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Les Horloges Géologiques

Marco
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Les Horloges Géologiques

Dossier présenté dans l’épisode #71.

Un paléontologue est comme un détective arrivant après coup sur les lieux du crime. Pour savoir précisément quand des événements se sont produits, il se fonde sur les traces laissées par des processus liés au temps.
Pour étudier l’évolution, on n’a pas besoin d’une simple horloge qui donne l’heure qu’il est, comme un cadran solaire ou une montre, mais il faut quelque chose qui ressemble plus à un chronomètre qu’on peut faire redémarrer.
Il faut que l’horloge évolutive soit à zéro à un certain moment pour qu’on puisse calculer le temps qui s’est écoulé depuis un point de départ.
Les horloges radioactives pour dater les roches ignées (volcaniques) sont justement mises à zéro au moment où la roche se forme par solidification de la lave en fusion.
De plus il existe toute une panoplie d’horloges naturelles, recouvrant un spectre très large d’échelles de temps, dont la gamme de sensibilité se recouvre parfois et cela est une très bonne chose car on peut alors vérifier l’exactitude de chacune avec une autre.
Il existe des horloges radioactives qui pourraient mesurer des fractions de seconde, mais pour ce qui a trait  à l’évolution, les horloges les plus rapides dont les paléontologues ont besoin mesurent des siècles, ou éventuellement des décennies. A cette extrémité du spectre des horloges naturelles, on trouve la datation au carbone et la dendrochronologie (dendron= l’arbre/ Chronos= le temps/ Logos= l’étude. Donc la dendrochronologie est la science de la datation des arbres) très utile en archéologie.
A l’autre extrémité du spectre se trouvent des horloges capables de mesurer des centaines de millions, voire des milliards d’années.

Les cernes des arbres

Nous allons tout d’abord évoquer la dendrochronologie. Cette technique de datation est très précise, puisqu’elle a littéralement une précision à l’année près.
Son principe est simple, et plus ou moins connu par tous, puisque tout le monde a sûrement entendu dire que les cernes des arbres (c’est à dire les cercles concentriques que l’on voit en coupant un tronc) indiquent l’âge de l’arbre. Plus jeune,  je me suis souvent demandé si ce n’était pas encore une de ces vieilles légendes urbaines. Et il se trouve que le jour où je me suis décidé à la vérifier, j’ai été heureux de constater que cela était vrai!

Un arbre vivant produit du bois du côté interne de sa couche de cambium (J’aime bien donner l’origine des mots, car souvent ça aide à les mémoriser. Ici, Cambium vient du latin cambio qui signifie “j’échange” et le cambium est un tissu végétal qui marque la limite entre le bois et l’écorce)
Cela entraine donc l’augmentation de son diamètre. Généralement les arbres produisent leur bois entre le début du printemps et la fin de l’été.
Si on observe les cernes, on remarquera qu’il y a une partie claire et une partie plus sombre. La partie claire correspond au début de la saison, où la disponibilité de l’eau est à son maximum. Ainsi les cellules de xylème (ici, xylème = le bois) qui sont produites à cette période ont un large diamètre et une paroi cellulaire mince.
Par contre le bois produit à la fin de la saison a des cellules plus petites et une paroi cellulaire plus épaisse, ce qui donne la couleur plus foncée. Une fois la saison de production de bois terminé, le cambium stoppe sa production de cellules et rentre dans un état de dormance jusqu’au début du printemps suivant.
Ainsi une année est représentée par un cerne possédant une partie sombre et une partie claire (il faut noter toutefois que je parle là d’un principe général, dans une région où la différence entre les saisons est fortement marquée et pour une espèce d’arbre, comme les conifères, où cette différence entre partie claire et partie sombre est bien marquée. Mais pour certaines espèces cette différence n’est pas si évidente et il faut parfois avoir recourt au microscope pour observer les cellules)

Mais la croissance d’un cerne dépend beaucoup des conditions météo, qui varient d’une année sur l’autre. Grosso modo, les sécheresses retardent la croissance, et une bonne année en pluie va l’accélérer. Donc d’une année sur l’autre l’épaisseur d’un cerne ne va pas être la même, et le schéma des cernes larges et minces dans une région donnée, résultant d’une séquence particulière de bonnes et mauvaises années, est suffisamment caractéristique pour qu’on puisse les reconnaître d’un arbre à l’autre. Cette empreinte constitue une sorte de code-barre.

Grâce à ces codes-barres qui identifient donc un espace de temps donné, dans une région donnée, on peut alors, à rebours, établir les empreintes de cernes caractéristiques de temps antérieurs.
Par exemple en prenant un arbre vivant aujourd’hui et ayant 50 ans, en observant ses motifs de cernes, on en déduit à quoi ressemblent les motifs de cernes sur les 50 dernières années. Admettons que l’on possède une carotte d’un arbre quelconque de la même région qui a été établi il y a 30 ans alors que cet arbre avait alors 60 ans (Pour effectuer de la dendrochronologie, on n’abat pas les arbres pour observer leur tronc, tout cela se fait bien sûr en respect de la nature. Ce sont donc des carottes qui sont extraites)

Comme cette carotte date d’il y a 30 ans, le motif de cernes sur les 20 dernières années avant le carottage, doit se retrouver sur les 20 premières années de notre arbre moderne (qui a 50 ans). Ainsi cela donne le motif sur les 40 années précédant la naissance de notre arbre moderne. On a alors le motif de cernes représentatif de la région sur 90 ans. Et ainsi par suite de chevauchements de restants d’arbres pétrifiés, ou de bois utilisé dans des constructions anciennes, on peut établir le motif de cernes caractéristique d’une région donné.

Théoriquement, s’il se trouvait suffisamment de forêts pétrifiées pour accompagner en une chaîne continue notre voyage vers le passé, on pourrait remonter jusqu’à plusieurs millions d’années. Au lieu de dire “cet arbre date du Jurassique” on pourrait dire “cet arbre date de l’an 151 432 657 avant JC!”
Mais dans la pratique il n’existe pas de chaine ininterrompue et avec la dendrochronologie on remonte à seulement 11’500 ans.

Les cernes des arbres ne sont pas tout à fait le seul système qui promet une datation précise à l’année près.
Les varves sont des couches de sédiments déposées dans les lacs glaciaires (Nord de l’Europe, Scandinavie). Comme les cernes des arbres, elles varient selon les saisons. Durant l’été, la sédimentation est plus active à cause de l’alimentation par les eaux de fontes des glaciers. Cela dépose une couche claire. Par contre l’hiver c’est une couche foncée qui se dépose.
Ces 2 couches forment une varve. On peut donc y appliquer le même principe.

Les récifs coralliens eux aussi ont des cernes annuels de croissance, exactement comme les arbres.

