tout particulier des astronomes : il possède une atmosphère dense (1500 hPa à sa surface contre 1013 sur Terre) principalement composée d'azote (98%) et de méthane (un peu moins de 2%). Ce rocher glacé, plus gros que la Lune, est le siège de vents et de pluies de méthane et les scientifiques supposent que Titan ressemble à la Terre primitive, avant l'apparition de la vie et de l'oxygène? en plus froid toutefois ( -170°C à la surface) !

Mission Cassini-Huygens

© ESA

Il n'en fallait pas plus pour motiver les Hommes à aller voir ce satellite de plus près. Voyager 1, ce grand explorateur de notre système solaire, survola Titan en 1980 mais il ne « vit » pas grand-chose : en effet l'épaisse atmosphère du satellite empêche de voir ce qui se passe en dessous. Il fallut donc attendre deux décennies et un nouveau programme d'envergure conjoint de la NASA et de l'ESA [1] pour repartir à la découverte de cette contrée lointaine. Lancée en 1997, la sonde Cassini se mit en orbite autour de Saturne le 1er juillet 2004. Le 25 décembre, le module Huygens s'en détacha pour amorcer son voyage vers Titan où il se posa le 14 janvier 2005. La descente dura quelques heures au cours desquelles des milliers de clichés furent pris ; elle s'effectua en direct ? ou quasiment, la lumière met plus d'1 heure pour nous parvenir de si loin ! ? devant les yeux d'internautes du monde entier qui découvraient ces images d'un nouveau monde en même temps que les astrophysiciens. Une émotion partagée qui n'est pas sans rappeler un certain 21 juillet 1969?

Atmosphère, atmosphère?

Photographie en vraies couleurs de couches de nuages de l'atmosphère de Titan.

© NASA

Des dizaines d'équipes dans le monde exploitent aujourd'hui les résultats de la mission Huygens pour chercher à mieux connaître Titan. Un des grands centres d'intérêt est toujours son atmosphère très dense qui est le siège d'une chimie intense : le méthane CH₄ situé dans les hautes couches de l'atmosphère de Titan est alors dissocié par la lumière ultraviolette du Soleil. Les produits de cette dissociation sont très réactifs et donnent naissance après interaction avec l'azote N₂ à des molécules organiques très simples comme l'acide cyanhydrique (HCN) par exemple. Ces molécules simples peuvent à leur tour réagir pour donner des molécules organiques encore plus complexes. Cette chimie est favorisée par la présence de molécules chargées (en effet Titan n'a pas de champ magnétique et les particules du vent solaire bombardent son atmosphère, ionisant les molécules). Les nombreuses molécules fabriquées dans l'atmosphère finissent par s'agréger en poussières et retomber au sol, générant une sorte de « smog » orangé, couleur caractéristique de Titan. Comme d'autres modélisent l'atmosphère terrestre, des scientifiques se sont attelés à la tâche de modélisation de la photochimie sur Titan. Le méthane joue un rçle clé dans les processus de formation des molécules et pour faire tourner leurs modèles, les climatologues ont besoin de données précises sur les différentes réactions chimiques impliquées. Un travail titanesque, c'est le cas de le dire. Et c'est là qu'intervient Stéphane Douin, physicien moléculariste, pour apporter à cet édifice « un petit grain de savoir », comme il aime à le dire.

Casser le méthane !

