Pour la plupart d’entre vous, pas grand chose ne devrait changer si ce n’est que tous les épisodes qui vous manquaient dans iTunes doivent désormais être disponibles.
Pour les autres, les geeks vrais de vrais, voici ce qui a changé:
Un flux spécifique ne contenant que les mp3 a été créé. C’est le flux désormais repris par FeedBurner: feeds.feedburner.com/podcastscience . Il contient tous les épisodes du podcast, pas juste les derniers.
Si vous voulez retrouver l’ancien flux contenant les notes d’émission, les dossiers, les illustrations (pour vous abonner via un reader RSS par exemple), vous le trouvez à l’adresse suivante: http://www.podcastscience.fm/feed .
Et vous avez également la possibilité de ne vous abonner qu’à ce qui vous intéresse:
- Notes d’émission: http://www.podcastscience.fm/category/emission/feed
- Dossiers: http://www.podcastscience.fm/category/dossiers/feed
- Illustrations: http://www.podcastscience.fm/category/illustrations/feed
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Merci de votre fidélité, à bientôt!
Bonjour à toutes et à tous!
Un peu de housekeeping d’abord, concernant notre virée au CERN le samedi 9 juillet à 14h : merci de nous confirmer
- votre venue (il y a des gens sur liste d’attente, si jamais votre place devait se libérer, elle ne serait pas perdue pour tout le monde)
- votre taille de t-shirt (S, M, L, XL, XXL ou autre)
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Là, maintenant, tout de suite please. Merci 
Le dossier de la semaine
- La lumière, par Mathieu. Où Mathieu nous explique ce qui se passe quand un proton se regarde dans le miroir.
Retour sur le dossier de la semaine dernière
Le commentaire avisé de Pierre Kerner:
J’ai beaucoup aimé cet épisode (que j’ai mis du temps à écouter, mais voilà chose faite). Alan c’est lancé sur un gros morceau digne des dossiers épique de Mathieu, chapeau donc! Pas de grosses critiques à faire. Je vous dirige juste sur l’excellent blog de Christie Wilcox d’Observations of a Nerd qui a publié un billet du même acabit à l’occasion de l’identification du corps d’Osama ben Laden (en Anglais : http://goo.gl/G4m7R ).Sinon je reviens sur une remarque de Mathieu que je ne peux pas laisser passer: Il a réagi sur le fait que les 4 “lettres” (les bases azotées) se retrouvaient chez tous les animaux, de la plus simple bactérie aux animaux les plus évolués… Alors bon, d’abord, il faut savoir qu’il fallait remplacer “animaux” dans sa phrase par “organismes” (vu que les bactéries ne sont pas des animaux et qu’au passage on oublie les plantes, les algues, les champignons, les archées, les protozoaires et j’en oublie…). Ensuite, je tilte (faut pas le prendre mal, c’est le mode enseignant qui s’enclenche), sur les formules: animaux les plus évolués. Dans la première partie d’un de mes articles sur les poissons amphibies (http://goo.gl/KPop9 ) je poussais un coup de gueule sur la vue trop répandue d’une échelle de la complexité que les organismes vivants se mettraient à gravir durant l’évolution, et où chaque barreau représenterait un stade évolutif où s’arrêteraient certaines lignées tandis que d’autres continueraient vers l’apogée où, bien entendu, nous les humains, résiderions… Et beh non: les bactéries qui vivent à l’heure actuelle sont “aussi” évoluées que les humains. Ce qui signifie qu’elles sont le résultat d’autant de milliards d’années d’évolution durant lesquelles elles ont accumulées des modifications qui ajoutent à la divergence entre leur lignée et celle qui a mené jusqu’à notre émergence. A vrai dire, si on jaugeait l’évolution par le nombre de modifications accumulées dans un génome, ce sont les bactéries qui devraient être targuées comme ‘plus évoluées’… La confusion vient du fait qu’on associe volontiers les processus d’accumulation de complexité avec les mécanismes évolutifs. Mais ceux-ci s’associent seulement au grès de la sélection naturelle. Et si un jour, une lignée se voit condamnée par une trop grande complexité pour s’adapter à leur milieu ou pour mieux se reproduire, les individus qui perdraient cette complexité viendraient facilement à prédominer la population locale et entrainerait une dé-complexification (encore une fois mal interprétée quand on entend parler de dé-évolution…).
Précision importante, en effet, nous allons d’ailleurs consacrer une émission entière à l’évolution dans deux semaines, juste après avoir consacré une émission entière à un thème non moins important: notre ami Taupo/Pierre Kerner, justement.
Enfin la quote de Mathieu:
“I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics”. – Richard FeynmanTraduction libre: “Je peux affirmer sans risque que personne ne comprend la mécanique quantique” (Richard Feynman était sans doute l’autorité la plus respectée du domaine… de la mécanique quantique!)
Prochain enregistrement en direct du World Science Festival de New York (et bien sûr de Barcelone), rien que ça! Bonne semaine!
Il n’est pas facile de définir la lumière, car elle peut être représentée de deux façon différentes:
- Nature ondulatoire.
- Nature corpusculaire (particule).
La métaphore du cylindre est l’exemple d’un objet ayant des propriétés apparemment inconciliables. Il serait à première vue incongru d’affirmer qu’un objet a à la fois les propriétés d’un cercle et d’un rectangle; sur un plan (au sens géométrique), un objet est soit un cercle, soit un rectangle. Mais si l’on considère un cylindre : une projection dans l’axe du cylindre donne un cercle (source lumineuse dans l’axe projette une ombre en cercle sur un mur), et une projection perpendiculairement à cet axe donne un rectangle (source lumineuse perpendiculaire à l’axe projette un ombre rectangle sur un mur). On a donc bien un objet ayant les propriétés d’un cercle et d’un rectangle (mais il n’est ni l’un, ni l’autre).
Quand on dit que la lumière est à la fois onde et particule, ce sont des manières de voir les choses et non pas les choses en elles-même, ce sont des représentations.
Nature ondulatoire
La lumière visible est composée de l’ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l’oeil humain, c’est-à-dire comprises dans des longueurs d’onde situées entre le violet et le rouge.
Outre la lumière visible, par extension, on appelle aussi parfois « lumière » d’autres ondes électromagnétiques, telles que celles situées dans les domaines de fréquences de l’ultraviolet et de l’infrarouge.
Ce sont les travaux sur l’életromagnétisme de James Clerk Maxwell aboutis en 1873 qui permettent d’expliquer le phénomène ondulatoire de la lumière. Il définit la lumière comme une onde qui se propage sous la forme d’un rayonnement électromagnétique (le rayonnement électromagnétique est une variation des champs électriques et magnétiques). Maxwell a montré que la lumière peut être modélisée par un champ électromagnétique (qui se propage dans une direction perpendiculaire à lui-même). Lorsque ce champ a une fréquence bien déterminée, l’onde associée peut être caractérisée par sa longueur d’onde qui dépend, d’ailleurs, du milieu où elle se propage. Dans le cas de la lumière visible, la couleur perçue par le cerveau, via l’œil, est la manifestation de la fréquence et non de la longueur d’onde (la diffraction, les interférences ou la polarisation nécessitent de prendre en compte la nature ondulatoire de la lumière).
Le spectre du rayonnement lumineux visible n’est qu’une partie de l’ensemble du rayonnement électromagnétique, beaucoup plus large : infrarouge, ultraviolet, ondes radio, rayons X, les rayons γ…
Ce sont les fameuse équations de Maxwell qui permettent de développer une théorie générale de l’électromagnétisme. Elles permettent d’expliquer aussi bien la propagation de la lumière que le fonctionnement d’un électroaimant. Ces équations de Maxwell constituent des lois fondamentales de la physique et sont des postulats de base de l’électromagnétisme. Elles décrivent la force électromagnétique, qui est l’une des 4 forces fondamentales de l’Univers.
Nature corpusculaire
C’est Newton qui avait développé au départ une théorie purement corpusculaire de la lumière. Plus tard, la physique du XXéme siècle a montré que l’énergie transportée par la lumière est quantifiée grâce à des particules qu’on appelle photons. Le concept de photon a été développé par Albert Einstein entre 1905 et 1917 pour expliquer des observations expérimentales qui ne pouvaient être comprises dans le cadre d’un modèle ondulatoire classique de la lumière. Il a ainsi montré que parallèlement à son comportement ondulatoire — interférences et diffraction —, la propagation du champ électromagnétique présente simultanément des propriétés corpusculaires. On appelle photon:
- le quantum d’énergie, c’est à dire la plus petite quantité d’énergie, indivisible, qui compose la lumière.
- le photon peut être représenté comme une particule porteuse d’énergie, mais dépourvue de masse!
Le pénomène de rayonnement ou radiation en physique désigne le processus d’émission ou de transmission d’énergie impliquant une particule porteuse. Le rayonnement électromagnétique a comme vecteur le photon. À chaque type de radiation correspond sa particule porteuse : le photon pour le rayonnement électromagnétique, ou les particules alpha, bêta ou neutron pour respectivement les rayonnement alpha, bêta ou neutronique…
Dualité onde-particule
La théorie ondulatoire de Maxwell ne rend pas compte de toutes les propriétés de la lumière. Cette théorie prédit que l’énergie d’une onde lumineuse dépend seulement de l’amplitude de l’onde, mais pas de sa fréquence. Or de nombreuses expériences indiquent que l’énergie transférée de la lumière aux atomes dépend seulement de la fréquence et non de l’amplitude. En 1905, Albert Einstein réconcilia la théorie de Maxwell avec celle de Newton : il expliqua l’effet photoélectrique, un effet dans lequel la lumière n’agit pas en tant qu’onde, mais en postulant l’existence des photons. L’effet laser s’explique aussi en terme de photons. Einstein postula que la fréquence ν de la lumière, est liée à l’énergie E des photons.
Le spectre électromagnétique est la décomposition du rayonnement électromagnétique selon ses différentes composantes en termes de fréquence ν (ou période T), de longueur d’onde λ associée ou d’énergie des photons E.
Mise en évidence de la dualité grâce aux fentes de Young
Une des manières les plus claires de mettre en évidence la dualité onde-particule est l’expérience des fentes de Young. Cette expérience est connue depuis le XIXe siècle, où elle a d’abord mis clairement en évidence l’aspect purement ondulatoire de la lumière. Modifiée de manière adéquate, elle peut démontrer de manière spectaculaire la dualité onde-corpuscule de la lumière.
L’expérience consiste à éclairer par une source lumineuse un écran percé de deux fentes très fines et très rapprochées. Ces deux fentes se comportent comme deux sources secondaires d’émission lumineuse. Une plaque photographique placée derrière l’écran enregistre la lumière issue des deux fentes.
Ces deux sources interfèrent et forment sur la plaque photographique des franges lumineuses que l’on appelle une figure d’interférence. Cette figure est caractéristique d’un comportement ondulatoire de la lumière. Si l’expérience en reste à ce niveau, l’aspect corpusculaire n’apparaît pas.
En fait, il est possible de diminuer l’intensité lumineuse de la source primaire de manière à ce que la lumière soit émise photon par photon. Le comportement de la lumière devient alors inexplicable sans faire appel à la dualité onde-corpuscule. Si on remplace la source lumineuse par un canon qui tire des micro-billes à travers les deux fentes, donc de “vraies” particules, on n’obtient aucune figure d’interférence, mais simplement une zone plus dense, en face des fentes, correspondant aux impacts des micro-billes. Or, dans le cas d’une émission lumineuse de faible intensité et envoyée par une sorte de canon à photons, on constate que l’impact de la lumière sur l’écran est marqué de la même manière que les micro-billes. Au fur et à mesure que les impacts augmentent sur la plaque photographique, on retrouve petit à petit une figure d’interférence reconstituée par l’ensemble des impacts des photons. On retrouve donc une figure d’interférence caractéristique des ondes, en même temps qu’un aspect corpusculaire des impacts sur la plaque photographique.
L’interprétation de cette expérience est difficile, car si on considère la lumière comme une onde, alors les points d’impacts sur la plaque photographique sont inexplicables; on devrait voir dans ce cas très faiblement, dès les premiers instants, la figure d’interférence, puis la voire de plus en plus intense. Au contraire, si on considère la lumière comme étant exclusivement composée de particules, alors les impacts sur la plaque photographique s’expliquent aisément, mais la figure d’interférence qui se crée peu à peu ne s’explique pas : comment et pourquoi certaines zones seraient privilégiées et d’autres interdites à ces particules ?
L’existence du photon ne contredit pas la théorie ondulatoire, au contraire : en mécanique quantique, la dualité onde-particule (ou onde-corpuscule) dit qu’à chacune des particules est associée une onde. Cette onde est appelée fonction d’onde de la particule, et c’est elle qui code la densité de probabilité des variables mesurables de la particule. Si on considère le déplacement d’un unique photon (la position du photon est l’une des variables de la particule), les points d’arrivée possibles sont donnés sous forme de probabilités par l’onde associée. Sur un très grand nombre de photons, chaque lieu d’arrivée est illuminé avec une intensité proportionnelle à la probabilité de chacun des photons… ce qui correspond au résultat de la figure d’interférence de la théorie classique ondulatoire.
Sur la plaque photographique de l’expérience des fentes de Young, il se produit ce que l’on appelle une réduction du paquet d’onde, ou une décohérence de la fonction d’onde : le photon se matérialise, avec une probabilité donnée par la fonction d’onde: élevée à certains endroits (frange brillante), faible ou nulle à d’autres (franges sombres).
Cette expérience illustre également une caractéristique essentielle de la mécanique quantique:
- Jusqu’à ce qu’une observation soit faite, la position d’une particule est décrite en termes d’ondes de probabilité, mais après que la particule est observée (ou mesurée), elle est décrite par une valeur fixe.
La lumière est donc considérée comme constituée de photons qui se comportent comme:
- des corpuscules dans leurs interactions avec la matière.
- des ondes pour leur propagation.