Les horloges radioactives

Contrairement aux cernes des arbres, les horloges radioactives ne sont précises que dans une marge d’erreur à peu près proportionnelle à l’échelle de temps concernée.
Généralement la marge d’erreur est d’environ 1%.
Pour comprendre comment fonctionnent les horloges radioactives, il faut d’abord comprendre ce qu’est un isotope radioactif.
Il existe environ cent éléments, un peu plus si on compte ceux que l’on décèle uniquement en laboratoire, un peu moins si on ne compte que ceux que l’on trouve dans la nature. Chaque élément possède son atome caractéristique.
Trois types de particules entrent dans la composition de l’atome: Les électrons et celles qui forment le noyau et qui sont presque de la même taille, les protons et neutrons.
Le nombre de protons est fixe pour un élément donné, et égal à celui des électrons. Ce nombre est ce qu’on appelle le nombre atomique et il caractérise un élément. L’élément ayant pour numéro atomique 1 est l’hydrogène, le 2 est l’hélium, le 3 le lithium, le 4 le béryllium, le 5 le bore, le 6 le carbone, le 7 l’azote, le 8 l’oxygène, ainsi de suite jusqu’à des nombres comme le 92 qui est le nombre atomique de l’uranium.

(Petite phrase mnémotechnique pour retenir la 2e ligne de la classification des éléments: “Lili Bêche Bien Chez Notre Oncle François Nestor” ==> Li Be B C N O F Ne)
A la différence des protons, les neutrons ne permettent pas d’identifier un élément. Ainsi les atomes d’un même élément pourront se présenter sous différentes versions, qu’on appelle des “isotopes”. Pour un élément donné, le nombre de protons reste donc constant, et c’est le nombre de neutrons qui varie.
Certains éléments comme le fluor n’ont qu’un seul isotope qui se rencontre dans la nature. Le nombre atomique du fluor est le 9 et son nombre de masse 19 (la masse des électrons étant négligeable devant celles des protons et neutrons, le nombre de masse correspond donc au nombre d’éléments du noyau, c’est à dire le nombre de protons et de neutrons) On en déduit donc que le noyau d’un atome de fluor est composé de 9 protons, et 10 neutrons.
D’autres éléments ont un grand nombre d’isotopes: le plomb en a 5 qu’on rencontre couramment. Tous ont le même nombre de protons, qui est 82 le numéro atomique du plomb, mais leur nombre de masse varie entre 202 et 208.
Le carbone a lui 3 isotopes que l’on rencontre dans la nature: Le plus commun est le carbone 12 (6 protons 6 neutrons), mais il y a aussi le carbone 13, qui est très très rare donc on n’en parlera pas plus, et le carbone 14 qui est relativement rare et connu pour faire des datations.
Mais l’information importante à savoir pour comprendre le principe des horloges radioactives est que certains isotopes sont stables et d’autres instables. Pour le plomb, le Plomb 204, le Plomb 206, le Plomb 207 et le Plomb 208 sont stables, alors que le Plomb 202 est instable.
“Instable” veut dire que le noyau de l’atome peut se transformer spontanément en un autre atome à tout moment. “Instable” ici est synonyme de “radioactif”. Il existe plusieurs types de radioactivité. Il y a d’abord ceux qui transforment un neutron en proton, ou l’inverse, un proton en un neutron.
Cette modification n’entraîne pas de changement du nombre de masse, puisque proton et neutron ont sensiblement la même masse. Mais par contre le nombre atomique est modifié, donc l’atome devient un élément différent. Si un neutron se transforme en proton, le numéro atomique augmente alors que si un proton se transforme en neutron, il diminue.
Par exemple le sodium 24 (11p+13n) se transforme en magnésium 24 (12p+12n)

Puis il y a aussi un type de radioactivité pour lequel un atome éjecte une particule, qu’on appelle particule alpha, et qui est composée de deux protons et deux neutrons (on appelle cela la radioactivité alpha) Cela signifie que le nombre de masse diminue de 4, et le numéro atomique de 2.
Un exemple de radioactivité alpha est la transformation de l’isotope Uranium 238 (92p + 146n) en thorium 234 (90p + 144n)

Et maintenant autre point crucial: Chaque isotope radioactif à un rythme de décroissance qui lui est propre. Certains rythmes sont plus lent que d’autres, mais quoi qu’il en soit, il se font toujours de façon exponentielle. C’est à dire que ce n’est pas une quantité fixe qui se transforme en un temps donné, mais une proportion fixe. Et la mesure que l’on préfère utiliser pour le taux de décroissance est celle de la “demi-vie”, c’est à dire le temps qu’il faut pour que la moitié des atomes se transforment. Et cette demi-vie reste la même quelle que soit la quantité d’atomes restants. (d’où le terme “exponentielle”)
Pour donner quelques exemples, la demi-vie du rubidium 87 est de 49 milliards d’années et celle du fermium 244 de 3,3 millisecondes. Cela illustre la gamme d’horloges radioactives disponibles.
La demi-vie du carbone 15 est de 2,4 secondes, donc elle n’a pas d’utilité pour des datations anciennes, mais la demi-vie du carbone 14 est  de 5730 ans, ce qui est parfait pour  effectuer des datations sur des temps archéologiques.
Un isotope très utilisé est le potassium 40, qui a une demi-vie de 1,26 milliards d’années. Il décroit en argon 40 (qui se situe en dessous dans le tableau de Mendeleiev (K=19, Ar=18).
On appelle donc cette horloge, l’horloge potassium-argon.
Donc si on imagine que l’on a une certaine quantité de potassium dans un espace fermé et qu’il n’y a pas d’argon au départ. Au bout de quelques centaines de millions d’années, un scientifique découvre cet espace fermé et mesure les proportions relatives des deux éléments potassium 40 et argon 40.
En connaissant la demi-vie, d’après les proportions trouvées mais également en supposant qu’il n’y avait pas d’argon au départ, on peut estimer le temps qui s’est écoulé depuis le début du processus.

Comme toutes les horloges radioactives qu’utilisent les géologues, l’horloge potassium-argon ne fonctionne qu’avec les roches ignées (qui vient du matin ignis qui signifie “le feu”)
Pourquoi? Parce-que les roches ignées se solidifient à partir de roche en fusion (magma souterrain pour le granit, lave des volcans pour le basalte). Cette solidification se fait sous forme de cristaux, et plusieurs d’entre eux contiennent des atomes de potassium, dont une certaine proportion sont des atomes radioactifs de potassium 40.
Au moment où la roche en fusion se solidifie, il y a donc du potassium 40 mais surtout, il n’y a pas d’argon, et cela est très important car c’est ce qui permet de mettre l’horloge à 0, et donc de connaître à partir de quel moment le “chronomètre” a commencé à défiler. S’il y avait eu de l’argon, il n’aurait pas été possible d’utiliser cette horloge sans connaître les quantités initiales d’argon et de potassium (ce qui n’est pas possible)
L’horloge est donc “à zéro” dans le sens où il n’y a pas d’argon.
Par la suite, la quantité d’argon qui s’accumule est une mesure du temps qui s’est écoulé depuis que la roche s’est formée. Mais cette quantité n’a de sens que si elle est exprimée comme le rapport entre le potassium 40 et l’argon 40. Quand l’horloge était à zéro, ce rapport était de 100% en faveur du potassium 40. Au bout de 1,26 milliards d’années, ce rapport sera de 50 – 50. Au bout de 1,26 milliards d’années de plus, la moitié du potassium restant se sera converti en argon 40, et le rapport sera de 25% de potassium contre 75% d’argon, et ainsi de suite.
Ainsi lorsque les géologues mesurent le rapport potassium/argon dans une roche ignée qu’ils ramassent aujourd’hui, ils peuvent en déduire depuis quand la roche a commencé à se cristalliser en partant de son état de fusion.
L’explication concerne l’horloge potassium/argon, mais les roches ignées contiennent de nombreux isotopes radioactifs, et le fonctionnement est exactement le même. De plus, étant donné que les horloges radioactives couvrent une large gamme de temps, l’une peut être utilisée pour vérifier l’autre.