La réaction de base de la photochimie de Titan, c'est la photodissociation du méthane par les rayons ultraviolets du Soleil, c'est-à-dire qu'à partir d'une molécule stable CH₄, on va obtenir des « radicaux » instables : CH₃, CH₂ et CH qui n'auront qu'une envie, c'est de réagir avec d'autres molécules, amorçant ainsi de nombreuses réactions qui conduiront à des molécules plus complexes. Il est donc primordial de connaître les « rapports de branchements » de ces réactions, c'est-à-dire quel pourcentage de chaque radical on obtient lorsqu'on photodissocie le méthane. Pour cela, Stéphane Douin et son équipe ont décidé de mettre en place en parallèle deux approches expérimentales dont les résultats pourront être comparés. Ces expériences sont complexes mais le public de ce soir-là a eu la chance d'avoir à faire à un excellent pédagogue qui au travers d'un voyage au c?ur de la lumière et de la matière a pu les initier en douceur aux concepts de la photophysique moléculaire. Ce qu'il est important de retenir, c'est que la façon dont une molécule absorbe ou émet la lumière est une véritable signature pour elle. D'une source de lumière « multicolore » comme le Soleil, certaines n'absorberont que le bleu, d'autre le rouge, etc. Ceci est vrai aussi pour d'autres domaines de longueur d'onde comme les infrarouges ou les ultraviolets. Bref, si vous savez quelle partie de la lumière de la source a été absorbée, vous pourrez reconnaître la molécule à l'origine de cette absorption. C'est ainsi par exemple qu'on a pu identifier plus de 140 molécules dans la matière qui se trouve entre les étoiles, sans jamais en avoir rapporté le moindre échantillon, bien entendu ! Cette technique ? la spectroscopie ? qui est née à la fin du XIX^ème siècle a donné lieu à de nombreux développements expérimentaux et on peut aujourd'hui l'utiliser pour détecter des radicaux qui ne vivent que l'espace d'un instant.

Expérience de CRDS

© Stéphane Douin, LPPM

La première expérience expliquée par Stéphane Douin est désignée par le sigle anglais CRDS (pour Cavity RingDown Spectrocopy). Dans ce dispositif, deux miroirs traités pour être extrêmement réfléchissants (plus de 99, 93% de la lumière qui arrive sur un tel miroir repart en sens inverse) se font face. On utilise comme lumière celle d'un laser dont la longueur d'onde (c'est-à-dire la couleur) et la direction sont bien déterminées. Le faisceau laser fait des allers-retours dans la cavité formée par les 2 miroirs et à chaque fois, une toute petite partie est perdue (0.07% donc) de sorte qu'au bout d'un temps caractéristique de la cavité la lumière s'éteint. On mesure donc ce temps pour la cavité vide. Si on place maintenant un gaz dans la cavité et que la longueur d'onde du laser est telle que la lumière est absorbée par ce gaz, alors le temps de résidence de la lumière dans la cavité va décroître. On aura ainsi mis en évidence l'absorption de la lumière par les molécules présentes dans la cavité. L'avantage de cette technique est qu'elle est extrêmement sensible : elle peut détecter 1 molécule d'intérêt parmi 10¹² autres. En effet, la lumière faisant de multiples allers-retours, on a l'équivalent d'un trajet de plusieurs km. Actuellement Stéphane Douin se concentre sur la détection du radical CH et il prévoit déjà des adaptations sur son expérience pour détecter les autres produits de la réaction à partir d'un laser infrarouge : les empreintes spectroscopiques des 3 radicaux CH₃, CH₂ et CH dans l'infrarouge sont suffisamment proches (mais néanmoins bien distinctes) pour qu'elles puissent être étudiées avec le même jeu de miroirs. Il développe également une source laser dans l'ultraviolet lointain pour reproduire au mieux la lumière qui photodissocie CH₄ sur Titan. Comme ont pu le découvrir les participants à ce « jeudi de la recherche » lors de la visite, une telle expérience de photophysique moléculaire ne s'achète pas clé en mains chez un équipementier ! Tout ? ou presque ? a été conçu au laboratoire par les services techniques à partir des idées des chercheurs. À la différence des expériences d'astrophysique envoyées dans des missions spatiales lointaines, celles sur Terre peuvent être adaptées et perfectionnées au jour le jour ! L'expérience de Stéphane a vu passer sa thèse, il y a quelques années?, et a été modifiée, sujet de recherche après sujet de recherche, jusqu'aux miroirs à la pointe de la technologie tout récemment implantés pour l'expérience de CRDS?

Une autre expérience également menée dans ce groupe de recherche consiste également à casser la molécule de méthane par un laser ultraviolet et à détecter les fragments CH, CH₂ et CH₃ par ionisation. Une fois les fragments obtenus, on leur arrache un électron à l'aide d'un second laser : les ions ainsi formés sont des particules chargées électriquement ; on peut donc les guider avec des champs électriques et les séparer en fonction de leur masse.