Optique Géométrique
L’optique géométrique est une approche complémentaire de l’optique ondulatoire et de l’optique quantique. Elle est en revanche plus ancienne, ayant été développée dès l’antiquité. C’est l’optique géométrique, qui reste l’outil le plus flexible et le plus efficace pour expliquer un certain nombre de phénomènes simples liés à la lumière. Par exemple, la lumière incidente sur l’interface entre deux milieux peut être réfléchie, réfractée (dispersée) ou absorbée.
Réflexion
La lumière se déplace en ligne droite dans tout milieu transparent, en particulier dans le vide ou l’air. Dans le vide, la lumière se déplace à une vitesse fixe et indépassable d’environ 300’000 km/s. La lumière est un peu plus lente dans l’air, et notablement plus lente dans l’eau.
Le phénomène de réflexion est dû au fait que les rayons lumineux sont déviés (réfléchis) lors de la rencontre d’une surface réfléchissante (miroir). Les rayons lumineux réfléchis le sont tels que l’angle de réflexion est égal à l’angle d’incidence sur la surface réfléchissante.
Réfraction
La réfraction survient généralement à l’interface entre deux milieux, ou lors d’un changement de densité du milieu. Les rayons lumineux peuvent changer de trajectoire lors du passage d’un milieu à un autre. Tout milieu homogène dans lequel se propage un rayon lumineux possède un indice de réfraction. En tombant sur une surface (dioptre) séparant le milieu où il se propage (milieu d’incidence) d’un autre milieu possédant un autre indice de réfraction, ça donne naissance, dans ce second milieu, à un rayon qui n’est pas dans son prolongement, qui est dévié: c’est le rayon réfracté. Le fonctionnement des lentilles est basé sur ce phénomène de réfraction de la lumière.
Dans l’approche ondulatoire, la réfraction est un phénomène de déviation d’une onde lorsque sa vitesse change entre deux milieux. La vitesse de la lumière n’est pas la même dans les deux milieux. Ce changement de valeur suffit à interpréter le changement de direction de l’onde.
Lorsque la lumière incidente est monochromatique, on parle de simple pénomène de réfraction. Dans le cas de la lumière polychromatique, la réfraction conduit alors à un phénomène plus étendu et généralisé qu’on appelle de dispersion.
Dispersion
La dispersion est le phénomène affectant une onde dans un milieu dans lequel les différentes fréquences constituant l’onde ne se propagent pas à la même vitesse. L’indice de réfraction du milieu n’est pas le même pour toutes les composantes ondulatoires d’un rayon lumineux polychrome. L’indice de réfraction dépend de la longueur d’onde des composantes de la lumière.
Les arcs-en-ciel sont une manifestation de la dispersion induite par réfraction des rayons du soleil par les gouttelettes d’eau en suspension dans l’air.
La lumière blanche peut aussi se décomposer en arc-en-ciel à l’aide d’un prisme de verre. La décomposition de la lumière génère des raies spectrales qui correspondent aux différentes longueurs d’ondes émises. Le terme spectre fut employé pour la première fois en 1666 par Isaac Newton pour se référer à ce phénomène par lequel un prisme de verre peut séparer les couleurs contenues dans la lumière du Soleil. Chaque « couleur spectrale » de cette décomposition correspond à une longueur d’onde précise. Etant donné que l’indice de réfraction n’est pas le même pour les différentes longueurs d’onde d’un faisceau de lumière blanche: le bleu est plus dévié que le jaune, lui-même plus dévié que le rouge…
Dans les expériences du prisme, du point de vue de l’optique géométrique, un prisme est l’association de deux dioptres plans non parallèles (air-verre-air).
Absorption
L’absorption, en électromagnétisme, désigne un processus physique par lequel l’énergie électromagnétique est transformée en une autre forme d’énergie.
Au niveau des photons, l’absorption représente le phénomène par lequel l’énergie d’un photon est capturée par une autre particule, par exemple par les électrons qui se traduit par une transition entre 2 niveaux d’énergie électronique. Le photon est alors détruit par l’opération, l’énergie électromagnétique est absorbée et transformée en énergie électronique. On voit donc que l’absorption d’un photon peut provoquer des transitions atomiques, c’est-à-dire d’exciter un atome dont l’énergie augmente par la modification de l’orbite d’un de ses électrons. Cette énergie absorbée peut par la suite être:
- re-transformée en énergie électromagnétique par l’émission de nouveau(x) photon(s). Lorsqu’un atome excité revient à son état d’énergie fondamental, il émet un photon dont l’énergie (et donc la fréquence) correspond à une différence entre deux états d’énergie de l’atome.
- transformée en agitation particulaire (augmentation de la vitesse de la particule) ce qui se traduit au niveau macroscopique par une augmentation de la température (l’énergie électromagnétique a été transformée en chaleur).
C’est Niels Bohr qui interpréta l’émission de lumière par l’émission d’un photon lorsque l’atome passe d’un niveau d’énergie à un autre. Le spectre d’émission de n’importe quel élément peut être obtenu en chauffant cet élément, puis en analysant le rayonnement émis par la matière. Ce spectre est caractéristique de l’élément. Les photons sont ainsi des « paquets » d’énergie élémentaires, ou quanta de rayonnement électromagnétique, qui sont échangés lors de l’absorption ou de l’émission de lumière par la matière.
Pour la plupart des substances, le taux d’absorption varie avec la longueur d’onde de la lumière incidente, menant à l‘apparence de couleur dans les pigments qui absorbent certaines longueurs d’onde mais pas d’autres. Par exemple, avec une lumière blanche incidente, un objet qui absorbe les longueurs d’onde dans le bleu, vert et jaune, apparaîtra de couleur rouge. Un matériau de couleur noire absorbe toutes les longueurs d’onde (converties en chaleur), alors qu’un matériau de couleur blanche les réfléchit.
Diffraction
L’optique géométrique qui explique bien la grande partie des phénomènes de réflexion et réfraction ne permet pas d’expliquer tous les phénomènes lumineux. En particulier, elle ne tient pas compte du fait que la lumière est de nature ondulatoire. Lorsque tous les objets qui interagissent avec la lumière ont des tailles caractéristiques grandes devant la longueur d’onde du rayon lumineux alors il est convenable et plus simple d’utiliser l’optique géométrique pour décrire son comportement avec une bonne précision. Mais quand la lumière passe à travers des objets dont la taille est du même ordre de grandeur (voire plus petits) que sa longueur d’onde, alors il n’est plus possible de négliger l’aspect ondulatoire et on entre dans le domaine de l’optique ondulatoire. Deux phénomènes caractéristiques de l’optique ondulatoire, inexplicables dans le contexte de l’optique géométrique, sont les interférences lumineuses (Fentes de Young) et la diffraction.
La diffraction est le phénomène par lequel un rayonnement, comme la lumière, est dévié dans de multiples directions par une interaction avec d’autres objets ou un obstacle. La diffraction décrit donc le comportement des ondes lorsqu’elles rencontrent un obstacle. Elle se manifeste par le fait qu’après la rencontre d’un objet, la densité de l’onde n’est pas conservée selon les lois de l’optique géométrique. La diffraction s’observe avec la lumière, mais également avec le son, les vagues, les rayons X…. Elle est une signature de la nature ondulatoire d’un phénomène.
On parle d’interférence lorsque deux ondes de même type se rencontrent et interagissent l’une avec l’autre. La diffraction est le résultat de l’interférence des ondes diffusées par chaque point.
Exemple Pratique: Miroir et Photon
Soit un miroir avec un pouvoir réflecteur de 90 % (on considère qu’on reste dans le cadre la lumière visible humaine). Une source envoie simultanément 100 photons à la même fréquence contre ce miroir. Que va-t-il se passer?
- Le miroir va réfléchir 90 photons et en absorber 10 (l’absorption des 10 photons pourrait se traduire par une petite augmentation de chaleur du miroir).
Sur quel critère 10% des photons vont passer à la “trappe” et vont être absorbé s’ils sont tous semblables. Qu’est ce qui va etre déterminant sur le choix des photons à réfléchir et ceux qui vont être absorbé ?
- Sur la base de la nature corpusculaire de la lumière dont l’essence est intrinséquement probabiliste selon la mécanique quantique, le photon aura 9 chances sur 10 d’être réfléchi et 1 chance sur 10 d’être absorbé.
Un autre question plus tordue: un seul photon est émis, et envoyé à la rencontre du miroir. Celà voudrait-il dire que 0,9 photon est réfléchi et 0,1 est absorbé? Qu’est ce que 0,9 photon?
- A nouveau, le photon aura 9 chances sur 10 d’être réfléchi, et 1 chance sur 10 d’être absorbé.
Ce qu’il faut savoir c’est que en réalité, ça n’a même pas de sens de se demander “lesquels” des 100 photons sont réfléchis et lesquels sont absorbés, parce qu’on ne peut pas les individualiser. Il faut plutot imaginer l’état d’un champ composés de 100 photons. Ce champs va évoluer vers un nouvel état composés de 90 photons réfléchis, l’énergie manquante ayant été absorbée. La même idée peut être expliqué dans le fonctionnement des comptes bancaires: c’est comme si la banque prélevait 10 euros de frais et commission sur 100 euros déposés sur un compte… on ne se pose pas la questions sur quels sont les euros parmi les 100 qui ont été prélevés!
Sources:
http://fr.wikipedia.org/wiki/Lumi%C3%A8re
http://fr.wikipedia.org/wiki/Rayonnement_%C3%A9lectromagn%C3%A9tique
http://fr.wikipedia.org/wiki/Photon
http://fr.wikipedia.org/wiki/Dualit%C3%A9_onde-particule
http://fr.wikipedia.org/wiki/Optique_g%C3%A9om%C3%A9trique
http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9fraction_des_ondes
http://fr.wikipedia.org/wiki/Absorption_(optique)
http://fr.wikipedia.org/wiki/Dispersion
http://fr.wikipedia.org/wiki/Diffraction
http://forums.futura-sciences.com/physique/268537-miroir-photon-oeoeoeoemoi-2-autres-menervent.html
Bonjour bonjour!
Deux dossiers cette semaine:
- À 1:42, notre ami Xavier Agnès nous fait le plaisir de venir nous parler du livre “Numérologie et folie des grandeurs – Quand les nombres font perdre la boule“, de Nicolas Gauvrit, qu’il a dévoré avec un plaisir tout à fait contagieux!
Les liens:- Pour commander le livre: http://www.book-e-book.com/index.asp?fx=2&p_id=141
- L’article de Nicolas Gauvrit, sur son blog, sur le paradoxe des anniversaires: http://psymath.blogspot.com/2011/05/le-paradoxe-des-anniversaires.html
- Nicolas Gauvrit était venu nous parler des biais statistiques dans Podcast Science n° 29
- Retrouvez Xavier Agnès (fou de science, musicien, comédien, informaticien et blogueur) sur son blog: www.ixanet.ch et sur twitter: @XavierAgnes
(transcript du dossier ici)
- À 17:17, Long dossier d’Alan sur les tests ADN
Les liens évoqués dans le dossier sont dans le dossier. Les liens évoqués par Xavier durant la discussion sont les suivants:- Le cas de la tueuse fantôme en Allemagne en 2009 (en fait, une erreur de manipulation…): http://www.lexpress.fr/actualite/monde/europe/allemagne-pas-de-tueuse-fantome-mais-une-erreur-monstre_750266.html
- L’article de Jean-Marc Manach, sur Internet Actu, “Quand les experts se trompent”: http://www.internetactu.net/2010/12/09/adn-quand-les-experts-se-trompent/
Les news de la semaine:
- À 62:30, commentaire de Marc Montangero sur l’illustration de Lucile: http://www.podcastscience.fm/illustrations/2011/05/01/illustration-la-chimie-pour-les-nuls/comment-page-1/#comment-1529
Chère Lucile,
Merci beaucoup pour cette illustration ! Voici quelques réponses…
La composition du Nutella est indiquée sur l’étiquette, une partie de son secret est de contenir les ingrédients nécessaires à la production de chocolat, qui est extrêmement addictif ; c’est en effet un excellent anti-dépresseur, et il a la particularité de fondre à une température très proche de celle du corps humain, ce qui permet de libérer les arômes au bon moment. Il y a donc une histoire neurologique derrière l’addiction au chocolat, et donc au Nutella.
L’huile et le vinaigre (composé à 95 % d’eau) ne se mélangent pas volontiers, car l’huile est formée de molécules très longues, ce qui leur confère la propriété d’être hydrophobes (pour les détails, il faut suivre un cours de chimie de première année de gymnase !). Comme le vinaigre, principalement constitué d’eau, est évidemment hydrophile, les deux ne sont pas faits pour s’entendre. On peut toutefois y arriver par l’intermédiaire de molécules particulières, que l’on appelle des tensioactifs, qui sont de longues molécules dont une extrémité est hydrophile et l’autre hydrophobe ; ces molécules vont se lier d’un côté à l’eau et de l’autre à l’huile, permettant ainsi de solubiliser l’un dans l’autre. On trouve ce genre de molécules dans le jaune d’oeuf ou la moutarde, raison pour laquelle on utilise de la mayonnaise ou de la moutarde pour la sauce à salade. Les savons sont constitués de tensioactifs (puisque le but est précisément de dissoudre les taches grasses), mais il faut avouer que c’est franchement moins bon dans la sauce à salade
Pour les oeufs battus en neige, l’idée est la suivante : le blanc d’oeuf contient de l’eau et des protéines (des assemblages de molécules qui forment une énorme molécule, que l’on appelle un polymère). En battant le blanc, on incorpore de l’air dans le blanc, les protéines se “déroulent” et on forme une mousse qui est en fait des bulles d’air dont la surface est de l’eau maintenue par les protéines. Pour faciliter la formation de la mousse, il faut ajouter une pincée de sel, qui aide les protéines à se dérouler. Les expériences réalisées par le chimiste Hervé This ont montré deux phénomènes intéressants : premièrement, si l’on bat des blancs qui sortent du frigo, le temps de battage est divisé par quatre par rapport à des blancs que l’on a laissé à température ambiante. Deuxièmement, le volume de mousse est d’environ un quart de litre par blanc. Une fois ce volume atteint, il suffit d’ajouter une cuillère à soupe d’eau et de battre à nouveau, jusqu’à stabilisation du nouveau volume, plus grand qu’avant. On peut ajouter de l’eau jusqu’à atteindre un volume d’environ 1 mètre cube (oui !) pour un seul blanc d’oeuf. Si c’est trop compliqué, on peut plus simplement décapiter des “têtes de choco” et piocher le blanc dedans
Restez connectée sur mon site, il y aura encore quelques expériences en rapport avec la cuisine !