Mais alors comment dater des fossiles? En effet, on ne trouve quasiment jamais de fossiles dans les roches ignées. Les fossiles se forment dans des roches sédimentaires comme le calcaire ou le grès, qui ne sont pas de la lave solidifiée. Ce sont des couches de boue, de limon ou de sable qui se sont déposées peu à peu au fond d’une mer, ou d’un lac. Le sable ou la boue se compacte avec le temps et durcit sous forme de roche, et les cadavres qui sont pris dans la boue ont alors une petite chance de se fossiliser.
Le problème des roches sédimentaires est qu’elles ne peuvent pas être datées par radioactivité. Elles contiennent probablement du potassium 40 ou d’autres éléments radioactifs qui pourraient servir d’horloge. Mais ces horloges ne sont d’aucune utilité car elles ne se mettent pas bien à zéro, ou plutôt elles s’y mettent à des moments différents les unes des autres. Les particules de sable qui sont compactés pour faire du grès peuvent avoir été concassées à l’origine à partir de roches ignées, mais ces roches ignées se sont toutes solidifiées à des moments différents. Donc chaque grain de sable à une horloge qui s’est mise à zéro à son propre moment, et un moment qui a probablement eu lieu longtemps avant que la roche sédimentaire ne se soit formée.
Les roches sédimentaires qui contiennent les fossiles ne sont donc pas utilisables pour la datation.
Le mieux que l’on puisse faire, c’est de dater les roches ignées se trouvant à proximité de la roche sédimentaire, ou enfouies à l’intérieur.

Tout autour du monde on trouve des couches de roches sédimentaires qui présentent de grandes similitudes, et qui correspondent par conséquent à la même période. Ces couches avaient été identifiées bien avant la découverte des datations radioactives, et on leur avait donné des noms comme: Cambrien, Ordovicien, Silurien, Dévonien, Carbonifère, Permien etc… (Une phrase pour retenir les périodes de l’ère primaire ou paléozoïque est: Cambrone Ordonna Silence et Dévouement à ses Carabiniers Permissifs) Toutes ces périodes se reconnaissent à l’œil nu dans toutes les parties du monde, car elles sont similaires et contiennent les mêmes types de fossiles.
Les géologues connaissent donc depuis longtemps l’ordre dans lequel ces sédiments ainsi nommés se sont déposés. Simplement ils ne savaient pas quand!
On savait que les fossiles du Cambrien, étaient plus anciens que ceux de l’Ordovicien. Et dans ces mêmes couches, les géologues distinguent aussi des sous-divisions. Par exemple: Jurassique supérieur, Jurassique moyen, Jurassique inférieur.
Comme l’ordre relatif des strates est bien connu et que le même ordre se retrouve tout autour du monde, on peut se servir des roches ignées qui sont juste au-dessus ou juste au dessous des strates sédimentaires, ou qui y sont encastrées, pour dater ces strates, et donc les fossiles qu’elles renferment. On sait ainsi d’après les datations des roches ignées que l’on a trouvé associées à des roches du Dévonien, que cette période a commencé il y a environ 410 millions d’années, et s’est terminée il y a environ 360 millions d’années. On ajoute un peu de raffinement en évaluant la position du fossile dans la strate. Un fossile gisant près du haut sera plus récent que ceux gisant près du bas.
Faisons à présent une petite remarque sur les horloges radioactives, qui constituent un argument de poids en faveur de l’ancienneté de la Terre: On dénombre 150 isotopes stables et 158 isotopes instables. Sur les 158 instables, 121 ont soit quasiment disparu de la Terre, soit existent encore car ils se renouvellent constamment. Or si l’on regarde les 37 qui n’ont pas disparu, on remarque que chacun d’eux, sans exception, à une demi-vie supérieure à 700 millions d’années. Et si l’on regarde les 121 qui ont disparu, chacun d’entre eux sans exception a une demi-vie inférieur à 200 millions d’années. On comprend donc que les seuls isotopes que l’on trouve sur la Terre sont ceux dont la demi-vie est suffisamment longue pour avoir survécu sur une très vieille planète.

 

Le carbone

Le carbone est l’élément qui semble le plus indispensable à la vie, de par sa capacité à former des chaînes, des anneaux et différentes autres architectures moléculaires complexes.
C’est par les plantes qu’il entre dans le réseau alimentaire, et plus précisément par la photosynthèse, processus par lequel les plantes produisent des sucres, à partir d’eau, de l’énergie de la lumière du soleil, et du dioxyde de carbone absorbées.
Tout le carbone présent dans tous les êtres vivants vient en fin de compte du dioxyde de carbone de l’atmosphère, par l’intermédiaire des plantes.
La plus grande partie du dioxyde de carbone de l’atmosphère est faite de carbone 12, qui n’est pas radioactif. Mais quelques-unes de ces molécules (1 sur 1 billion = mille milliards) sont constituées de carbone 14 qui lui, est radioactif. Les plantes par contre ne font pas la différence entre carbone 12 et carbone 14, elles absorbent donc du carbone 14 en même temps que du carbone 12, et intègrent donc ces 2 types de carbone dans leurs sucres. Ainsi le carbone 14 se répand rapidement, à l’échelle des temps biologiques,  dans la chaine alimentaire, et tous les êtres vivants, que ce soient les plantes, les herbivores ou les carnivores, ont la même proportion de carbone 12 et carbone 14, qui est celle de l’atmosphère.
Et donc, à la mort de la créature vivante, l’horloge pour la datation se met à zéro, car à cet instant, elle se coupe de la chaîne alimentaire et donc de l’afflux de nouveau carbone 14.
A mesure que les siècles passent, la quantité de carbone 14 diminue progressivement, jusqu’à que la quantité soit trop infime pour qu’on puisse la mesurer. Mais si cette créature est retrouvée et testée avant ce moment, alors la proportion de carbone 14 et d’azote 14 serviront à la dater.
Il faut noter aussi que pour que cela fonctionne, il faut qu’il y est un stock de carbone 14 qui se renouvelle continuellement. Sinon il est évident que tout le carbone 14 de l’atmosphère aurait disparu depuis longtemps de la Terre. Et effectivement c’est le cas, puisqu’il est continuellement fabriqué dans un processus se réalisant en deux étapes: Dans un premier temps, les rayons cosmiques frappent les atomes de l’atmosphère, et éjectent des neutrons. Dans une deuxième étape, certains de ces neutrons vont alors frapper les noyaux d’azote 14 (qui est le gaz le plus répandu de l’atmosphère) et en éjecter un proton. L’atome d’azote, conserve donc le même nombre de masse, 14, mais a perdu un proton: il n’a plus 7 protons et 7 neutrons, mais 6 protons et 8 neutrons: On a donc du carbone 14.
Le rythme auquel s’effectue cette conversion est à peu près constant au cours des siècles, mais “à peu près” seulement (Plusieurs facteurs peuvent influencer les concentrations, plus ou moins localement, comme des essais ou des catastrophes nucléaires)


Heureusement, au tout début de ce podcast nous avons vu une technique de datation, précise à l’année près, qui se réalise avec les arbres, qui sont des êtres vivants. Cela implique donc que grâce à la dendrochronologie, on peut calibrer la datation au carbone 14 et en déduire les fluctuations du stock de carbone 14 dans l’atmosphère, et ainsi obtenir des résultat encore plus précis.