Épilogue.

La route est encore longue pour Stéphane Douin mais ses travaux aboutiront certainement à la production de données très utiles aux astronomes qui veulent comprendre la chimie complexe du plus gros satellite de Saturne? Il est déjà presque 20h30 quand le public quitte le laboratoire de Photophysique moléculaire. La nuit tombe. C'est l'heure de rejoindre le parking du bâtiment 332, un peu plus loin sur la fac où d'autres collègues et des astronomes amateurs les attendent, au pied de leurs lunettes et télescopes. Au programme, la Lune et ses cratères et un petit point brillant dans le ciel : Saturne, ses anneaux et son plus gros satellite : Titan !

Saturne photographiée par l'orbiteur Cassini

© NASA

L'équipe de Chimie Organique Multifonctionnelle

Ce laboratoire est à la pointe de la recherche sur la chimie des sucres depuis 1964, date où son fondateur le Pr Serge David est arrivé de Nancy avec ses collaborateurs. Aujourd'hui, l'équipe dirigée par le Pr David Bonnaffé est devenue l'une des composantes de l'Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay qui regroupe plus de 250 personnes, permettant aux 9 équipes scientifiques de mettre en commun des plateformes techniques performantes. L'équipe de David Bonnaffé se compose d'enseignants-chercheurs à l'Université Paris-Sud, de chercheurs au CNRS, de techniciens et d'ingénieurs chimistes, et d'une secrétaire-gestionnaire. Avant d'être professeur, David Bonnaffé était maître de conférences à l'Université Paris-Sud où il a fait sa thèse, après une école d'ingénieur (Ecole Supérieure de Chimie Organique et Minérale à Cergy).

Les sucres, pièces maîtresses du puzzle du vivant

La chimie du vivant est extrêmement perfectionnée, chacun le sait. Des molécules complexes comme les protéines prennent toutes sortes de formes pour assurer différentes fonctions ; l'ADN stocke en son sein toute l'information génétique, etc. Et les sucres dans tout ça ? Des sources d'énergie, certes, mais tellement plus encore !

Les sucres (ou saccharides) se déclinent sous forme d'un nombre considérable de molécules. Les nombreux sucres simples (glucose, fructose, galactose?) peuvent être les briques de molécules plus complexes : les polysaccharides. Ainsi l'assemblage de deux sucres simples : le glucose et le fructose conduit à la molécule de saccharose, « le » sucre de nos desserts préférés. Et lorsqu'un grand nombre de sucres simples s'associent, on obtient des molécules sous forme de chaînes, linéaires ou ramifiées, comme par exemple l'amidon ou la cellulose.

Saccharose ou amidon se mangent? et finissent en glucose, source d'énergie de toutes nos cellules. Mais les polysaccharides, ces sucres complexes, ne sont pas simplement des réserves énergétiques. Ce sont la matière même des plantes (la cellulose du bois est un sucre) ou bien de la carapace des crustacés ou encore de la paroi des bactéries?

Autre rçle clé des polysaccharides : la communication cellulaire. La possibilité pour une substance de pénétrer dans une cellule ou d'en modifier l'activité dépend d'un mécanisme de type clé-serrure. Les sucres forment une couche ? le glycocalix ? à la surface de la membrane externe des cellules animales et de certaines bactéries. Les différentes parties des polysaccharides à la surface de la cellule constituent autant de sites d'accrochage sélectifs pour telle ou telle molécule qui veut interagir avec la cellule.

Les interactions des protéines avec les polysaccharides sont particulièrement intéressantes. Les virus par exemple utilisent des protéines pour fusionner leur membrane avec celle de la cellule hçte à infecter. Certaines protéines virales s'accrochent sur des chaînes de sucre cibles à la surface de la cellule à infecter. Le système immunitaire, lui aussi, utilise des protéines pour déclencher la réponse des cellules à une infection et, là encore, les sucres jouent un rçle. Si l'on contrçle ces interactions protéine-polysaccharide, on va pouvoir soit bloquer la fonction de la protéine, soit au contraire l'activer. D'où les multiples applications : empêcher une infection par un virus, activer la réponse du système immunitaire lors d'une infection ou au contraire la freiner pour soigner certaines maladies auto-immunes, empêcher la formation de caillots de sang - certains médicaments anti-coagulants sont des sucres ! ? etc.