- Envoyé par Xavier Agnès (le même, justement…):
Cette semaine a eu lieu le lancement de la navette Endeavour. L’engin a entamé son dernier voyage, avant de prendre sa retraite, vers la Station spatiale internationale. Ce dernier voyage d’Endeavour a pour objectif d’acheminer jusqu’à l’ISS le spectromètre magnétique Alpha 2, un appareil permettant d’étudier l’existence d’antimatière et la nature de la matière noire invisible.
- Manuel d’Introduction à la physique des particules (Merci Thibaut Lacroix)
- Question de djschorn:
J’ai une question relativement simple.
On entend depuis quelques temps tout (et surtout n’importe quoi) sur le 21/12/12 : Apocalypse, changement de sens de rotation de la terre, changement de polarité, etc….
La seule chose certaine, c’est que les planètes du système solaire seront alignées.
La question est la suivante : quelle seront les conséquences réelles de cet alignement sur la terre ? Y-a-t’il aujourd’hui des réponses qui font consensus dans la communauté scientifique ?
J’ai tenté de trouvé sur le net des réponses à ces questions, mais j’avoue que je me suis un peu perdu dans la longue liste des théories plus ou moins “foireuse”.
- Réponse de Mathieu (trouvée sur http://fr.wikipedia.org/wiki/Pr%C3%A9dictions_pour_d%C3%A9cembre_2012)
Plusieurs prédictions annoncent de grands changements, voire la fin des temps et du monde, pour le 21 décembre 2012 (21/12/2012), date supposée de la fin d’un cycle du calendrier maya. Ces prophéties ont été popularisées entre autre par le mouvement New Age, certaines oeuvres de science-fiction, au cinéma…et par un certain nombre de charlatans pseudo-scientifiques. Ces prédictions astronomiques pour décembre 2012 ont d’ailleurs été officiellement démenties par la NASA.
On affirme aussi que l’on assistera à un alignement de planètes, censé avoir des conséquences catastrophiques pour la Terre dû à une planète hypothétique Nibiru. Dans la mythologie babylonienne, Nibiru était le nom par lequel on désignait un astre associé au dieu Marduk, actuellement on fait plutôt référence à un planète proche de la Terre mais invisible. Nibiru ne passerait au voisinage de la Terre que tous les 3600 ans, causant à chaque fois d’importantes perturbations et destructions : séismes, tsunami, éruptions volcaniques, basculement de l’axe des pôles, changements climatiques, ou encore la disparition de certaines espèces animales et végétales…
Les arguments énoncés par ceux qui soutiennent l’existence de cette planète ont été démontés par les scientifiques, et on a démontré que l’existence de cette planète Nibiru est clairement un mythe. Comme le montre les calculs d’éphémérides de la NASA, il n’y aura en fait aucun alignement particulier de planètes en 2012. De plus, aucun alignement planétaire d’aucune sorte, aussi remarquable soit-il, ne pourrait provoquer des effets spectaculaires, ou même décelables sur Terre.
Les prédictions parlent également d’un alignement Terre-Soleil avec le centre de notre galaxie, mais ce phénomène n’est pas exclusif à 2012 ; cet alignement a lieu deux fois par an et c’est en 1998 que l’alignement a été le plus précis.
Le 21 décembre 2012 sera donc comme chaque année un simple solstice d’hiver (le jour de l’année où la nuit est la plus longue).
- Les créatures qui survivent dans l’espace, envoyé par Olivier Tripet:
Le Tardigrade est un animal microscopique de 1mm (qu’on apelle aussi ‘water bear’ en anglais) qui est devenu en 2007 le premier animal qui a survécu à une exposition dans l’espace. Il a survécu à des températures très froides, au vents solaires, aux rayons cosmiques, à l’absence d’oxygène, à la déshydratation, au vide de l’espace…
Ce petit animal microscopique participe à la mission d’Endeavour vers la Station Spatiale Internationale afin d’aider les scientifiques à mieux comprendre la résistance de cet organisme exposé dans des conditions extrèmes comme un voyage dans l’espace.
Le projet Biokis qui participe à la mission est un projet soutenu par l’ Agence Spatiale Italienne, et qui a pour objectif d’effectuer des recherches sur l’impact des vols spatiaux sur un certain nombre d’organismes microscopiques. Une des expériences sera d’exposer des colonnies de Tardigrades à différents niveaux de radiation ionisante et mesurer l’impact de ces radiations sur le Tartigrade.
A l’état naturel, on le trouve partout dans le monde, dans l’eau et sur terre, principalement dans des mousses et lichens. Il a la capacité d’éteindre ses fonctions biologiques essentielles, et de rentrer dans une sorte d’état de sommeil ou d’hibernation prolongée lorsque les conditions ne sont pas propices à la vie. Il possède une sorte de faculté de suspendre temporairement ses processus vitaux.
Et enfin, la quote de la semaine!
Douter de tout ou tout croire sont deux solutions également commodes qui l’une et l’autre nous dispense de réfléchir – Henri Poincarré
À méditer!
Prochain enregistrement le jeudi 26 mai. D’ici là, bonne semaine à toutes et à tous!
Texte initialement publié sur http://www.ixanet.ch/blog/2011/05/quand-les-nombres-font-perdre-la-boule-de-nicolas-gauvrit/
Grâce à podcastscience1, j’ai gagné un livre de Nicolas Gauvrit “Quand les nombres font perdre la boule”2, que je n’aurais jamais lu sinon, et c’est bien dommage. Je vais ici vous présenter3 quelques éléments du livre qui me paraissent particulièrement intéressant.
Durant ce court livre de 58 pages, il s’amuse, et nous avec, à démonter toute une série de croyances au sujet des nombres et de leur utilisation. Je dis avec nous, parce que je me marrais franchement en lisant son livre, particulièrement la première partie. Il démonte entre autre la numérologie en décortiquant la manière dont les numérologues procèdent et en montrant que les raisonnements ne tiennent pas debout. Je vous laisserais le soin de découvrir ça dans le livre.
J’aimerais parler du “paradoxe des anniversaires”. Savez-vous quel est la probabilité d’avoir deux personnes qui ont le même jour d’anniversaire dans une assemblée de 30 personnes? La réponse intuitive est que cette probabilité est assez faible. En réalité, elle est très élevée: 70.6%4. Je trouve ce résultat extrêmement éloquent, parce qu’il démontre efficacement à quel point il ne faut pas se fier à son intuition pour des raisonnements scientifiques.
Une autre chose qu’il relève, et qui me parait essentiel, c’est que l’on ne trouve que lorsque l’on cherche. Il parle par exemple de nombreux nombres que l’on trouve dans nos croyances, religions, et autres superstitions. Prenons l’exemple du 666, le fameux “nombre de la bête” que l’on trouve dans la bible. On a cherché de nombreuses implications avec des personnages ou des évènements. Et bien évidement on en a trouvé. Sur la multitude de cas observés, il y a en forcément qui vont coller. C’est statistique.
Les formules étranges proviennent de deux sortes de découvertes. Celles d’obsédés du 666 qui torturent les nombres des heures durant pour leur faire admettre un 666, et celles, fortuites, de gens qui calculent tout autre chose et s’amusent de rencontrer 666. D’autres fois, ils rencontrent 128 ou 302, mais n’en parlent à personne.
Et c’est bien là le problème, pour qu’un phénomène soit statistiquement significatif, il faut, d’une part qu’il y ai suffisamment de cas, et d’autre part que ces cas soit statistiquement supérieures à tous les autres. Mais les autres résultats obtenu ne sont pas conservé5, il est donc impossible de conclure quelque chose qui ai une valeurs statistique. Pour rebondir sur le dossier “La suite de Fibonacci”6, Mathieu citait des exemples ou le nombre d’or se retrouvait (coquillage, pomme de pin, galaxie spirale, etc.) de manière surprenante. Alors qu’en fait, statistiquement parlant, cela n’a rien d’étonnant, et si on cherchait des apparitions du nombre 45, on trouverait certainement aussi des tas de “coïncidences”.
Cependant, tomber dans ce genre d’erreur n’est pas anormal, loin de là. Chacun de nous y est sujet. Une des explications est la suivante:
Reconnaître à tort une coïncidences comme importante alors qu’elle ne l’est pas n’a pas, généralement, les même conséquences dramatiques que l’erreur inverse, qui consisterait à ne pas noter une coïncidence signifiante. Plus vite l’homme préhistorique fait le lien entre un cri perçant et l’apparition d’une grosse bête carnivore, et plus il a de chance d’échapper à ses crocs impitoyables. Ainsi, une vision darwinienne [...] donne une raison simple et rationnelle à une erreur dont nous sommes tous victimes.
Restons vigilant, mais ne nous alarmons pas de notre manière de percevoir le monde. En conclusion, je citerais encore une fois N. Gauvrit:
La bonne question n’est pas “pourquoi y a-t-il tant de coïncidences?” Mais plutôt “pourquoi suis-je étonné par la quantité de coïncidences que je remarque, pourtant conforme à ce que prévoient les probabilités?”.
Merci à Nicolas Gauvrit de nous avoir autorisé à utiliser des parties de son livre.
- www.podcastscience.fm [↩]
- Il présente son livre sur son blog à cette adresse http://psymath.blogspot.com/2010/11/rions-un-peu-avec-la-numerologie.html [↩]
- Ce texte est issu de la présentation que j’ai faite dans l’émission 37 de Podcastscience accessible par ici : http://www.podcastscience.fm/emission/2011/05/20/podcast-science-37-le-paradoxe-des-anniversaires-et-les-tests-adn/ [↩]
- Pour le détail du calcul voir le blog de Nicolas Gauvrit : http://psymath.blogspot.com/2011/05/le-paradoxe-des-anniversaires.html [↩]
- c’est ce qu’on appel le biais d’acquiescement [↩]
- Podcastscience n° 27: http://www.podcastscience.fm/dossiers/2011/03/17/la-suite-de-fibonacci-nombre-d-or/ [↩]
Le sujet a été demandé il y a quelques temps par Olivier Tripet et, allez savoir pourquoi, ça m’a tout de suite branché…
Parmi les technologies issues des découvertes scientifiques qui ont impacté en profondeur le fonctionnement de la société, les tests ADN tiennent une belle place puisqu’ils ont bouleversé jusqu’au fonctionnement de la justice elle-même.
L’avantage de l’ADN, c’est que pratiquement tout ce qui est vivant sur terre laisse sa petite trace, clairement identifiable, des bactéries aux baleines en passant par les champignons, les plantes et les différents animaux.
En 1997, un test ADN (test de paternité) post-mortem a révélé qu’Yves Montand, décédé 6 ans plus tôt, n’était pas le père d’Aurore Drossard, qui clamait jusque-là être sa fille cachée.
En 1998, à Seattle, aux Etats-Unis, à l’issue d’une enquête extrêmement compliquée, l’auteur d’un double-meurtre a pu être arrêté grâce aux traces de sang retrouvées sur sa veste. L’analyse ADN indiquait qu’il n’y avait qu’une chance sur 350 millions que le sang retrouvé ne soit pas celui du chien du couple assassiné. Chien assassiné lui aussi d’ailleurs (toute l’histoire ici) . 15 ans plus tôt, cela aurait été complètement impossible, l’assassin serait toujours en liberté.
En 2010, on a pu reconstituer une grande partie de l’arbre généalogique de Toutankhamon, au Caire en partant de restes d’ADN extrêmement fragiles, de plus de 3000 ans.
En janvier 2011, toute la presse du monde se faisait l’écho de la libération de Cornelius Dupree, innocenté au Texas après avoir passé 30 ans derrière les barreaux pour un viol et un braquage qu’il n’avait pas commis. Selon les chiffres d’Innocence Project, une organisation qui se bat pour faire libérer les innocents injustement condamnés, Cornelius est l’un des 271 cas de disculpation aux Etats-Unis depuis l’introduction de la méthode des tests ADN.
Ces quelques exemples suffisent à donner une idée de l’importance et des enjeux des tests ADN et nous allons essayer de les examiner de plus près…
Molécule d’ADN (Wikipedia)
On va commencer par le commencement:
Qu’est-ce que l’ADN?
L’ADN (petit nom de l’acide désoxyribonucléique) est la molécule, présente dans toutes les cellules vivantes, qui renferme l’ensemble des informations nécessaires au développement et au fonctionnement d’un organisme. C’est le support de l’hérédité car il est transmis lors de la reproduction, de manière intégrale ou non. L’ADN porte l’information génétique et constitue le génome des êtres vivants. C’est l’ADN qui va déterminer la couleur des yeux, des cheveux, la stature, la densité des os et de nombreux autres traits. l’ADN est très long (le chromosome 1 humain, tout déplié, mesure 8.3 cm).
Si chaque cellule de notre corps est spécialisée en fonction de son contexte (une cellule de foie ne fait pas le même boulot qu’une cellule de cerveau), leur noyau contient néanmoins un exemplaire complet de l’ADN. C’est vrai de toutes les cellules de notre corps, à quelques exceptions près (les globules rouges du sang par exemple ne contiennent pas d’ADN. Ceci dit, le sang permet tout de même le test ADN grâce aux globules blancs!) Quel que soit le tissu biologique qu’on laisse sur le lieu du crime, il contient de l’ADN, qu’il s’agisse d’un cheveu, d’un poil de nez, de salive, de sang, de sperme. Même de pellicules!