Et pour finir ce dossier, rien de tel que l’exemple le plus célèbre de datation au carbone 14 (mais également certainement le plus sujet au débat…): J’ai nommé le Suaire de Turin! Tout le monde connait la légende qui tourne autour de ce morceau de tissu qui porte la marque d’un homme barbu (non, ce n’est pas un membre des ZZ Top) Beaucoup de gens espèrent qu’il s’agit de la marque de Jésus.

Il est cité pour la première fois dans l’histoire, en 1350. Donc rien de tel que la datation au carbone 14 pour dater la mort du lin qui le compose.

Le Vatican a  autorisé le prélèvement d’une bandelette qui fut divisée en 3 parties chacune étant envoyée à un grand laboratoire spécialisé dans la datation au carbone: l’un se trouvant à Oxford, un autre dans l’Arizona et le troisième à Zurich, afin de travailler dans des conditions complétement indépendantes.

Oxford a donné une date d’environ 1200 après JC, Zurich 1274 et l’Arizona 1304. En tenant compte de marges d’erreurs normales, cela est tout à fait compatible avec la date de 1350 pour la première apparition du Suaire de Turin dans l’histoire…

Bien évidemment, la controverse n’est pas finie, puisque certains remettent en cause la datation, non pas au niveau de la technique, mais au niveau de contamination qu’aurait pu subir le Suaire, notamment lors d’un incendie qui a eu lieu en 1532. Difficile d’évaluer si effectivement il y a eu contamination. On pourrait penser que le Suaire était bien protégé, et qu’une contamination n’aurait pas donné des dates si cohérentes, mais cela est une autre question, et je ne m’avancerai pas plus loin dans le débat…

sources: “Le plus grand spectacle du monde” – Richard Dawkins
http://www.globecanada.ca/globe/francais/activites/dendrochronologie.cfm

Illustration : Le style photovoltaïque

Lucile
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Illustration : Le style photovoltaïqueMerci à Presse Citron, Vincent Abry, Alternative Channel, News Discovery et le Journal du Geek pour avoir relayé ces fantastiques trouvailles !

Podcastscience 70 – Solaire cherche futur

Podcast Science
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Podcastscience 70 – Solaire cherche futur

Un dossier bourré d’infos intéressantes sur l’énergie solaire, pour cette semaine ! Et c’est notre Alan national, que même les américains nous envient, qui s’en est occupé 🙂 par ici !

Vous en apprendrez plus sur la rentabilité, la durabilité, ou encore les projets d’avenir pour cette énergie prometteuse dont la Suisse et la Chine sont les pionniers mondiaux. Pour le mp3, c’est en bas que ça se passe (player).

Et si vous le n’avez pas vue, ne manquez pas l’illustration de Lucile qui se la joue photovoltageek 🙂

Pour continuer, la p’tite vidéo qui va avec (à prendre avec des pincettes) :

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On continue avec un plug’ vers Research Gate, un réseau social consacré à la science, avec des profils scientifiques, des articles, un agenda des événements scientifiques et des bourses d’emplois !

Ensuite, quelques liens sur les news abordées en fin d’émission :

La fin de la seconde intercalaire ?

Convergence vocale chez les chimpanzés sur www.sciencesetavenir.fr

Et pour finir, les quotes de Podcast Science :

“Bienheureux les fêlés, car ils laisseront passer la lumière”

Michel Audiard, le cinéaste français.

“Quand on m’explique les mathématiques, je perds pied dès le premier mot. En physique, je comprends la première phrase, en biologie j’ai compris l’essentiel du message, et en sciences humaines chacun donne son avis.”

Roland Barthès, écrivain français.

Et voilà, on vous dit à la semaine prochaine, avec un dossier que Marco nous a vendu (comme il pouvait) sur les méthodes de datation en géologie !

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Solaire cherche futur, le point sur le photovoltaïque

Alan Vonlanthen
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Solaire cherche futur, le point sur le photovoltaïque

Dossier d’Alan dans l’épisode #70.

Un mème circule dans les petits milieux de la promotion des énergies renouvelables. Vous l’avez sans doute déjà entendu: “Le soleil fournit à la Terre assez d’énergie en une minute pour couvrir les besoins énergétiques d’une année. En une journée, le soleil nous fournit de quoi tenir plus de 27 ans.” Je me suis acharné pendant plus d’une heure à tenter de trouver l’origine de la citation (qui n’est jamais mentionnée nulle part) afin de remonter sur une source académique digne de ce nom avant de partager cette  avec vous cette comparaison spectaculaire. Et j’ai fini par trouver quelque chose d’approchant. En fait, ce n’est pas en une minute que le soleil nous fournit toute cette énergie, mais en 90! La citation correcte est

In 90 minutes, enough sunlight strikes the earth to provide the entire planet’s energy needs for one year.
En 90 minutes, la quantité de lumière du soleil qui frappe la Terre suffit à satisfaire les besoins de la planète pour une année entière.

Livre: Solar Energy PerspectivesC’est l’Agence Internationale de l’Energie qui l’indique dans une étude publiée en décembre 2011 sur l’énergie solaire et ses perspectives.

Ce mème n’est pas la seule information erronée qu’on peut lire sur l’Internet quand on recherche des informations sérieuses concernant les énergies renouvelables. Les militants d’un bord comme de l’autre ne sont pas très regardants quant aux sources, c’est assez effrayant. Honnêtement, jai eu un mal fou à monter ce dossier en vérifiant toutes mes sources, ça m’a pris 3 fois plus de temps que d’habitude.

Pour en revenir à notre petite citation en version erronée ou corrigée, ce que j’en retiens, c’est que le soleil nous fournit une énergie phénoménale et gratuitement par dessus le marché! On a l’impression qu’il n’y a qu’à la collecter pour que tous nos problèmes d’approvisionnement d’énergie (et les conflits qui en découlent!) soient résolus.

Les plantes tirent l’essentiel de leur énergie du soleil, via la photosynthèse. Ne pourrions-nous pas être aussi malins qu’elles et en faire autant?

Est-ce vraiment si simple?

Dans ce dossier, nous allons commencer par poser quelques fondamentaux. Qu’est-ce que le photovoltaïque, comment ça marche. Quel est le mécanisme qui permet de prendre en entrée les photons de la lumière du soleil et produire en sortie des électrons prêts à recharger nos indispensables gadgets? Nous essaierons de comprendre les limitations de la technologie des cellules photovoltaïques – qu’on trouve dans les panneaux solaires –  et ainsi comprendre pourquoi nous n’en voyons pas partout. Si le soleil nous envoie effectivement autant d’énergie, pourquoi ne pas recouvrir les zones inhabitées du Sahara de panneaux solaires? Et pourquoi pas carrément des centrales solaires spatiales, pour bénéficier d’un ensoleillement 24 heures sur 24? Finalement, nous nous intéresserons à l’avenir de cette technologie. Les panneaux doivent-ils nécessairement être noirs, rigides, lourds et moches ou les cellules de 2e et 3e génération – qui sortent essentiellement des centres de recherche suisses – promettent-elles autre chose?