Le savoir-faire des chimistes

Comment contrçler ces interactions ? En fabriquant des morceaux de polysaccharides, ayant exactement la bonne forme et la bonne structure pour être reconnus par la protéine concernée, ou encore des « mimes » ressemblant à ces fragments? mais plus simples à fabriquer. Et voici les chimistes en piste !

David Bonnaffé et son équipe travaillent sur les GAG (GlycosAminoGlycanes) et en particulier les héparanes sulfates (HS) qui sont des polysaccharides formés de la répétition de disaccharides sulfatés. La diversité moléculaire de ces HS est impressionnante : à partir de 48 disaccharides de base, le nombre de possibilités croît de façon exponentielle : plus de 2000 pour les tétrasaccharides (4 unités), déjà plusieurs millions pour une petite chaîne de 8 unités (octasaccharide), etc. ! Mais lequel de ces sucres ferait un bon médicament pour telle ou telle pathologie ?

Le rçle des chimistes est de synthétiser ces petites chaînes de sucre afin de les proposer aux biologistes qui les testeront. Pas question de synthétiser tous les HS possibles ! Les chimistes de l'ICMMO font des choix dans les sucres de base, élaborent des méthodes de synthèse innovantes permettant d'obtenir plusieurs composés à la fois (chimie combinatoire) et conduisent avec maestria des synthèses qui peuvent comporter jusqu'à 50 étapes ! Chaque produit est caractérisé par des techniques d'analyses pointues : RMN, chromatographie (HPLC)?

Contrçler des maladies auto-immunes

Le polysaccharide synthétisé bloque l'action de l'interféron gamma.

© D. Bonaffé

Pour terminer, voici un exemple prometteur, parmi d'autres, de ces recherches de pointe. La cytokine IFN-gamma est une protéine indispensable au bon fonctionnement du système immunitaire mais sa surproduction est à l'origine de graves maladies auto-immunes (polyarthrite rhumatoïde, maladie de Crohn?). Son activité est modulée grâce à l'interaction avec un polysaccharide. L'équipe de David Bonnaffé a déjà synthétisé un mime de 50mère (50 sucres) capable de s'accrocher à la protéine. Le travail consiste désormais à en trouver d'autres et à déterminer lequel sera le plus sélectif de la cytokine IFN-gamma afin de ne pas provoquer trop d'effets secondaires en s'accrochant à d'autres molécules de l'organisme.

L'institut d'Astrophysique Spatiale (IAS)

Le satellite PLANCK-HFI

© NASA

Astrophysique? spatiale ? Logique, pensez-vous ! Mais cet adjectif a toute son importance : il signifie « simplement » que c'est depuis l'espace qu'on observe le mieux l'espace ! Pour obtenir des informations sur les planètes, le Soleil et les autres étoiles, il faut recueillir la lumière qui nous parvient. Or sur Terre, l'atmosphère pose quelques difficultés : elle absorbe certaines parties du rayonnement (elle est assez transparente pour la lumière visible ? heureusement ! - et les ondes radio mais est plutçt opaque dans l'infrarouge et les rayonnements très énergétiques comme les ultraviolets ou les rayons X). D'où la solution d'envoyer les engins d'observation en orbite autour de la Terre et même encore plus loin, à l'assaut des autres planètes de notre système solaire ou du Soleil, notre étoile. Les grandes nations ont des agences spatiales (ESA pour l'Europe, CNES en France, NASA pour les Etats-Unis?) capables de gérer d'énormes projets comme un satellite mais pour la conception des instruments embarqués à bord, elles font appel à des laboratoires spatiaux. La France en compte une douzaine et l'IAS est l'un des premiers. Il compte 43 chercheurs, 73 ingénieurs et techniciens ainsi qu'une vingtaine d'étudiants en thèse ou post-doctorat pour un budget annuel, salaires inclus, de 10 millions d'euros. C'est une unité mixte du CNRS et de l'Université Paris-Sud 11, qui bénéficie du soutien du CNES et de l'ESA.