Chaque brin d’ADN est composé de nucléotides. Chaque nucléotide est une combinaison d’acide phosphorique, de sucre (le désoxyribose) et de bases azotées, sortes de lettres de l’alphabet du code génétique. En fait, on s’y réfère comme si c’était des lettres, A pour l’adénine, T pour la thymine, C pour la cytosine et enfin G pour la guanine. L’alphabet de la vie tient en 4 lettres, ça me fascine à chaque fois… On notera que c’est 2 fois plus que le code binaire informatique fait de 1 et de 0, qui permet de faire pas mal de choses lui aussi… Pour décrire une séquence d’ADN en particulier, par exemple un brin contenant 20 nucléotides on pourrait écrire ATTG CCGT ATGT ATTG CGCT.
Ces bases déterminent aussi la complémentarité entre les deux brins de la fameuse double-hélice: quand on a un A à gauche, on a forcément un T à droite et vice-versa. Et en face d’un C, on trouvera toujours un G. On peut facilement déduire un brin à partir de l’autre.
En gros, on peut imaginer l’ADN comme une échelle dont les montants sont faits de sucre-phosphate et les marches de deux bases (AT, TA, CG ou GC) reliées entre elles via un atome d’hydrogène.
La plupart des séquences ADN fournissent les informations permettant aux différentes fonctions de faire ce qu’elles ont à faire. La plupart de ces fonctions, comme les battements du cœur par exemple ou l’échange d’oxygène et de dioxyde de carbone au sein des cellules, sont exactement identiques d’un individu à l’autre. Si vous compariez les quelque 3 milliards de paires de nucléotides de votre génome avec ceux de votre voisin ou avec ceux de la personne la plus différente de vous à l’autre bout de la planète et avec laquelle vous pensez ne rien avoir en commun, vous vous apercevriez que 99.999% de votre ADN est exactement le même!
Les différences d’un individu à l’autre
Alors qu’est-ce qui fait qu’on est si différents les uns des autres et même différents de ses propres parents? L’unicité génétique (c’est à dire le fait que notre ADN soit unique, sauf si on a un vrai jumeau), est le résultat de la reproduction sexuée qui recombine de manière aléatoire le 0.001% des gènes qui nous distinguent les uns des autres à chaque génération. Ces infimes différences sont assez difficiles à traquer. Mais en 1985, une équipe de chercheurs de l’Université de Leicester en Angleterre sous la houlette de Lord Alec Jeffreys, docteur en génétique, met au point une technique pour déterminer une empreinte génétique spécifique à chaque individu (abstract de l’article original publié dans la revue Nature).
Etonnamment, ces empreintes génétiques ne se basent pas sur les 2% des séquences ADN codants, c’est à dire, qui se traduisent en protéines donnant des instructions spécifiques aux cellules mais sur des séquences non-codantes, qui constituent plus de 98% de notre patrimoine génétique et que nous connaissons mieux sous le nom délicat d’ADN poubelle ou “Junk DNA” en anglais car on a longtemps pensé qu’elles ne servaient à rien.)
Chromosomes, locus et allèles…
Chromosome (Wikipédia)
On va encore examiner quelques généralités génétiques avant d’entrer dans le détail de la méthode des tests ADN afin de bien avoir toutes les cartes en main.
Un chromosome
Les chromosomes sont les supports de l’ADN à proprement parler. L’être humain en compte 46, soit 22 paires homologues (ou autosomes) numérotées de 1-22 et une paire de chromosomes sexuels (XX ou XY). Nous avons donc 23 paires de chromosomes contrairement aux autres hominidés qui en comptent 48 (dans la lignée humaine, 2 chromosomes ont fusionné il y a quelques millions d’années). Le nombre de chromosomes varie grandement d’une espèce à l’autre: le chien (et la poule) en comptent 78, le pigeon 16, le chat 38, la vache 60, le seigle 14, le blé 42, la fougère 1200, le crocus 6… N’essayez pas de trouver une quelconque logique, il n’y en a pas!
Pour bien comprendre comment est organisé notre patrimoine génétique, j’aime bien la métaphore proposée par Matt Ridley dans son livre “The Genome: Autobiography of a Species in 23 Chapters” (2000):
Il y a 23 chapitres appelés CHROMOSOMES. Chaque chapitre contient plusieurs milliers d’histoires appelées GENES. Chaque histoire est faite de paragraphes appelés EXONS, qui sont entrecoupés de publicités, les INTRONS. Chacun de ces paragraphes est constitué de mots de trois lettres, les CODONS. Enfin, chaque mot est écrit avec des lettres, appelées les BASES
Nous avons vu les chapitres/chromosome et les lettres/bases (A, T, C, G). On va garder tout ce qui se trouve entre les deux pour un autre dossier 
Un locus
Un locus est un emplacement physique précis et invariable sur un chromosome, comme une adresse sur un échiquier ou un tableur. A la place de A3 ou C6, on trouvera par exemple par exemple 6p21.3. (Exemple piqué à Wikipédia) Le 6 indique la 6e paire de chromosomes; le p indique qu’il se situe sur le bras court du chromosome et le 21.3 révèle la position exacte du locus.
Un allèle
Ce qu’on appelle allèles, ce sont les différentes versions d’un même gène. Là aussi, j’aime bien l’exemple de Wikipedia, très parlant:
Dans le cas du gène déterminant le groupe sanguin A, B ou O, situé sur le chromosome 9 humain (en 9q34.1-q34.2), l’un des allèles, A, code la présence de substance A, un autre, B, la présence de substance B, et un troisième allèle O, ne codant pas d’enzyme actif, détermine, chez l’homozygote O/O, le groupe O.
En d’autres termes, un allèle est l’une des valeurs possibles pour un gène donné, comme une liste déroulante dans un formulaire informatisé.
Les présentations étant faites, passons aux tests ADN à proprement parler…
Les tests ADN
Dans l’ADN non-codant, on trouve des petites séquences qui varient d’une personne à l’autre. On les appelle les STR pour Short Tandem Repeats en anglais (séquences répétées en tandem) ce qui a donné microsatellites en français, ne me demandez pas pourquoi
Une séquence d’ADN-poubelle ressemblera peut-être à ceci (exemple piqué cette fois dans l’excellent “Genetics for Dummies” de Tara Rodden Robinson”
TGCT AGTC AAAG TCTT CGGT TCAT
(sans les espaces évidemment…)
Une courte séquence STR ressemblera plutôt à ceci:
TCAT TCAT TCAT TCAT TCAT TCAT
Le nombre de répétitions trouvées dans des paires de STR sont des allèles et varient d’une personne à l’autre. Dans un même locus, les allèles de la séquence STR ne seront pas les mêmes d’un suspect à l’autre. Ces variations sont appelées polymorphisme (poly = plusieurs, morph = formes). Le polymorphisme naît d’erreurs dans le processus de copie des gènes. Il y a souvent des erreurs de copie, c’est même l’un des moteurs du mécanisme de l’évolution. On appelle ça des mutations génétiques. Lorsqu’elles concernent des fonctions utiles, elles ne passent pas inaperçues: dans la nature, soit elles sont favorables à la survie (comme des dents plus longues par exemple, très utiles en certaines circonstances) soit elles ne le sont pas et se retrouvent éliminées par le mécanisme de la sélection naturelle (dents trop courtes ). Mais dans l’ADN non-codant, les erreurs restent simplement là et sont passées inaperçues jusqu’aux travaux de l’équipe de chercheurs de Leicester dans les années 1980…
Bref, reprenons notre polymorphisme. Admettons que le chromosome 1 n’ait que deux locus (ou loci). Pour le suspect n°1, par exemple, on pourrait trouver qu’un marqueur STR sur le locus A a la même longueur dans les deux chromosomes (souvenez-vous, à par les chromosomes sexuels chez le mâle (XY), tous les chromosomes viennent en paire). Le suspect n°1 est homozygote pour le locus A.
comparaison des allèles (occurrences STR) de 2 suspects (source “La génétique pour les Nuls”)
Sur le locus B, le suspect n°1 a deux allèles de longueur différente. Il est hétérozygote pour le locus B.
Prenons maintenant le suspect n°2. Il a des allèles de longueur différentepour le locus A. Contrairement au suspect n° 1, il est hétérozygote pour le locus A (on sait donc déjà à coup sûr que le suspect N°1 et le suspect N°2 ne sont pas la même personne mais ça ne nous dit pas encore qui se trouvait où au moment du crime ). On regardera quand même le locus B à tout hasard, pour constater que le suspect n°2 a le même nombre de répétitions dans ses deux marqueurs STR et qu’il est homozygote pour le locus B. Tout le contraire de l’autre suspect, quoi…
On a compris le principe. Voyons un peu les détails…
Sur la scène du crime
Sur place, la police scientifique doit commencer par collecter des preuves. Non seulement toutes les traces biologiques humaines (essentiellement sang, salive, sperme, cheveux comme on l’a vu), mais également des traces non-humaines comme les racines, feuilles et pollen des plantes (on va peut-être en retrouver sur les habits d’un suspect, indiquant qu’il se trouvait là…) ou encore des poils ou du sang d’animaux.
Pour collecter leurs échantillons, les enquêteurs doivent être extrêmement prudents: leur propre ADN peut se mélanger comme de rien à l’ADN laissé sur place par les différents protagonistes. Ils doivent porter des gants et des masques, éviter de tousser, d’éternuer. Ils doivent bien sûr couvrir leurs cheveux également (on l’a dit, les pellicules contiennent aussi de l’ADN!)
Ces différentes traces biologiques n’attendent pas suspendues en l’air dans des bulles que les enquêteurs les ramassent… Il faut les chercher partout où c’est possible. Pour la salive par exemple, on prélèvera les chewing-gums, les mégots de cigarettes, les enveloppes, les brosses à dents, rasoirs… Il faut penser à tout. Même les q-tips peuvent révéler des indices! Evidemment, le mieux, c’est de trouver du sang. La plus infime goutte contient quelque 80’000 globules blancs dont le noyau contient un jeu complet d’ADN.
Il faut faire vite
L’ADN, comme toutes les molécules biologiques, peut se dégrader. Une classe particulière d’enzymes, les exonucléases, a pour seul et unique but dans la vie de dévorer l’ADN. Et on en trouve partout bien sûr, sur la peau, sur les surfaces que l’on touche et tout particulièrement chez les bactéries. Les enquêteurs vont donc devoir très rapidement protéger leurs échantillons en les plaçant dans des conteneurs stériles et secs.
De retour au labo
Les échantillons collectés ne contiennent évidemment pas que de l’ADN (ce ne serait pas du jeu ), la première chose à faire consiste donc à extraire l’ADN des échantillons. Il existe différentes méthodes d’extraction (Anh Tuan l’avait démontré dans l’épisode n°4 de C’est Pas Faux: “Le corollaire de l’ADN”, c’est à 9 minutes 54). En général, on va respecter les étapes suivantes :
- “Ouvrir” les cellules pour libérer l’ADN (ce processus est appelé la lyse. Définition wiki: “On détruit l’intégrité physique de la membrane plasmique des cellules (…) par l’action d’un agent physique, chimique ou biologique (…)”);
- Retirer les protéines, qui constituent l’essentiel de l’échantillon prélevé en les “digérant” avec une enzyme;
- Extraire l’ADN de la solution en y ajoutant de l’alcool
Une fois l’ADN isolé, on l’analyse au moyen d’une technique appelée PCR (pour Polymerase Chain Reaction), ou réaction en chaîne par polymérase en bon français. Aux débuts de la technique, on utilisait une autre méthode, appelée RFLP, mais elle prenait trop de temps et nécessitait des quantités importantes d’ADN pour fonctionner. Selon mes différentes sources, elle n’est plus utilisée aujourd’hui et nous n’allons donc pas en parler.
La méthode PCR
On l’a vu, l’ADN, c’est fragile. N’en avoir qu’un seul exemplaire serait non seulement extrêmement risqué mais de plus, les techniques actuelles ont besoin de disposer de plusieurs exemplaires du même échantillon pour livrer leurs secrets. Le but de la méthode PCR consiste d’abord répliquer à des milliers d’exemplaires le segment spécifique de la molécule d’ADN à étudier. Dans notre cas, des locus – ou loci – STR, afin de constituer l’empreinte génétique.
PCR mode l’emploi:
- Pour répliquer de l’ADN selon la méthode PCR, il faut commencer par séparer les deux brins de la double hélice pour accéder aux bases azotées (les lettres ATCG) normalement protégées par l’acide phosphorique et le sucre. Si on reprend notre image de l’échelle, ce serait comme scier chaque marche au milieu et se retrouver avec deux demi-échelles, dans le sens de la longueur. Ce processus s’appelle la dénaturation. Les liaisons hydrogène qui relient les deux brins sont extrêmement solides mais peuvent être défaites en faisant chauffer la molécule quasi au point d’ébullition (100° C), le reste des composants de la molécule restent intacts. Du coup, on se retrouve avec deux brins dont les bases sont parfaitement accessibles.
- À la fin de la dénaturation, on refroidit la mixture et le processus d’hybridation démarre: dans le double brin, les A d’un brin sont toujours en face d’un T de l’autre brin et vice-versa et les C se mettent avec les G. Chaque brin peut servir de moule à l’autre. Le haut d’un brin doit correspondre au bas de l’autre (en fait on ne parle pas de haut et de bas en génétique mais de polarité 3′ et 5′. L’extrémité 3′ d’un brin se trouve en face de la 5′ de l’autre et vice-versa). Bref, ce qu’on va retenir, c’est qu’avec un seul brin, on peut reconstruire l’autre. Nos brins séparés vont ainsi servir de matrice pour la mise au point d’un nouveau double-brin: on va leur fournir des extraits d’ADN complémentaire appelés “amorces” qu’on aura préalablement marqués avec des teintures fluorescentes, de sorte que les STR de longueur similaire ne puissent pas être confondus les uns avec les autres s’ils proviennent de différents gènes.