Commençons donc par les fondamentaux:

L’effet photovoltaïque

Le phénomène physico-chimique qui a permis l’émergence de cette technologie s’appelle l’effet photovoltaïque. C’est un phénomène très proche de l’effet photoélectrique, observé pour la première fois en 1838 par Antoine-César Becquerel et son fils Alexandre-Edmond, (respectivement grand-père et père d’Henri Becquerel, co-découvreur de la radioactivité aux côtés de Pierre et Marie Curie). Les Becquerel (grand-père et père) s’amusaient à observer le comportement électrique d’électrodes immergées dans un liquide et se sont rendus compte que ce comportement était modifié en présence d’un éclairage. Certains métaux émettaient des électrons lorsqu’ils étaient soumis à la lumière, mais cela ne fonctionnait qu’à certaines fréquences, à partir d’un certain seuil. Ce qui était inexplicable avec les connaissances en physique de l’époque. C’est Albert Einstein qui fut le premier à comprendre le phénomène en remettant fondamentalement en question la lumière. Il a formulé l’hypothèse que le rayonnement électromagnétique était fait de grains de lumières porteurs d’énergie. Ces grains d’énergie, on les a rapidement rebaptisés photons et c’est d’ailleurs pour ces travaux sur la nature de la lumière et l’explication du phénomène photoélectrique qu’Einstein a reçu le prix Nobel de physique en 1921 (et pas pour ses deux théories de la relativité qui ont changé la face du monde à plus d’un titre).

Pour en revenir à nos définitions, l’effet photoélectrique, c’est donc l’émission spontanée d’électrons par un métal lorsque celui-ci est exposé à la lumière ou à un autre rayonnement électromagnétique de fréquence élevée.  Concrètement, on s’en sert essentiellement pour des détecteurs, des capteurs vidéo et des systèmes de vision nocturne.

L’effet photovoltaïque est un peu différent, si on en croit notre ami wiki, “L’effet photovoltaïque est obtenu par absorption des photons dans un matériau semi-conducteur qui génère alors des paires électrons-trous (…) créant une tension ou une courant électrique.” Pas super parlant a priori, mais on va décrypter tout ça dans un instant.

La différence entre les deux phénomènes, c’est que dans l’effet photovoltaïque, l’électron passe à travers plusieurs bandes du semi-conducteur où il va accumuler de la tension entre deux électrodes. Les électrodes fournissent un courant électrique continu, directement exploitable pour recharger nos très chers et indispensables téléphones portables.

La cellule photovoltaïque

De l’effet photovoltaïque à la cellule, il n’y a qu’un pas, ou plutôt, deux couches 😉

Si on prend une plaquette de silicium et qu’on l’expose à la lumière, celle-ci va naturellement libérer quelques électrons. Mais bon, à l’air libre, comme ça, les électrons ne nous sont pas d’une grande utilité… Pour exploiter l’énergie solaire, on prend une première couche de silicium, on la dope au phosphore. Elle se retrouve subitement bourrée d’électrons. Notre morceau de silicium devient un semi-conducteur de type “N”, N pour négatif. On prend une seconde couche de silicium, qu’on dope cette fois avec du bore. Elle se retrouve subitement en déficit d’électrons, pleine de trous. Notre deuxième morceau de silicium devient un semi-conducteur de type “P”. P pour… ? Positif bien sûr!
Le photovoltaïque en une imageEn gros, le coeur d’une cellule photovoltaïque n’est constitué que de ces deux couches de silicium. Excités par les photons, les électrons trop nombreux d’un côté et les trous d’électrons trop nombreux de l’autre n’auront qu’une idée en tête: rétablir l’équilibre en se promenant allègrement entre les deux couches. En plaçant judicieusement un conducteur entre les deux, on récupère le courant électrique, le tour est joué, l’iphone est rechargé, on peut appeler pour dire qu’on est en retard pour le dîner, les inquiétudes retombent, tout le monde est heureux.

Une petite digression, pour souffler un peu… Silicium en français, se dit silicon (sans “e”) en anglais. La Silicon Valley, c’est la vallée du silicium et pas du silicone (qui est un polymère contenant du silicium.)

Les limitations physiques

On améliore sans cesse le rendement des cellules photovoltaïques mais il y a une limite. Elle porte même un nom, c’est la limite de Shockley-Queisser du nom de William Shockley et Hans Queisser qui l’ont calculée en 1961. En gros, le nombre d’électrons qui peut passer dans une jonction P-N est limité. Et l’efficacité d’une cellule solaire de ce type ne peut pas dépasser 33.7% (on pourrait atteindre 86%, mais il faudrait que les rayons soient  préalablement compactés au moyen d’un système optique). On atteint gentiment cette limite: si les cellules qu’on trouve sur le marché plafonnent en moyenne à 14-19% d’efficacité, on sait produire en laboratoire des cellules qui atteignent un rendement de 25% (plus très loin des 33.7, donc). Et pour les cellules qui ont plusieurs jonctions P-N, on arrive à plus de 42%.

La puissance-crête et l’emplacement idéal

Quand on parle de rendement, ou d’efficacité, ce qu’on cherche à représenter, c’est la proportion d’énergie reçue qu’on arrive à transformer. Si les rayons du soleil émettent une puissance de 1000 watts par mètre carré par exemple, des panneaux solaires dont la “puissance-crête” est de 15% parviendront à produire 150 watts par mètre carré au meilleur de la journée.

C’est d’ailleurs essentiellement pour optimiser le rendement qu’on place les panneaux solaires sur les toits uniquement et pas sur les trottoirs de nos villes par exemple. Un immense merci à Lucile qui m’a donné un coup de main sur cette partie du dossier et que j’ai le plaisir de citer ici :

Il existe diverses raisons pour lesquelles on privilégie l’installation de panneaux solaires sur les toits.

  • Raison pratique : élevée sur un toit, une installation photovoltaïque n’empiète pas sur l’espace vital;
  • Raison esthétique : les panneaux solaires sont plus discrets à cet emplacement;
  • Raison technique (la principale) : cette position permet d’optimiser le rendement des cellules photovoltaïques

Le rendement d’un panneau solaire varie en fonction de la puissance des cellules mais également selon son exposition aux rayons du soleil. Il est donc primordial avant d’installer une telle structure sur son toit, d’évaluer l’emplacement au niveau duquel le panneau solaire bénéficie d’un maximum de rayons du soleil.

L'angle d'incidence (Wikipédia)L’exposition du panneau se calcule grâce à l’angle d’incidence. Cet angle est formé par les rayons du soleil et le plan du panneau. Pour exploiter au mieux la ressource solaire, l’angle d’incidence doit être le plus proche possible de 90°. Et pour arriver à un angle d’incidence optimal de 90° il faut respecter les paramètres suivants :

  • Une orientation du panneau vers le sud
  • Une inclinaison du panneau de 15° à 50° (30° étant l’idéal) par rapport à l’horizontale

De plus, cette inclinaison permet d’éviter l’encrassement du panneau photovoltaïque (ce qui réduirait la production d’électricité).

http://www.tpepanneauxsolaires.fr/rentabilite.html#rec
http://www.energies-nouvelles.net/guide-rendement-photovoltaique-14.html

Les autres limitations

Il y a quelque limitations, mais bon. La lumière du soleil est gratuite et constitue une manne intarissable, en tout cas pour les 5 prochains milliards d’années. D’ailleurs, il est intéressant de relever que, à part le nucléaire, la géothermie et les centrales marémotrices (moulins à marées), pratiquement toutes les autres énergies sont plus ou moins directement issues du soleil. Même le pétrole et le gaz; quand on remonte la filière jusqu’aux origines, sont une forme de stockage de l’énergie du soleil (le soleil a permis la production des composants organiques qui les constituent à un moment ou un autre).