De l'idée du chercheur à l'exploitation des données?

Pour travailler dans le « spatial », il faut savoir apprivoiser le temps? La durée qui s'écoule depuis l'idée scientifique jusqu'au lancement du satellite avoisine couramment la dizaine d'années et souvent autant d'années encore à exploiter les données recueillies. La conception d'un instrument spatial nécessite un professionnalisme extrême tant les budgets mis en jeu sont élevés et les possibilités de changement de feuille de route minimes? (et nulles une fois l'instrument parti !). L'IAS pilote la réalisation des instruments depuis leur conception. Il collabore étroitement avec les industriels ? comme Alcatel Espace ? qui, eux, vont s'occuper de la fabrication. Une fois l'instrument assemblé, l'IAS s'occupe de le tester et d'en caractériser le fonctionnement. Il dispose pour cela de moyens techniques lourds, en particulier d'une station d'étalonnage, immense hall d'expériences, où les instruments destinés à être envoyés dans l'espace sont exposés à des conditions (rayonnement, température, vide) semblables à celles qu'ils rencontreront dans leur vie interplanétaire. Le laboratoire gère également un centre de données et d'opérations spatiales (l'IDOC). Il assure l'analyse, l'archivage et le libre accès aux données des missions auxquelles le laboratoire a contribué.

Missions en cours, missions futures

le Soleil en ultra-violet photographié par SOHO.

© ESA-NASA

Les équipes de l'IAS sont et seront impliquées dans un grand nombre de projets qui ne peuvent bien sûr pas tous être décrits ici. Citons pour les plus récents et les plus médiatisés : des « poussières interstellaires » recueillies lors de la mission STARDUST qui vont être analysés à l'IAS, l'implication dans la mission STEREO d'observation du soleil en 3D dont les satellites ont été lancés avec succès le 26 octobre. Lors de sa conférence, Jean-Claude Vial a détaillé quelques grands projets. La recherche de formes de vie extraterrestre en est un. Qui aurait parié il y a une vingtaine d'années qu'on pourrait mettre en évidence ? certes presque toujours de façon indirecte ? l'existence d'autres planètes autour d'autres soleils. Des objets si lointains et si peu lumineux par rapport à leur étoile ! On en a répertorié aujourd'hui plus de 200 depuis la première découverte en 1995. Des géantes gazeuses, essentiellement. L'objectif des prochaines années, grâce à des télescopes spatiaux comme COROT (lancement prévu le 27 décembre 2006), est de détecter des planètes ressemblant davantage à la Terre, rocheuses et entourées d'une atmosphère. Se posera alors le défi, encore bien plus difficile, de trouver dans ces atmosphères d'éventuels signes de vie (en repérant des molécules comme le dioxyde de carbone, l'eau, l'oxygène, l'ozone?) Plus près de nous, le Soleil. A la fois si familier et encore si mal connu. Le satellite SOHO l'observe scrupuleusement sous toutes ses coutures depuis 1995. Grâce à un coronographe, il peut enregistrer des images de la couronne solaire et de ses fantastiques éruptions projetant des milliards de tonnes de matière dans l'espace? et parfois vers la Terre. Elles provoquent de féeriques aurores boréales aux pçles mais aussi d'importants dégâts et perturbations sur les réseaux électriques et les satellites. Un paramètre qu'il faudra prendre en compte pour les futures missions habitées vers Mars ! Plus loin, dans le temps : le Big Bang. Le satellite PLANCK, qui sera lancé fin 2008, nous permettra d'en savoir beaucoup plus sur l'origine de l'univers grâce à une mesure très sophistiquée du rayonnement fossile, vestige de ce que fût le « tout début ». L'IAS est en première ligne dans cette mission avec la conception instrumentale pour détecter ce rayonnement très froid, à 3 K (Kelvin).