- Une fois que les amorces ont trouvé leur segment correspondant, les Taq polymérases entrent en scène. Polymérase, c’est le P dans PCR. Les taq-polymérases sont des enzymes isolées à partir d’une bactérie. Là, on ne va pas entrer dans les détails, on va simplement retenir que ces polymérases vont permettre de construire les nouvelles molécules d’ADN. Cette partie du processus s’appelle “extension”: les polymérases ajoutent des bases azotées à l’extrémité 3′ d’un brin et à l’extrémité 5′ de l’autre en suivant l’ordre de la matrice. À la fin du processus, comme on travaille à plus basse température qu’à l’étape 1, les liaisons hydrogène nouvellement formées sont encore intactes et notre ADN cloné a bien deux brins.
A l’issue de ce premier cycle PCR, on a donc deux copies identiques du segment STR qu’on souhaitait copier. 2 copies ne suffisent pas à la détection de l’empreinte génétique par les lasers. Il faut des centaines de milliers de copies pour que ça fonctionne. Mais comme chaque cycle double le nombre de segments, ça va très vite. Après un deuxième cycle complet dénaturation-hybridation-extension, on a 4 copies. Après 5 cycles, 32 copies. Après 30 cycles: 1’073’741’824 copies du STR cible. Petite remarque: on a fait tout notre calcul comme si on n’étudiait qu’une cellule à la fois. Dans la vraie vie, on parle plutôt de quelques dizaines de milliers de cellules, ce qui donne des billions de copies à l’arrivée
On fait cela avec plusieurs locus (minimum 10 au Royaume-Uni, 13 aux Etats-Unis) et on a notre empreinte génétique!
La lecture des empreintes
Pour cela on utilise un processus appelé électrophorèse. En gros, l’électrophorèse exploite le fait que l’ADN soit chargé négativement: on passe un courant électrique dans un gel et on y injecte l’ADN issu du PCR. L’ADN est attiré vers le pôle positif et les petits fragments STR se déplaçant plus vite que les grands, les STR se trient en fonction de leur grandeur. Et parce qu’on a tagué les fragments avec une teinture fluorescente, un laser piloté par ordinateur est capable de les lire et de les stocker dans l’ordinateur pour les comparer à d’autres empreintes génétiques.
Combien de temps cela prend-il?
L’ensemble du processus n’aura pas duré plus de 24 heures (on est encore loin des délais présentés dans les séries américaines où il suffit d’appeler le labo après 30 secondes pour savoir qui a commis le meurtre, mais c’est déjà pas mal!)
Est-ce fiable?
Il faut garder à l’esprit qu’on parle toujours d’une probabilité. Cette probabilité n’est jamais de 100% (pour cela, il faudrait que l’intégralité des deux génomes comparés soit identique et pas juste quelques locus) et il y a donc toujours un risque d’erreur. À ce stade, je dois faire un nouveau petit crochet dans mon récit. Ça se passe en Angleterre en avril 1999. A l’époque on y réalisait les tests ADN sur 6 locus. La police a retrouvé de l’ADN sur les lieux d’un cambriolage et il se trouve que cet ADN matchait avec l’un des 700’000 échantillons contenus dans la base de données de l’époque. Ni une ni deux, la police se pointe chez le suspect et l’arrête manu-militari. L’homme était malade de Parkinson, à un stade très avancé. Il pouvait à peine s’habiller tout seul et il semblait peu vraisemblable qu’il soit allé jouer les cambrioleurs à 300 kilomètres de chez lui. Mais ce détail n’a frappé personne. Le suspect avait beau clamer son innocence et disposer d’un alibi en béton armé, le test ADN avait parlé. Le risque d’erreur n’était que d’un sur 37 millions. Direction prison. Où il est resté pendant plusieurs mois, jusqu’à ce que son avocat obtienne qu’un nouveau test ADN soit réalisé, sur 10 locus cette fois et pas sur 6. Et bingo… Si les 6 premiers allèles étaient identiques entre l’ADN de l’accusé et l’échantillon trouvé sur place, les 4 suivants en revanche n’avaient rien à voir! C’est depuis ce cas que le Royaume-Uni utilise 10 sites et plus 6 pour ses tests ADN. Les Etats-Unis en utilisent 13, ce qui réduit le risque d’erreur à 1 pour 53 quintillions (si ce mot existe en français?) 53 X 1018, ou 53 suivi de 18 zéros… (53’000’000’000’000’000’000)
Ça, c’est pour les maths. Il y a d’autres sources d’erreurs comme la contamination par exemple. Les virus et les bactéries sont partout et arrivent à se jouer de nos systèmes immunitaires super élaborés… Imaginez le pauvre échantillon d’ADN collecté, sans défense, sans système immunitaire, il peut être très facilement contaminé…
Bref, la méthode est fiable, c’est sans doute ce qu’on a fait de plus fiable depuis l’invention du concept de justice, mais malgré tout, une petite erreur n’est jamais complètement exclue.
Et les tests de paternité?
Deux mots rapidement avant de presque conclure sur les tests de paternité. Chaque chromosome a deux emplacements identiques, l’un provient du père, l’autre de la mère. Pour les tests de paternité, on utilise exactement la même technique qu’on vient d’évoquer mais on ne va simplement pas y chercher les mêmes résultats: si, systématiquement, l’un des deux allèles est identique pour les extraits comparés, il y a un rapport de filiation d’une génération.
Et demain?
Jusqu’ici, les tests étaient en somme une extension de la technique des empreintes digitales: en comparant les traces trouvées sur la scène du crime avec une base de données de traces laissées par des suspects, on pouvait faire le lien entre les deux.
Demain, les tests génétiques pourraient carrément avoir un effet prédictif établissant des portraits-robots sur la base d’un prélèvement ADN. C’est en tout cas l’objectif que s’est fixé le Dr Mark Shriver de l’Université d’Etat de Pennsylvanie qui pense être en mesure de produire la photo de quelqu’un une fois que son équipe aura pu identifier 500 marqueurs faciaux et 500 marqueurs d’hérédité. De ce que j’ai compris, il a encore du boulot: pour le moment, il arrive juste à établir la couleur de la peau, ce qui est un début…
Depuis le début de l’année, une équipe de chercheurs hollando-polonais est capable de prédire la couleur des cheveux de n’importe quelle personne en se basant sur 13 marqueurs présents dans 11 gènes. Le taux de fiabilité de la prédiction est de plus de 90% pour des cheveux roux ou noirs et de 80% pour des cheveux blonds ou châtain. La même équipe avait déjà mis au point l’année dernière une méthode permettant d’estimer l’âge d’une personne à partir de quelques gouttes de sang ainsi qu’une méthode de prédiction de la couleur des yeux.
Ceci dit, l’utilisation de ce genre de techniques est encore de la science fiction aujourd’hui. On n’a pas encore identifié les marqueurs qui déterminent la forme du visage… Et quid de l’influence de l’âge ou de l’environnement sur l’expression des gènes? Les cheveux génétiquement roux ou noirs existent-ils encore? Si oui, sont-ils déjà blancs? Et bon… Les gènes ne nous apprennent rien sur les choix potentiels en termes de shampooings colorants
Voilà… Il y aurait encore eu des milliers de choses à dire, mais je crois que je viens de battre mon record du monde de longueur pour un dossier de Podcast Science. On va donc en rester là pour cette fois. Mais le dossier reste ouvert
Sources:
- Livres:
- “Genetics for Dummies”, Tara Rodden Robinson, 2005, éditions “For Dummies”http://www.amazon.com/Genetics-Dummies-Tara-Rodden-Robinson/dp/0764595547
- “Genome: The Autobiography of a Species in 23 Chapters”, Matt Ridley, 2000, éditions Harper Perennialhttp://www.amazon.com/Genome-Autobiography-Species-23-Chapters/dp/0060932902
- http://www.scientific.org/tutorials/articles/riley/riley.html
- L’article très complet (comme toujours) de Wikipedia en anglais: http://en.wikipedia.org/wiki/DNA_profiling
- Et l’article en français, pas mal non plus: http://fr.wikipedia.org/wiki/Empreinte_g%C3%A9n%C3%A9tique
- Innoncence Project
- Le cas du chien à Seattle
- http://fr.wikipedia.org/wiki/Test_de_paternité
- La généalogie de Toutankhamon (LeTemps.ch)
- La libération de Cornelius Dupree (RSR.ch)
- l’ADN (Wikipedia)
- Réservé aux geeks: débat sur le nombre d’occurrences de la chaîne “GATTACA” dans les 3’000’000’000 de nucléotides du génome humain http://boards.straightdope.com/sdmb/showthread.php?t=38598
- L’annonce de la découverte des empreintes génétiques par les chercheurs de Leicester, article original publié dans Nature (abstract): http://www.nature.com/nature/journal/v314/n6006/abs/314067a0.html
- l’ADN-poubelle ou Junk DNA: http://fr.wikipedia.org/wiki/ADN_non_codant
- les chromosomes (Wikipedia): http://fr.wikipedia.org/wiki/Chromosome
- les chromosomes humains (Wikipedia): http://fr.wikipedia.org/wiki/Chromosomes_humains
- la fusion de deux chromosomes dans la lignée humaine: http://www.gate.net/~rwms/hum_ape_chrom.html
- Locus (Wikipedia): http://fr.wikipedia.org/wiki/Locus
- Short Tandem Repeats: http://en.wikipedia.org/wiki/Short_tandem_repeat
- Exonucléases (les enzymes mangeurs d’ADN): http://fr.wikipedia.org/wiki/Exonucl%C3%A9ase
- La lyse: http://fr.wikipedia.org/wiki/Lyse_(biologie)
- La dénaturation: http://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9naturation_de_l%27ADN
- Les liaisons hydrogènes: http://fr.wikipedia.org/wiki/Liaison_hydrog%C3%A8ne
- L’hybdridation: http://fr.wikipedia.org/wiki/Hybridation_mol%C3%A9culaire
- Les amorces génétiques: http://fr.wikipedia.org/wiki/Amorce_(g%C3%A9n%C3%A9tique)
- les Taq-polymérases: Taq polymérase
- L’électrophorèse
- L’erreur judiciaire sur la personne atteinte de Parkinson en Angleterre en 1999: http://www.forensic-evidence.com/site/EVID/EL_DNAerror.html
- Portraits-robots basés sur l’ADN:
- http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-1146503/DNA-left-crime-scene-used-create-picture-criminals-FACE-say-scientists.html
- Papier de l’équipe hollando-polonaise dans Human Genetics: http://www.springerlink.com/content/un82551p2q267g0t/
- Portrait-robot d’après l’ADN: http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-12097554
- Prédiction de la couleur des cheveux: http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-12111936
Bonjour à toutes et à tous!
- si vous avez reçu un fichier MP3 bizarre dans votre lecteur de podcasts, toutes nos excuses, c’était le DERNIER souci du genre, dès la semaine prochaine, nous aurons migré nos flux RSS. Sincèrement désolés.
Le dossier de la semaine
- L’énergie noire, par Mathieu
Les news de la semaine
- clin d’oeil aux paraskevidékatriaphobes (les personnes atteintes de la phobie du vendredi 13). C’est le seul vendredi 13 de l’année. Le prochain en janvier 2013 http://fr.wikipedia.org/wiki/Vendredi_treize
- Période marquée par des résultats contradictoires pour la théorie de la relativité générale :
- D’une part, le dernier Science & Vie (Merci Thibaut Lacroix!) consacre sa Une à la remise en question de la théorie d’Einstein et de la matière noire en passant, résumé:
- en 1915, Albert Einstein formule la théorie de la relativité générale qui ne voit plus la gravitation comme une force d’attraction à la matière environnante mais comme une modification de la trame de l’espace-temps. Cela pose les bases de la cosmologie moderne;
- Mais en 1933, l’astronome suisse Fritz Zwicki n’arrive pas à expliquer pourquoi ses observations de galaxies lointaines n’obéissaient pas aux lois d’Einstein et en déduit qu’il doit exister une matière invisible, la matière noire qui exerce elle aussi sa propre gravitation;
- Un astronome américain, Stacy Mac Gaugh de l’Université du Maryland, est formel: il a passé ces 15 dernières années à observer 47 galaxies et il n’a pas besoin de la matière noire pour justifier les mouvements observés. L’animation des étoiles correspond à leur masse visible, comme si la matière noire n’existait pas et répond systématiquement aux règles prévues par une théorie postulée en 1977 par deux autres astronomes américains, Brent Tully et Richard Fisher (et qui ne correspond ni aux prédictions de Newton ni à celles d’Einstein). Tout se passe comme si la matière noire n’existait pas.
- Si la matière noire n’existe pas, alors la théorie de la relativité générale est-elle toujours valide?
- D’une part, le dernier Science & Vie (Merci Thibaut Lacroix!) consacre sa Une à la remise en question de la théorie d’Einstein et de la matière noire en passant, résumé:
Article en ligne: http://www.scribd.com/doc/54316244/Einstein-depasse-
-
- D’autre part, dans le même temps, une news partagée sur Google Reader par Jorj x McKie nous indique que la sonde Gravity Probe B (GP-B) de la NASA a confirmé 2 prédictions-clé dérivées de la théorie de la relativité générale d’Einstein:
L’expérience, lancée en 2004, utilise 4 gyroscopes ultra précis pour mesurer un hypothétique effet géodétique, la déformation de l’espace et du temps autour d’un corps gravitationnel, et la quantité d’Espace-temps qu’il entraine avec lui lors de sa rotation.
GP-B, en orbite polaire autour de la Terre, a analysé ces effets en pointant vers une seule étoile : IM Pegasi (constellation de Pégase). Si la gravité n’affectait pas l’Espace et le Temps, les gyroscopes de GP-B pointeraient toujours vers la même direction. Mais, en confirmation des théories d’Einstein, les gyroscopes ont expérimenté des changements infimes dans la direction de leur rotation, alors que la gravité de la Terre les attirait.