Pourquoi ne tapons-nous pas davantage dans cette source formidable d’énergie?

Et bien parce si la lumière du soleil est (encore?) gratuite, la fabrication des panneaux solaires, leur installation, la transformation et le transport du courant ont un coût. Un coût pas tout à fait négligeable, même s’il on constate une nette baisse depuis que la Chine domine la production des cellules photovoltaïques (selon un rapport de Bloomberg Energy Finance de 2010, les coûts de production des panneaux, pour une puissance égale en watts ou en mégawatts, a chuté de 50% entre fin 2008 et 2009) (Rapport, pdf, 3.6Mo) .

Sur le prix comparé du kilowatt heure d’électricité produite via des installations solaires par rapport aux autres filières, les sources que j’ai pu trouver varient grandement selon qu’elles émanent de partisans du nucléaire, de promoteurs des énergies renouvelables, de fabricants de cellules ou de vendeurs de panneaux. (C’est tout le drame de la préparation de ce dossier!) Tantôt, on prend ou non en compte les compensations carbone des centrales à charbon et le coût du démontage des centrales nucléaires, tantôt pas. Et si on arrivait à se mettre d’accord sur une méthodologie, il faudrait encore prendre en compte les énormes variations régionales: amortir son installation solaire prend forcément plus de temps sous un le ciel britannique qu’australien par exemple, ce qui influe sur le prix de revient du kilowatt/heure. Devant ces difficultés,  je préfère renoncer à une comparaison plutôt que raconter n’importe quoi (en gros, selon la perspective, le kw photovoltaïque est entre deux fois moins cher et trois fois plus cher que le nucléaire). No comment.

Par contre, sur un marché donné, la comparaison du prix de l’électricité photovoltaïque avec le prix du courant du réseau est une indication intéressante. Selon un récent rapport de Bloomberg Energy Finance, (juin 2011), la chute vertigineuse des prix de fabrication des panneaux de ces dernières années permet désormais aux installations domestiques, dans les régions bien ensoleillées, d’atteindre la parité par rapport au prix du réseau (20 cents américains par kWh pour le solaire vs 20-25 cents pour le courant du réseau). Et selon le Guardian, qui cite une étude Ernst & Young (malheureusement plus en ligne), le prix des installations va encore baisser de manière significative d’ici 2013 (moitié du prix de 2009), et compte tenu de plein d’autres critères économiques encore (je vous laisserai le soin de lire l’article), dans dix ans, il sera définitivement plus intéressant pour les gros consommateurs de se tourner vers ce type d’installation plutôt que vers les sources traditionnelles d’approvisionnement électrique.

Une énergie vraiment propre?

On peut se poser la question de l’impact environnemental de la production des panneaux solaires. Ils ne tombent pas du ciel, il faut les fabriquer et cela demande de l’énergie et des matériaux plus ou moins polluants. Là aussi, on entend tout et son contraire sur Internet. Heureusement, il y a de temps en temps une publication scientifique contenant des informations vérifiées, j’ai notamment trouvé une étude de chercheurs de New-York et des Pays-Bas qui, en gros, démontre que le cycle de vie complet des panneaux photovoltaïques – même de 1e génération – est l’un des plus propres en comparaison avec toutes les autres technologies de production d’électricité. Les cellules fines – dites de 2e génération – sont plus propres encore. En fouillant un peu plus loin, je me suis rendu compte que le souci n’est pas tellement du côté de la fabrication des cellules, mais plutôt dans le transport et la fin de vie des panneaux. Sur le transport d’abord: les panneaux solaires viennent essentiellement d’Asie (en 2010, les 2/3 de la production mondiale se partageaient entre la Chine, Taiwan et le Japon. La Chine a quintuplé sa production entre 2007 et 2010 pour devenir le n° 1 mondial, loin devant tout le monde, et ce n’est pas fini car la Chine qui avait doublé ses objectifs “solaires” pour 2015 après Fukushima vient de les augmenter de 50% encore fin 2011, les portant à 15GW), bon ceci dit, les panneaux solaires sont également essentiellement consommés en Asie. La Chine seule détenait près de 50% du marché en 2010 déjà et ce n’est pas près de baisser! Ça, donc, c’était pour le transport. Sur l’élimination des panneaux solaires maintenant:  jusqu’à récemment, rien n’était organisé – ni par les industriels ni par les autorités – pour la collecte et le recyclage des panneaux solaires. Selon “Usine Nouvelle” (si, si… Sorry…), en Europe en 2010, l’industrie photovoltaïque générait moins de 6’000 tonnes de déchets. Mais avec une croissance de 35% par année en moyenne, et compte tenu de l’espérance de vie moyenne de 25 ans des panneaux, quelque 130 000 tonnes sont attendues en 2030, ce qui peut commencer à devient un souci. Mais bon, il y a un marché pour la récupération du silicium et l’industrie allemande est en train de donner le “la” de la filière du recyclage. Côté français, une réglementation exige depuis le 1er janvier 2012 que tous les aspects du cycle de vie soient pris en compte avant installation.

Pour conclure sur les aspects environnementaux, j’ai trouvé une étude étude (pdf, 339 Ko) du laboratoire national pour l’énergie renouvelable, aux Etats-Unis commandée par le département américain de l’énergie et basé sur des recherches indépendantes néerlandaise et japonaise. Elle indique que le “payback”, en anglais, soit le retour sur l’investissement énergétique est atteint après 1 an pour les meilleures cellules (celles de 2e génération, nous allons voir ça dans un instant) et de 4 ans pour les cellules de 1e génération. En gros, il faut entre 1 et 4 ans aux panneaux solaires pour “rembourser” toute l’énergie nécessaire à leur production, toutes étapes du processus confondues, ce qui est particulièrement intéressant quand on sait que les panneaux ont une espérance de vie de 30 ans environ.

Et pourquoi pas une centrale solaire dans le Sahara?

Un des problèmes, c’est qu’on ne consomme pas toujours l’énergie là où le soleil brille. Prenons la vieille idée de recouvrir les zones inhabitées du Sahara de panneaux solaires. Vieille car elle a été évoquée la première fois par Franck Shuman, un inventeur américain, en 1913. Il a d’ailleurs créé la première centrale thermique solaire en Egypte à cette époque-là (1912-1913), un vrai fou.  L’idée est régulièrement classée puis ressortie des tiroirs. Séduisante sur le papier, elle n’a encore jamais mise en pratique pour plusieurs raisons:

  • Transporter l’énergie a un coût. Les pertes se limiteraient à quelque 3% par 1’000 kilomètres après conversion en courant alternatif à haute tension. Après 4’000 kilomètres traversés depuis le Sahara, on n’aurait donc paumé 12% du courant ainsi généré;
  • Le soleil ne brille que 12 heures par jour au maximum à l’équateur, on aurait quand même un problème la nuit, et c’est là que l’éclairage peut être utile…
  • Les panneaux solaires sahariens seraient soumis à des conditions extrêmes. On pense tout de suit aux tempêtes de sable, mais le problème n° 1 serait la chaleur. Pour éviter d’endommager les panneaux solaires, il faudrait les refroidir… Avec de l’eau! On commence à comprendre les soucis 😉
  • Et ce n’est pas tout! Le coût n’est pas négligeable. La fondation Desertec qui cherche à mettre en place des solutions de ce type estime que, pour le Sahara, ça coûterait la bagatelle de 500 milliards de dollars;
  • Le dernier problème à mon avis, qui ne serait pas des moindres, serait la question du pipeline. On le voit avec les oléoducs et les gazoducs, ils constituent un enjeu géostratégique majeur. Pourquoi en irait-il différemment avec des lignes à haute tension si couper un seul fil permettait de faire la pluie et le beau temps sur la politique internationale?
Bref, le Sahara recouvert de panneaux solaires, ce n’est pas pour demain.

Le projet de centrale orbitale de la NASA (Wikipédia)Dans ce cas, pourquoi pas voir encore plus grand avec une centrale solaire orbitale ?

Aussi incongru que ça puisse paraître, c’est un projet qui est pris très au sérieux et cela fait plus de 40 ans qu’on y consacre des recherches. Selon Wikipédia, c’est même la pré-étude la plus chère de la NASA à ce jour (50 millions de dollars entre 1978 et 1981). Depuis 2009, un consortium d’entreprises  japonaises s’y est mis également et en 2010 les industriels européens de l’EADS ont annoncé un projet (source Wikipédia). L’idée est assez simple: aller chercher le soleil, là où il est. Et transmettre à la Terre l’énergie ainsi collectée par une technologie sans fil, soit des micro-ondes soit un laser infrarouge. Les avantages seraient très nombreux:
  • Un rayonnement beaucoup plus intensif que sur Terre: hors atmosphère, l’efficacité de la collecte d’énergie serait à 144% du maximum obtenu sur Terre;
  • 24 heures d’ensoleillement par jour toute l’année au lieu de 12 en moyenne sur Terre;
  • Elimination des problèmes liés à la météo;
  • Pas d’interférence avec les plantes et les animaux;
  • Transmission possible à différents points de collecte sur Terre, pas forcément toujours le même.
Très séduisant sur le papier, mais évidemment, il faut encore faire face à quelques petites bricoles, comme…
  • Acheminer tout cela dans l’espace; les coûts financiers et écologiques des lancements sont exorbitants. J’ai trouvé une simulation intéressante sur la version anglaise de wikipédia:

Pour donner une idée du problème, en admettant que la masse d’un panneau solaire soit de quelque 20 kg par kilowatt (sans compter la structure, l’antenne, les miroirs), une station de 4 GW pèserait quelque 80’000 tonnes. Des conceptions hyper légères pourraient peut-être optimiser tout cela d’un facteur 20. Admettons: 4’000 tonnes pour une station d’une capacité de 4 GW. Il faudrait entre 40 et 150 fusées pour envoyer le matériel en orbite basse où d’autres fusées plus légères prendraient le relais pour les placer en orbite géostationnaire. Ce processus seul coûterait déjà 11 milliards de dollars pour la conception légère, 320 milliards pour la conception classique. Pour 4 GW. En comparaison, les centrales nucléaires ou à charbon reviennent à 3 à 6 milliards par GW (sans inclure les coûts cachés liés à ces centrales)

S’il faut attendre l’ascenseur spatial pour régler le problème, on peut encore rigoler quelques années 😉

  • Entretenir l’installation (soumise à des rayonnements violents, à des pluies d’astéroïdes, bref à tout ce dont nous sommes bien protégés sur la Terre ferme);
  • Et surtout… Transmettre l’énergie. Ce serait une grande première! Aujourd’hui, qu’on opte pour le laser ou les micro-ondes, on ne sait transmettre de l’énergie que sur quelques kilomètres, avec des pertes importantes.

L’avenir du photovoltaïque

L’avenir du photovoltaïque est peut-être en orbite, mais il est peut-être plus proche de nous. Peut-être dans les centrales solaires thermodynamiques. C’est une approche relativement nouvelle qui consiste à collecter indirectement la lumière du soleil après l’avoir concentrée avec des miroirs. Contrairement aux cellules photovoltaïques, les miroirs ne coûtent pratiquement rien à fabriquer. On obtient de meilleurs résultats sans augmenter le nombre de cellules, c’est plutôt intéressant.

L’avenir se situe peut-être aussi plus près de nous encore, dans nos vêtements ou nos rideaux… En effet, les panneaux solaires ne sont plus condamnés à être noirs, moches et rigides. Enfin, noirs, c’est quand même recommandé… Car c’est la couleur qui absorbe le plus de photons, ce serait dommage de s’en priver.

Les cellules de 2e génération

Les cellules suisses Flexcell, un exemple de cellules de 2<sup>e</sup> générationOn appelle les cellules de 2e génération les cellules à couches minces. Elles sont une évolution des cellules de 1e génération: réalisées avec du silicium mais en couches extrêmement fines. Elles peuvent aussi être réalisées avec autre chose que du silicium, du tellurure de cadmium par exemple. La technologie est mûre mais elle ne cesse d’être optimisée. On sait maintenant produire des cellules à nano-structures qui ne dépassent pas les quelques centaines de microns d’épaisseur. Elles présentent deux avantages et un inconvénient par rapport aux cellules de 1e génération: elles sont nettement moins chères à produire (car ne contiennent que très peu de matière première) et esthétiquement beaucoup plus intéressantes, car elles peuvent être installées sur des substrats souples plutôt que sur du verre. Certaines entreprises les conditionnent en nattes assez géniales pour voyager dans les zones reculées; vous les enroulez dans votre sac à dos pendant les déplacements et vous les disposez au soleil pendant les pauses pour recharger les batteries et faire bouillir l’eau du thé. Ça, c’est pour les avantages. Au niveau des inconvénients, les rendements sont encore nettement moins bons. Les cellules de ce type qu’on trouve dans le commerce atteignent des rendements de l’ordre de 9%. Mais ce n’est pas fini, la recherche continue. Les prototypes atteignent 13%. Et en laboratoire, on arrive à des rendements de 20%. Le fer de la lance de la recherche dans le domaine est un laboratoire suisse, le PV-Lab de l’EPFL, dirigé par Christophe Ballif et  basé à Neuchâtel en Suisse. Le laboratoire repousse sans arrêt les limites de la technologie. Les chercheurs qui y travaillent viennent par exemple, en décembre dernier, en partenariat avec la R&D d’un industriel, d’atteindre un nouveau seuil dans l’efficacité pour cette technologie en atteignant un rendement de 21%.