Le projet GP-B est très ancien. Le financement initial de la NASA visant à développer un test de la relativité générale utilisant un gyroscope date de l’automne 1963. Des décennies de développement ont conduit à des technologies permettant de contrôler l’impact des perturbations de l’environnement sur la sonde telles que la trainée aérodynamique, les champs magnétiques et les variations thermiques.
GP-B a terminé ses opérations de collecte de données en décembre 2010. Les résultats ont été publiés dans le journal Physical Review Letters
(via http://guydoyen.fr/2011/05/07/espace-temps-la-sonde-gravity-probe-b-confirme-2-theories-d-einstein/ )
- Enfin, pour comprendre de quoi on parle exactement, Olivier Tripet a publié sur notre page Facebook le cours d’un prof de physique de l’Université de Pittsburgh, en Pennsylvanie (Etats-Unis), super accessible, vraiment bien: http://www.pitt.edu/~jdnorton/teaching/HPS_0410/chapters/index.html
La fameuse quote de Mathieu
Le Critère de Karl Popper :
“Ce qui est scientifique doit être réfutable”
Prochain enregistrement le jeudi 19 mai. D’ici là, une excellente semaine à toutes et à tous!
L’énergie noire est une forme hypothétique d’énergie qui remplirait tout notre Univers et qui a été indirectement mise en évidence par diverses observations astrophysiques, notamment l’accélération de l’expansion de l’Univers.
- L’Univers est non seulement dans une phase d’expansion, mais aussi dans une expansion qui s’accélère.
- Du fait de sa nature répulsive, l’énergie noire a tendance à accélérer l’expansion de l’Univers, plutôt que la ralentir, comme le fait la matière normale par effet attractif gravitationnel.
Une façon intuitive de visualiser l’expansion de l’Univers est de prendre l’analogie d’une toile élastique que l’on étire dans toutes les directions:
- Si l’on dessine des motifs sur la toile, alors ceux-ci vont grossir en même temps qu’ils semblent s’éloigner les uns des autres lorsque l’on étire la toile.
- Par contre, si au lieu de dessiner des motifs on colle sur la toile un objet rigide (une pièce de monnaie par exemple), alors, en étirant la toile, on va éloigner les objets les uns des autres, mais cette fois ils vont garder une taille constante.
- C’est un processus de ce type qui est à l’œuvre avec l’expansion de l’Univers.
- L’expansion de l’Univers ne signifie pas que les objets astrophysiques voient leur taille varier.
- Ce n’est que leur distance mutuelle qui varie au cours du temps, et ce uniquement pour des objets suffisamment éloignés.
Historique
Historiquement, la seule forme d’énergie (hypothétique) se comportant comme de l’énergie noire était la constante cosmologique, proposée dans un autre contexte par Albert Einstein en 1916.
En 1916, date à laquelle l’expansion de l’univers n’était pas connue, Albert Einstein considérait que l’Univers devait être statique, aussi lui fallait-il introduire une nouvelle force s’opposant à la force de gravitation, afin d’expliquer pourquoi l’Univers ne s’effondrait pas sur lui-même sous sa propre force d’attraction gravitationnelle.
- Le candidat idéal qui fut trouvé est la constante cosmologique Λ, qui permettait de contrebalancer l’effet attractif de la force gravitationnelle.
- La constante cosmologique est un paramètre rajouté par Einstein à ses équations de la relativité générale, dans le but de rendre sa théorie compatible avec l’idée qu’il y avait alors un Univers statique.
- La constante cosmologique représente une densité d’énergie constante qui remplit l’espace de façon homogène.
- Elle introduit une sorte d’énergie (un champ scalaire constant) présente en tout point du continuum spatio-temporel, qui, avec un choix convenable de signe et de valeur, peut s’opposer à la gravité et modifier le profil d’évolution de la taille de l’Univers.
En 1929, Edwin Hubble observe un décalage vers le rouge (redshift) des galaxies qui témoignerait d’un Univers en expansion.
- La Loi d’Hubble énonce que les galaxies s’éloignent les unes des autres à une vitesse approximativement proportionnelle à leur distance.
- Autrement dit, plus une galaxie est loin de nous, plus elle semble s’éloigner rapidement.
- Cette loi ne concerne bien évidemment que la partie de l’Univers accessible aux observations (Univers observable).
- L’extrapolation de la loi de Hubble sur des distances plus grandes est possible, mais uniquement si l’Univers demeure homogène et isotrope sur de plus grandes distances (ses propriétés ne changent pas).
- C’est le principe cosmologique qui dit que l’Univers est:
- La conséquence immédiate de la loi de Hubble et de l’expansion de l’Univers est que celui-ci était par le passé plus dense et donc plus chaud, et de là découle le modèle du Big Bang.
- Il semblerait que, deux ans avant Hubble, Georges Lemaître avait prédit l’existence de cette loi…un nouvel exemple de la loi de Stigler.
- Suite à la découverte de Hubble, Albert Einstein revient sur l’introduction de la constante cosmologique, la qualifiant de « plus grande bêtise de sa vie. »
- Il est alors revenu à son équation originelle (où la constante cosmologique Λ ne figure pas), jugée plus conforme avec les observations de l’époque.
Un temps abandonnée par la cosmologie, cette constante cosmologique a été récemment remise au goût du jour après la découverte dans les années 1990 de l’accélération de l’expansion de l’Univers (mis en évidence par des mesures sur des supernovae, le fond diffus cosmologique, lentilles gravitationnelles…), et on a vu apparaître un regain d’intérêt pour cette constante cosmologique.
- Elle décrirait une force ou énergie, encore hypothétique, qui accélèrerait l’expansion de l’Univers, appelée énergie sombre (ou énergie noire).
- Elle demeure compatible avec l’ensemble de la théorie de la relativité générale.
- Dans le cadre de la théorie d’Albert Einstein, lorsque qu’on cherche à construire un modèle cosmologique, un univers dynamique est bien plus naturel qu’un univers statique.
- Elle permet donc de s’appuyer sur les lois de la Relativité Générale pour définir une sorte d’énergie invisible qui se comporte contre la force de gravitation et qui accélère l’expansion de l’Univers.
- L’énergie noire se comporterait ainsi comme une force gravitationnelle répulsive.
L’expansion accélérée de l’Univers
- Selon la Loi de Hubble, toutes les galaxies lointaines s’éloigent de nous, de la Voie Lactée.
- Leur spectre lumineux montre un déplacement vers le rouge dû à l’effet Doppler.
- L’effet Doppler décrit le décalage de fréquence d’une onde électromagnétique entre la mesure à l’émission et la mesure à la réception lorsque la distance entre l’émetteur et le récepteur varie au cours du temps.
- Un exemple connu de l’effet Doppler est celui du son émis par la sirène d’une ambulance qui parait d’autant plus grave que l’ambulance s’éloigne vite.
- En cosmologie, l’effet Doppler se manifeste par un décalage vers le rouge (redshift en anglais), c’est à dire par un décalage vers les grandes longueurs d’onde du spectre visible (de la lumière) émis par les objets astronomiques lointains.
- La théorie de la Relativité Générale nous dit aussi que l’espace peut se dilater au cours du temps.
- Si l’on est capable aujourd’hui d’estimer la distance à laquelle se trouve un objet astronomique très lointain, c’est parce qu’au cours de son voyage vers nous, la lumière qu’il a émise a été modifiée par la dilatation de l’espace.
- On peut comprendre le phénomène en se représentant la lumière comme une onde:
- Si cette onde voyage dans l’espace et que l’espace se dilate, la longueur d’onde (c’est-à-dire la longueur entre deux pics de l’onde) se trouve augmentée.
- Ainsi par exemple pour de la lumière bleue, l’étirement de l’espace peut lui donner au final une longueur d’onde corrrespondant au rouge.
- C’est cette propriété de décalage vers le rouge qui nous indique l’âge de l’objet lointain:
- plus l’objet émetteur est lointain, plus la lumière voyage longtemps avant de nous parvenir, plus elle sera décalée vers le rouge par la dilatation de l’espace qu’elle aura traversé .
- Pour les objets astronomiques qui se rapprochent de nous, on parle de blueshift, ou décalage vers le bleu.
- La constante de Hubble H0 (à ne pas confondre avec la constante cosmologique) est directement liée à la loi de Hubble et elle donne le taux d’expansion actuel de l’Univers.
- Les supernovae de type SN 1a (les supernovae sont des phénomènes conséquents à l’explosion d’une étoile) fournissent la preuve principale directe de l’expansion accélérée de l’Univers.
- Les physiciens connaissent la magnitude absolue (luminosité intrinsèque absolue) des supernovae 1a.
- En mesurant leur distance à partir de leur luminosité intrinsèque et la mettant en relation avec le décalage vers le rouge, on arrive à reconstituer l’histoire de l’expansion de l’Univers sur plusieurs milliards d’années, et de voir de la sorte si l’expansion de l’Univers accélère ou décélère avec le temps.
- En 1998, diverses observations sur ces supernovae situées dans des galaxies lointaines (et donc jeunes) ont montré que la constante de Hubble n’est pas si constante que ça et que sa valeur peut varier avec le temps.
- Jusqu’à cette découverte, on pensait que l’expansion de l’Univers était plutôt en train de se fraîner dû à la force gravitationnelle.
- Cependant, la découverte sur la variation de la valeur de la constante de Hubble se traduit par une accélération de l’expansion de l’Univers.
- Il doit donc exister un type de force ou énergie qui accélère l’Univers.
- De là est née la notion d’énergie noire.
- L’accélération de l’expansion de l’Univers mise en évidence serait en fait un événement « récent » dans l’histoire cosmique:
- L’énergie noire gouvernerait la dynamique de l’Univers que depuis quelques milliards d’années.
- Avant cette phase, c’est en principe la matière qui dominait cette dynamique, conduisant à la décélération de l’expansion.
- L’existence de l’énergie noire est aussi nécessaire pour réconcilier la géométrie qu’on a mesuré de l’espace avec la somme totale de la matière présente dans l’Univers.
- Des mesures indiquent que l’Univers est très proche d’être géométriquement plat.
- Pour que la forme de l’Univers soit plate, la densité d’énergie (matière) de l’Univers doit être égale à une certaine densité critique.
- Comme on l’a vu dans le dossier sur la matière noire, cette densité critique d’énergie pour un Univers plat implique une limite quant à la quantité de matière baryonique et matière noire présentes dans l’Univers.
- Pour un Univers plat, la matière (baryonique+noire) ne peut constituer qu’au maximum 30% de la denstié critique totale de l’Univers.
- Ca implique l’existence d’une forme d’énergie additionnelle qui constituerait environ les 70% restants de la densité critique totale de l’Univers.
Dans le dossier sur la matière noire, on avait dit plus précisément que la densité énergétique de l’Univers était composée de:
- 4% de matière baryonique ou matière observable (étoiles, planètes, gaz).
- 23% de matière noire.
- 73% d’énergie noire.
On voit que l’énergie noire est, en termes de densité d’énergie, la composante majeure de l’Univers.
En additionnant les différentes énergies dans ces proportions, on arrive exactement à ce qu’il faut pour avoir un univers de courbure quasi-nulle (k=0).
The densities of dark energy and dark matter determine whether we live in a flat (k=0), closed (k=+1) or open (k=-1) universe [From J.M. Overduin & P.S. Wesson, Dark Sky, Dark Matter (Institute of Physics Press, 2003)
- Pour observer l’influence de l’énergie noire sur le taux d’expansion de l’Univers:
- on mesure l’accroissement de la taille, et donc de la masse des amas de galaxies, au cours de l’histoire de l’Univers.
- Mais comment mesurer la masse des amas de galaxies ?
- Il se trouve que les amas de galaxies baignent dans un gaz chaud porté à une température si élevée qu’une émission importante dans le domaine des rayons X a lieu.
- De même que la luminosité des étoiles est reliée à leur masse, la luminosité du gaz dans le quel baigne l’amas de galaxies nous donne des informations sur sa masse.
- A l’aide du satellite Chandra, on a mesuré la luminosité des amas dans ce domaine des longueurs d’onde des rayons X.
- On a ainsi pu déduire le poids des amas galaxies.
- Plus de 80 amas ont ainsi été examinés.
- Il est clairement apparu que le taux de leur croissance au cours du temps est bien conforme à ce que l’on attend en présence de l’énergie noire dans un Univers à géométrie plate.
Le téléscope spatial Euclid (pas encore mis en service) est un satellite dédié qui aura pour mission de cartographier le ciel pour mesurer depuis l’espace en couvrant la totalité du ciel le taux d’accélération de l’Univers et d’explorer les propriétés de l’énergie noire:
- S’agit-il d’une véritable nouvelle substance?
- S’agit-il d’une modification de la gravité?
Ce téléscope nous donnera non seulement des information sur l’accélération de l’expansion de l’Univers , mais aussi comment varie et évolue cette accélération au cours du temps.
- il permettera de mesurer et cartographier les distortions gravitationnelles (par effet de lentille gravitationnelle).
- il disposera d’un spéctrographe qui mesurera les oscillations acoustiques baryoniques.
Le prix Nobel de physique Martin Perl pense qu’il est possible de détecter l’énergie noire en laboratoire en utilisant des expériences d’interférométrie atomique et ce d’ici 2014 ! Il s’agira de mesurer des fluctuations d’énergie noire dans une cloche à vide de 2 mètres de haut tout au plus.
Nature de l’énergie noire
La nature exacte de l’énergie noire fait largement partie du domaine de la spéculation. Différentes hypothèses ont été avancées:
La constante cosmologique
- Certains estiment que l’énergie noire serait l’énergie du vide quantique, modélisée par la constante cosmologique de la relativité générale introduite par Einstein:
- C’est l’explication la plus simple pour les physiciens.
- Le “coût” lié à l’existence même de l’espace impliquerait que celui-ci doit posséder une sorte d’énergie fondamentale et intrinsèque.
- Cet énergie fondamentale serait représentée par la constante cosmologique qui ne varie pas dans le temps.
- En physique des particules (théorie quantique des champs):
- on appelle énergie du vide (quantique) cette forme d’énergie fondamentale car sa densité est la même que celle de l’énergie du vide.
- la physique des particules prédit des fluctuations du vide qui provoquerait exactement ce type d’énergie et aurait pu déclencher l’expansion de l’Univers.
- Si l’énergie noire prend cette forme, cela signifie qu’il s’agit d’une propriété fondamentale de l’Univers.
- Poser une constante cosmologique signifie que la densité de l’énergie noire est uniforme, et constante dans tout l’univers, invariable en fonction du temps.
- Cependant les différentes théories physiques ne se mettent pas d’accord sur la valeur de cette constante cosmologique:
- la théorie quantique des champs prédit une grande constante cosmologique.
- la thérorie de supersymétrie a besoin que la valeur de la constante cosmologique soit proche de zéro.
- C’est tout de même épatant qu’un simple numéro (la constante cosmologique) puisse expliquer de manière satisfaisante une multitude d’observations et la présence d’énergie noire!
La quintessence
- L’énergie noire pourrait-elle être induite par l’existence de particules inconnues.
- Certaines théories affirment que ces particules ont été créées en quantité suffisante lors du Big Bang pour remplir tout l’espace.
- Néanmoins, si cela était le cas, on s’attendrait à ce qu’elles se regroupent, de la même manière que la matière ordinaire, et on observerait des variations de densité en fonction du temps.
- Cependant, aucune preuve n’en a été observée, mais la précision des observations ne permet pas d’exclure cette hypothèse.
- Ces modèles sont appelées quintessence.
- Le terme de quintessence fait allusion au fait qu’il existe une cinquième forme d’énergie qui s’ajoute aux quatre types de matières (ou de formes d’énergie) dans l’Univers :
- la matière baryonique, composant les atomes connus sur terre
- les photons, principalement formés par le fond diffus cosmologique
- les neutrinos, principalement composés du fond cosmologique de neutrinos,
- la matière noire, dont la nature exacte est mal connue.
- La découverte de l’énergie noire corresponderait donc à une cinquième forme d’énergie présente dans l’Univers.
- La quintessence, à la différence de la constante cosmologique, peut varier dans l’espace et dans le temps.
- La théorie de la quintessence prédit aussi une accélération de l’expansion de l’Univers légèrement plus lente que la constante cosmologique.
Scénarios sur le destin de l’Univers
- Si la densité de l’énergie noire n’augmente pas avec le temps (modèle de la constante cosmologique):
- Le futur de l’Univers sera celui d’un Univers plat, éternellement en expansion.
- Son expansion va continuer d’accélérer.
- L’existence des systèmes liés par la gravitation, tels les galaxies ou les systèmes planétaires, n’est pas menacée.
- Notre Système Solaire ou la Voie Lactée demeureront essentiellement identiques à ce qu’ils sont aujourd’hui.
- Les forces nécessaires pour contrer le mouvement d’expansion de l’Univers à l’échelle d’un atome, d’une planète, d’une étoile, d’une galaxie, d’un amas de galaxies, sont suffisantes pour assurer la cohésion de ces objets.
- Par contre le reste de l’Univers, au-delà de notre super-amas local, semblera s’éloigner constamment.
- Les structures qui ne sont pas liées gravitationnellement finiront par s’éloigner les unes des autres.
- Ainsi, cette accélération nous empêchera finalement d’observer des portions importantes de l’Univers qui sont aujourd’hui visibles pour nous.
- Notre horizon cosmologique, plutôt que de reculer, finira par se rapprocher de nous.
- L’Univers deviendra alors de plus en plus froid et de plus en plus vide.
- Si l’énergie noire augmente avec le temps (modèle de la quintessence):
- Une accélération exponentielle de l’expansion de l’Univers aurait lieu.
- Une accélération si rapide qu’elle pourrait surmonter les forces d’attraction nucléaires et détruirait l’Univers dans environ 20 millards d’années.
- C’est le scénario de type Big Rip, où toute la matière de l’Univers, jusque dans ses atomes mêmes, se désintégrerait, laissant un Univers infini et totalement vide.
- Si l’énergie noire se dilue avec le temps, ou voire s’inverse (modèle de la quintessence):
- Ca laisse la porte ouverte à ce que la gravité puisse un jour dominer l’Univers, qui se contracterait alors sur lui-même et disparaîtrait dans un Big Crunch.
- De la même manière, si l’on considère que l’Univers est fermé (au lieu d’être plat), l’attraction gravitationnelle de la masse de l’Univers devient plus grande que son expansion, et celui-ci aura tendance à se contracter pour finalement disparaître dans un Big Crunch.
- Ce scénario est néanmoins considéré comme le moins probable.
Conclusion
Malgré la quasi unanimité actuelle apparente des cosmologistes autour de l’idée de l’accélération de l’expansion de l’Univers, la réalité de cette accélération ne sera établie que lorsque le phénomène pourra être inclus dans un cadre théorique solide, lequel fait encore défaut.
Comme pour la matière noire, on peut donc se poser la question si l’accélération de l’expansion de l’Univers est réellement due à cette énergie noire hypothétique ou si elle manifeste plutôt des erreurs dans les équations?
Sources:
http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_noire
http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_oscura
http://fr.wikipedia.org/wiki/Expansion_de_l%27Univers
http://pages.towson.edu/joverdui/
http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/physique/d/energie-noire_1033/c3/221/p1/
Bonjour à toutes et à tous!
Le dossier de la semaine:
- La caféine, par Alan
Les news
- Illustration de Lucile sur La Chimie pour les Nuls
- Xavier Agnès propose d’organiser une visite au laténium, à Neuchâtel (+ toujours l’expo “Croire ou Savoir“). Intéressés?
- Xavier Agnès toujours, la 2e série de représentations de sa pièce “20 Novembre”, à Pully cette fois-ci
Du 11 au 15 mai 2011 (me-je-ve-sa 20h, di 17h)
Au café-théâtre de La Voirie Rue du Centre 10, 1009 Pully
www.regart.ch/th-voirie, 021 728 16 82 - Un sujet demandé par notre ami Pierre Kerner, alias Taupo, créateur du formidable blog Strange Stuff and Funky Things : ”Ma question, la voici: qu’est ce qui se passe au niveau atomique (voire plus petit) lorsque la lumière rencontre une surface réfléchissante? Je pense que je pourrais trouver la réponse moi même, mais j’ai dans l’idée que si vous cherchiez la réponse et la présentiez dans un dossier, j’en profiterais 100000 fois plus!”
Amorce de réponse de Mathieu dans le dossier “Pourquoi la couleur de l’océan est-elle bleue” (Podcast Science 26)- La lumière incidente (la radiation électro-magnétique) sur un corps permet aux électrons de ce corps d’absorber l’énergie de la radiation incidente;
- Les électrons acquièrent donc plus d’énergie et sont excités;
- Mais les électrons n’absorbent pas n’importe quelle quantité d’énergie. Ils absorbent uniquement les énergies correspondant à des fréquences particulières, c’est-à-dire ils absorbent uniquement des couleurs particulières;
- Le reste de la radiation qui n’a pas été absorbée par les électrons (celle qui est réfléchie) est celle qui donne la couleur au corps ou à l’objet;
- Postérieurement, les électrons excités par le rayonnement lumineux retrouveront leur état énergétique initial en retournant l’énergie absorbée via l’émission d’une nouvelle radiation de basse fréquence, dans la gamme des infrarouges;
-
Romain nous informe de l’existence de son site: http://www.star-en-maths.tv
Il se lance le défi de fabriquer 500 vidéos de maths 2nde, 1ère S et Terminale S d’ici (Janvier 2011) à 1 an (Janvier 2012) !
Chaque vidéo résoudra un exercice de Maths. Sachant que chaque exercice de Maths éclaire une notion de cours sous un angle qui lui est propre
- Nous aurons un nouveau flux RSS dès la semaine prochaine. L’adresse ne change pas: feeds.feedburner.com/podcastscience, mais vous n’y trouverez bientôt plus que les MP3. Le flux contenant les dossiers et les notes d’émission seront dans un nouveau flux, on vous indiquera l’adresse quand il existera.
- Petite rectification de notre ami François Udrea concernant les portes ouvertes de l’observatoire de Lyon
toutes mes honteuses
- Retour sur l’épisode de la semaine dernière (la chimie pour les nuls) par Mentine:
Très bon épisode comme d’habitude.
En rapport avec le podcast de Marc Montangero, je voulais partager ce podcast des “coolest science experiments on the web” : Scientific tuesday (sur Revision3: http://revision3.com/scientifictuesdays ). Bon bien sûr, ça se veut plus spectaculaire que pédagogique, mais pas sans intérêt je trouve.
Vivement le retour d’Anh Tuann!
Be seeing you,
Mentine
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La quote de Mathieu
“Technology should be like oxygen: ubiquitous, necessary, and invisible” – Chris Lehmann
Traduction: “la technologie devrait être comme l’oxygène: omniprésente, nécessaire et invisible”
- Mathieu a également mentionné le livre de Douglas Rushkoff pendant sa réflexion: “Program or be Programmed“
À méditer…
Prochain enregistrement, le 12 mai 2011. Excellente semaine à toutes et à tous!
Molécule de caféine (Wikipedia)
Est-il vrai qu’un sachet de thé trempé une 2e fois ne contient plus de théine? La théine et la caféine ont-elles les mêmes effets? Est-il vrai qu’un Red Bull fait effet 6 heures après sa consommation? Qu’un long jus de chaussette contient plus de caféine qu’un ristretto? Que la caféine a des pouvoirs amincissants étonnants? Enfin, n’est-il pas un peu surprenant que ce breuvage étrange ait envahi pratiquement toute la planète, qu’on en consomme une quantité invraisemblable chaque jour malgré (ou grâce) à son effet psychotrope? Ça fait un moment que j’entends tout et son contraire sur la caféine. Cette fois, je voulais en avoir le coeur net et en brave podcasteur scientifique, j’ai donc mené ma petite enquête. On va commencer par les fondamentaux: pour un chimiste, la caféine est une molécule. C8H10N4O2 si vous voulez tout savoir. Elle répond au doux nom de “1,3,7-triméthylxanthine”. Pour le reste du monde, cette molécule s’appelle caféine, théine, guaranine, matéine, méthylthéobromine ou encore méthylthéophylline. Ces termes sont tous parfaitement synonymes et cela répond déjà à l’une de nos questions: caféine = théine = guaranine (que l’on trouve dans le guarana, une plante brésilienne aux mille et une vertus). La caféine et la théine, c’est donc la même chose. Mais, étonnamment, boire du café ou du thé n’a pas les mêmes effets quant à l’assimilation de la caféine. Un petit détour par Wikipedia s’impose:
L’effet sur l’homme de la caféine provenant du thé est plus doux et plus progressif que celle provenant du café. Cette différence s’explique essentiellement par le fait que le thé contient une grande quantité de tanins qui ralentissent l’assimilation de la caféine. De plus, bien que le thé contienne plus de caféine que le café à poids égal, une portion habituelle en contient beaucoup moins car le thé est normalement bien plus faiblement infusé. À côté de l’intensité de l’infusion, le type de thé, les conditions de croissance, les procédés de transformation et d’autres variables influent également sur la teneur en caféine. Il n’y pas de relation entre la couleur d’un thé et sa teneur en caféine. Ainsi des thés tels que le pâle thé vert japonais gyokuro, contiennent bien plus de caféine que d’autres thés plus foncés tels que le lapsang souchong qui en contient très peu.
Comme dirait notre ami Marc Montangero :
Que se passe-t-il chimiquement?
La toile d’araignée sous caféine (Wikipedia)
La caféine est une molécule de la famille des méthylxanthines et la plupart des méthylxanthines sont utilisées comme pesticides aussi bien par l’homme que par les plantes elles-mêmes. On pense que la caféine est utilisée pour empoisonner les parasites et les décourager de s’en prendre à nouveau à la plante qui la produit. Dans le cas où ils survivent à la métabolisation de la caféine, évidemment. Parce que la caféine est toxique pour les cellules végétales, elle est stockée dans des compartiments spéciaux appelés vacuoles, sortes d’armoires à pharmacie qui gardent la caféine à l’abri du reste de la plante et ne la libèrent qu’en cas de besoin. La plante qui produit la caféine ne profite donc pas du petit coup de boost bien utile au réveil du lundi matin
Avez-vous déjà vu cette image de la toile d’une araignée qui a pris de la caféine? On se rend bien compte qu’elle ne tourne pas très rond…
Certains plus grands animaux sont également très sensibles à la caféine, qui est carrément toxique pour les chevaux et les chiens (comme la théobromine pour ces derniers, qu’on trouve dans le chocolat)
Et chez nous autres ?
La caféine, comme pesticide, est sans doute très efficace contre certains insectes, vertébrés, bactéries et champignons mais cela ne protège manifestement pas la plante contre le plus redoutable de ses prédateurs: la caféine n’empoisonne pas l’être humain aux doses auxquelles nous la consommons (même le lundi matin ) Au contraire, elle crée même une dépendance: la caféine empêche l’enzyme phosphodiestérase de désactiver une substance messagère, l’adénosine monophosphate cyclique (AMPc en court), ainsi que quelques-unes de ses copines, mais on ne va pas s’y attarder. Or l’une des actions de l’hormone du stress, l’adrénaline, est justement d’augmenter le niveau d’AMPc dans les cellules. Donc, en inhibant la désactivation de ces AMpc, la caféine potentialise l’action de l’adrénaline et nous donne un coup de fouet. A plus hautes doses, ceci dit, et en cas d’usage prolongé, elle peut générer de l’anxiété, des tremblements musculaires, des palpitations, un rythme cardiaque accéléré. Dans ces conditions, l’absence de caféine entraîne rapidement une sensation de manque accompagné des maux de tête, d’une impossibilité à penser clairement et de mauvaise humeur.
Les effets physiologiques de la caféine chez l’humain
(informations tirées de l’article “Physiological Effects of Caffeine” de l’Encyclopédie des Sciences Alimentaires et de la Nutrition en 10 volumes, 2e édition, en vente sur Amazon pour la modique somme de 4’210$
D’abord, l’article, qui date de 2003, donne quelques chiffres qui m’ont paru intéressants: quelque 1.7 milliards de tasses de café sont consommées chaque jour dans le monde! Ce chiffre date d’il y a 8 ans, mon petit doigt me dit que Starbucks et Nespresso aidant, ce chiffre n’a pu qu’augmenter depuis…
Deuxième surprise, les plus gros consommateurs ne sont pas ceux qu’on croit! Les finlandais consomment 60’000 tonnes de café par année soit l’équivalent de 11.2 kg de café vert par personne par an, contre 5 kg seulement pour les italiens. (4.4 pour l’Espagne, 5.6 pour la France, 7.5 pour la Suisse.)
La caféine ingérée est absorbée et distribuée à travers tous les tissus du corps en quelques minutes et éliminée en quelques heures.
Environ 4% est éliminée via l’urine, le reste est métabolisé, avec une demi-vie de 2 à 6 heures pour un adulte en bonne santé.
En d’autres termes, admettons que j’aie un métabolisme moyen: je bois un express à 14h et j’absorbe environ 40 mg de caféine. À 14h et des poussières, on va dire 14h30, la caféine est déployée dans mon organisme. Mon foie se met à la processer. En admettant que je n’aie pas repris de café entre temps – ce qui est hautement improbable – après 4 heures, soit vers 18:30 heures, la moitié de la caféine absorbée est éliminée. Il en reste 19.2 mg en circulation (yep, à cette heure-là, les 4% éliminés par voie urinaire sont déjà loin). Après encore 4 heures, soit à 22.30 heures, il en reste la moitié de la moitié, soit 9.6 mg. 4 heures plus tard, 2h30, plus que 4.8 mg… Et je me demande pourquoi je n’arrive pas à dormir!
La demi-vie de la caféine dans l’organisme est prolongée chez les femmes enceintes et les personnes ayant un foie malade. Elle est au contraire raccourcie chez les fumeurs. La consommation de café caféiné augmente le temps nécessaire pour trouver le sommeil tout en raccourcissant la durée du sommeil à proprement parler, plus particulièrement chez les sujets plus âgés.
Wikipedia (version en anglais) nous en dit encore un peu plus sur les mécanismes d’actions de la caféine sur le cerveau: le mode d’action principal de la caféine, peut-on y lire, est un antagoniste des récepteurs d’adénosine dans le cerveau (l’adénosine est une molécule qu’on trouve dans tout le corps et qui joue un rôle important dans le métabolisme. Au niveau cérébral, elle joue un rôle très particulier et possède ses récepteurs spécifiques. En gros, quand l’adénosine se fixe sur ses récepteurs, clic: on a envie de dormir). La caféine traverse facilement la barrière hémato-encéphalique (c’est à dire la barrière présente chez tous les vertébrés terrestres, dont nous, et qui sépare la circulation sanguine du système nerveux central). Une fois dans le cerveau, la caféine squatte les récepteurs d’adénosine sans les activer et hop, on se sent moins fatigué. Mais ça ne veut pas dire que les besoins en sommeil diminuent pour autant. On est toujours aussi fatigué, mais on ne le sait pas.
Un peu compliqué tout ça, on va ressortir du cerveau et explorer les effets globaux.
Effets de la caféine prise avec modération
La quantité précise de caféine nécessaire pour produire les effets varie évidement beaucoup d’une personne à l’autre en fonction de la taille, du poids et de la tolérance à la caféine, mais également en fonction de la rapidité de l’estomac, de différences génétiques dans le métabolisme, des autres contenus de l’estomac, et du métabolisme de la caféine à proprement parler.
Une dose orale de 200 mg (c’est à dire deux grands cafés de cafetière) réduit les temps de réaction de manière significative: 4% environ pendant 30 minutes, de 15% environ dans les 30 à 60 minutes et de 18% pendant 60-90 minutes. Les effets disparaissent en général dans les 3 heures (même si, comme on l’a vu, la caféine reste présente dans l’organisme plus longtemps).
Des études ont également conclu à une amélioration des performances physiques (notamment une augmentation de l’endurance de quelque 40-51% chez les coureurs et les cyclistes après un dosage de 9 milligrammes de caféine par kilo de masse corporelle). Le CIO a d’ailleurs classé la caféine comme substance dopante si le seuil de 12 milligrammes par litre d’urine est atteint (ce qui selon mes petites recherches correspond quand même à l’ingestion de 600 mg de caféine 1 à 2 heures avant le contrôle, soit 10-30 espressos. On est tout de même assez loin d’un usage normal.)
Sinon, le citrate de caféine (sel à base d’acide citrique et de caféine) est utilisé dans le traitement à court terme de l’apnée de la prématurité (c’est à dire l’absence de respiration chez les prématurés.)
La caféine est également connue pour potentialiser d’autres substances actives. Il me semble que c’est un peu moins courant ici, mais ailleurs sur la planète, on trouve facilement des analgésiques contre les maux de tête (paracétamol, aspirine) qui incluent de la caféine dans leur formulation. On combine également la caféine avec de l’ergotamine pour le traitement des migraines, avec de l’éphédrine pour stimuler la perte de poids et on s’en sert aussi pour limiter les effets de somnolence de certains antihistaminiques (anti-allergiques) .
Enfin, des études (ici et là) ont montré qu’une consommation accrue de caféine protège le foie, aussi invraisemblable que ça puisse paraître, notamment chez les alcooliques, les personnes souffrant d’obésité ou d’hémochromatose (une maladie héréditaire qui se caractérise par la surcharge de fer dans les organes, principalement le foie). Le mécanisme exact de cette protection est encore inconnu.
Il semblerait que la caféine ait des effets sur la mémoire, mais ce que j’ai trouvé est tellement controversé (selon les études, l’impact sur la mémoire est positif ou négatif), que je préfère ne pas en parler.
Surdoses de caféine
J’allais me lancer dans la rédaction de cette section quand j’ai reçu un coup de fil d’une personne chère, mais qui s’est un peu éternisée. Du coup, pas de section surdose dans mon sujet, désolé On relèvera juste qu’outre la désaccoutumance pénible qu’on a probablement tous subi une fois ou l’autre, les effets néfastes de la caféine peuvent être extrêmement graves allant de la simple intoxication aux troubles psychiatriques avancés en passant par les troubles du sommeil.
Quelle dose pour quelle boisson?
Ne perdons pas de vue les autres questions initiales? Un grand jus de chaussette contient-il davantage de caféine qu’un ristretto hyper-corsé?
Voyons un peu ce tableau piqué sur Wikipédia (les chiffres ne correspondent pas exactement à ceux que j’avais trouvé dans l’encyclopédie trouvée plus haut et sur lesquels j’avais basé mes différents calculs, mais ce n’est pas grave, c’est juste pour avoir une idée des proportions.
| Teneur en caféine de différents aliments et boissons | |||
| Produit | Portion | Caféine par portion (mg) | Caféine par litre(mg) |
|---|---|---|---|
| Chocolat noir | 1 barre (43 g) | 31 | - |
| Chocolat au lait | 1 barre (43 g) | 10 | - |
| Chocolat chaud | 207 ml | 52 | 25035 |
| Café moulu | 207 ml | 80–135 | 386–652 |
| Café filtre | 207 ml | 115–175 | 555–845 |
| Café décaféiné | 207 ml | 5 | 24 |
| Café expresso | 44–60 ml | 100 | 1691–2254 |
| Thé vert ou Thé noir43 | 177 ml | 30-53 | 169 |
| Coca-Cola Classic | 355 ml | 34 | 96 |
| Red Bull | 250 ml | 80 | 320 |
Donc la réponse est oui: il y a plus de caféine dans un long café filtre que dans un petit espresso, même si l’express, plus concentré, contient davantage de caféine par litre.
Les vertus amincissantes du café?
Alors là, sincèrement, aucune idée… L’idée a l’air d’être très en vogue sur les forums, les sites de clubs de fitness et les devantures de certaines pharmacies. Mais de mon côté, je n’ai rien trouvé qui saute aux yeux dans les différentes sources scientifiques que je consulte si ce n’est la potentialisation de l’effet de l’éphédrine. Si cela intéresse quelqu’un, je creuserai volontiers davantage, sinon, en ce qui me concerne, je vais considérer que c’est juste du vent, comme souvent, et que s’il suffisait de s’enduire les bourrelets de caféine pour retrouver sa silhouette, ça fait longtemps que la pratique se serait généralisée.
Tremper deux fois son sachet de thé pour en extraire la caféine, mythe ou réalité?
Les conseils vont bon train un peu partout sur le web, sur les FAQ des marchands de thé et les sites américains de vie en mode d’emploi (par exemple sur ehow.com )
Selon ces différentes sources, il suffirait de faire tremper un sachet de thé dans pendant 1 minute dans de l’eau bouillante. La totalité de la théine du sachet en serait extraite et se retrouverait dans l’infusion. Après une minute, il suffit de jeter l’infusion après en avoir retiré le sachet et de re-tremper ce dernier dans une nouvelle tasse d’eau bouillante. Cette seconde infusion serait vierge de toute caféine.
Au risque de vous décevoir, ce n’est pas exactement à cela que la recherche suggère. En effet, il faut faire tremper le sachet pendant 5 minutes au moins pour en extraire 70% de la caféine. Et la seconde infusion, dont on se demande quelle reste de saveur elle pourra bien avoir, en contiendra tout de même au moins 23%. Donc, bof… Plus mythe que réalité, une fois encore, malheureusement…
Il y aurait certainement eu, comme toujours, encore beaucoup de choses à dire. Je crois avoir répondu à peu près aux questions initiales, ce qui est déjà pas mal. Je mourrai moins bête… J’aurais voulu creuser davantage sur la généralisation du café qui reste pour moi un mystère. Pourquoi la seule boisson disponible pendant les réunions de travail est-elle toujours le café? Et pas le jus de pommes ou le thé? Ça réveille, ça sent bon, c’est addictif. Peut-être que les réponses sont là au fond… Je boucle ce dossier 10 minutes avant l’enregistrement du podcast, aussi je vais en rester là pour cette fois-ci, mais il y a encore quelques papiers sur lesquels je suis tombé qui m’intéressaient bien et que je n’ai pas réussi à traiter. Si vous voulez poursuivre l’enquête, les voici:
- Caffeine addicts get no real perk http://www.abc.net.au/science/articles/2010/06/03/2917113.htm
- Caffeine buzzes boys more than girls http://www.abc.net.au/science/articles/2010/01/12/2790249.htm
- Caffeine at night disturbs day naps http://www.abc.net.au/science/articles/2006/10/16/1765500.htm
- Histoire de la caféine: http://www.thenakedscientists.com/HTML/articles/article/davinacolumn2.htm/
- Caféine et grossesse, impact sur le poids du bébé à la naissance: http://www.rtl.be/archive/info/magazine/_sciences-sant%E9/consommation-cafeine-poids-naissance.html
- Expériences à réaliser soi-même: http://scienceamusante.net/wiki/index.php?title=La_caf%C3%A9ine
- L’effet de la caféine sur les jeunes enfants: http://www.physorg.com/news/2010-12-caffeine-negatively-affects-children.html
- Il n’y aurait pas de lien entre la consommation de café et la vigilance: http://www.physorg.com/news194712919.html
- Effets sur le cerveau de la consommation et de l’arrêt: http://www.physorg.com/news160416875.html
Sources:
- http://en.wikipedia.org/wiki/Caffeine
- http://fr.wikipedia.org/wiki/Caf%C3%A9ine
- http://fr.wikipedia.org/wiki/Cafeti%C3%A8re
- http://en.wikipedia.org/wiki/Decaffeination
- http://en.wikipedia.org/wiki/Health_effects_of_caffeine
- http://en.wikipedia.org/wiki/Adenosine
- http://en.wikipedia.org/wiki/Green_tea
- http://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%A9_vert
- http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_coffee
- https://www.23andme.com/you/journal/pre_caffeine_consumption/overview/
- https://www.23andme.com/you/journal/pre_caffeine_metabolism/overview/
- Caffeine addicts get no real perk
- Why Plants Make Caffeine
- http://www.ehow.com/how_4680902_tea-out-regular-caffeinated-tea.html (pas très scientifique, justement)
- http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B782R-4B4YJ1Y-8K&_user=10420636&_coverDate=12%2F03%2F2003&_rdoc=1&_fmt=high&_orig=&_origin=&_zone=rslt_list_item&_cdi=15117&_sort=d&_docanchor=&view=c&_ct=1&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10420636&md5=f608e432624e1e81fa3495027dedabc9&searchtype=a
- (tiré de http://www.amazon.com/s/ref=nb_sb_noss?url=search-alias%3Daps&field-keywords=978-0-12-227055-0&x=0&y=0 )
- http://jap.physiology.org/content/71/6/2292.short (l’étude sur l’endurance des athlètes)
- http://www.ata-journal.org/articles/ata/pdf/2010/01/ata100001.pdf (article qui m’a permis de faire le lien entre la quantité de caféine dans l’urine et le nombre de tasses de café correspondantes)
- http://en.wikipedia.org/wiki/Decaffeination#Decaffeinated_tea (sur la décaféination du thé) et http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6T6V-46JPB2K-D&_user=10420636&_coverDate=05%2F31%2F1996&_rdoc=1&_fmt=high&_orig=gateway&_origin=gateway&_sort=d&_docanchor=&view=c&_searchStrId=1743269425&_rerunOrigin=scholar.google&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10420636&md5=17ec63ac231c12574221a4f444649d9a&searchtype=a pour l’article original
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