Les cellules de 3e génération

Encore plus intéressantes puisqu’elles ont réussi à se débarrasser du silicium et la jonction P-N (et donc de la fameuse limite de Schockley-Queisser). Là, on a essentiellement 3 approches:

  • les cellules Grätzel, du nom de leur génial inventeur, le Professeur Michaël Grätzel, de l’EPFL. Ces cellules à pigment photosensible s’inspirent de la photosynthèse, et, même si leur rendement est encore relativement faible (12.3% aux dernières nouvelles), il ne cesse de grimper et pourrait théoriquement atteindre 30%. La cellule n’étant composée que de matériaux low-tech qui ne coûtent rien ou presque à produire, son ratio efficacité/coût bat à plates-coutures celui des cellules en silicium.
  • en Suisse encore, à l’EMPA, cette fois, nous avons le professeur Ayodhya Tiwari dont l’équipe a pulvérisé les records l’année dernière avec les cellules CIGS. Ce sont des cellules à couches minces à base de cuivre, d’indium de gallium et de (di)selenide, d’où leur nom. Ces cellules atteignent le rendement hallucinant de 18.7%, les fabricants de panneaux en silicium ont du souci à se faire 😉
  • enfin, en Suisse encore, nous avons également le professeur Nüesch qui dirige à l’EMPA également, près de Zürich le laboratoire de polymères fonctionnels. Ses travaux portent sur des cellules organiques. Non seulement, elles se passent de silicium, mais elles se passent carrément du panneau solaire!  A partir de là, tout peut devenir solaire: vêtements, écrans souples, stores… Encore assez éloignées du marché leur rendement est assez modeste (quelque 5%) mais l’approche est prometteuse!

Pour conclure…

On aurait pu parler des politiques d’encouragement des énergies renouvelables et de mille choses encore. Mais il aurait fallu faire pour cela un deuxième dossier. Avant de conclure, je voudrais juste mettre un peu les choses en perspective: nous avons parlé du photovoltaïque, mais finalement que représente-t-il en proportion de l’énergie produite et consommée sur Terre? L’agence internationale de l’énergie estime dans un récent rapport (pdf en anglais 2.6Mo) que le photovoltaïque pourrait fournir 5% de l’électricité globalement consommée en 2030 et jusqu’à 11% en 2050. OK, mais aujourd’hui, on en est où?

Une fois encore, ça se gâte pour trouver les chiffres: ceux que l’AIE fournit sur son site web datent de 2007. Ceux de Wikipédia proviennent des stats de BP (pdf) et ne sont pas à jour non plus. Du coup, j’ai renoncé au monde et je me suis rabattu sur les chiffres français (pdf, 922 ko). Un pays comme un autre, en somme… Ce sont les chiffres pour 2010. Et l’intro du rapport nous rapidement la perspective: “Le photovoltaïque triple, mais demeure marginal”. Et effectivement si on regarde la structure de la production totale brute d’électricité en France, le photovoltaïque est beau dernier dans le tableau pour 2010:

Photovoltaïque: 0.1% (ce qui est quand même nettement mieux que les 0.0% pour 2009 😉 )
Eolien: 1.7%
Thermique classique: 11%
Hydraulique: 11.9%
Nucléaire: 75,3%

Ressources

Une vidéo très sympa de Sci-show que j’ai trouvée pendant la rédaction du dossier. En anglais, excellente présentation, super bien construit, mais attention, à mon avis, toutes les sources n’ont pas été scrupuleusement vérifiées.

 

Podcast science 69 – Les cellules souches

Podcast Science
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Podcast science 69 – Les cellules souches

Le dossier de la semaine

Le dossier très digeste de Hélène sur les cellules souches et tout ce qu’elles nous permettent de faire.

Cette semaine, Hélène fait l’état des lieux sur la technologie des cellules souches et ses nombreuses applications prometteuses.

Une petite vidéo en prime sur les premiers stades de l’embryogénèse !

 

Les quotes de la semaine

“If human embryonic stem cell research does not make you at least a bit uncomfortable, you have not thought about it enough.”

[Si la recherche sur les cellules souches embryonnaires ne vous dérange pas au moins un peu, c’est que vous n’y avez pas assez réfléchi]. James Thomson, le premier a avoir isolé et cultivé des cellules souches embryonnaires humaines.

“Il vaut mieux renoncer à chercher la vérité que de le tenter sans méthode.”

Descartes.

Cellules souches – un pas vers l’immortalité?

LnArnal
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Cellules souches – un pas vers l’immortalité?

Dossier de Héléne dans l’épisode #69.

Souvent présentées comme l’avenir de la médecine, les cellules souches sont déjà au cœur de certaines thérapies. Si elles sont sources d’espoir pour bon nombre de personnes, l’utilisation d’embryons surnuméraires humains pose des questions éthiques. Pour pouvoir répondre à ces questions, il est important de bien comprendre ce que sont les cellules souches, quels sont leurs pouvoirs et leurs limites.

Mais avant d’entrer dans le cœur du sujet, je vais faire un tour rapide autour de la biologie de la cellule. Je ne parlerai ici que des cellules des êtres pluricellulaires et plus particulièrement des animaux. Bien qu’ayant chacune un rôle bien défini, presque toutes les cellules d’un être vivant contiennent une copie intégrale du génome de cet individu dans leur noyau.

Quelques bases de biologie cellulaire

La division cellulaire

La division cellulaire se passe en deux grandes phases : l’interphase et la mitose. Durant l’interphase, la cellule croît et se prépare à la division qui a lieu durant la mitose. L’interphase est elle-même découpée en plusieurs périodes :

  • La première appelée G1 est le moment où la cellule croît et fonctionne selon sa « programmation » (synthèse de protéines, communication avec les cellules environnantes…)
  • La deuxième est la phase S; c’est au cours de celle-ci que l’ADN est dupliqué. C’est à ce moment-là que les chromosomes prennent la forme de X dans laquelle on les représente régulièrement. Ils sont en fait composés de 2 chromatides reliées entre elles par le centromère.
  • La troisième et dernière phase est la phase G2: la cellule se prépare à se diviser en finissant de croître.

Durant les phases G1 et G2, il existe des points de non-retour enclenchant le passage à la phase suivante. Il existe également une phase de repos G0.  C’est la seule phase durant laquelle la cellule remplit ses fonctions au sein de l’organisme. La plupart de nos cellules sont donc en phase G0.

La régulation du cycle cellulaire est fine et dépendante de nombreux facteurs dont la présence suffisante de nutriments, l’absence de poisons et la présence de facteurs de croissance. Les cellules ont également besoin d’un point d’ancrage. Cela empêche une croissance trop importante de leur nombre.

La mitose est plus courte mais également divisée en 4 phase (prophase, métaphase, anaphase, télophase) durant lesquelles les chromatides s’alignent, se séparent et intègrent un nouveau noyau. De cette façon, chaque cellule fille obtient une copie du génome de l’individu.

Durant la mitose, l’ADN est compacté au maximum, c’est d’ailleurs le seul moment où l’on peut observer les chromosomes. L’ADN est enroulé autour de protéines histones puis enroulé sur lui-même plusieurs fois. A ce niveau de  compression, aucun gène n’est exprimé.

Les différents types de cellules (formes, fonctions)

Il existe une grande variété de types de cellules qui diffèrent dans leurs formes et leurs fonctions. Ainsi les neurones présentent des ramifications (axones) qui peuvent être très longues (quasiment la taille de l’individu pour les cellules des nerfs des pieds), tandis que les cellules adipeuses sont rondes et composées en grande partie d’une gouttelette de graisse. La forme d’une cellule est dépendante de sa fonction.

Selon sa fonction, chaque cellule exprimera les gènes nécessaires à son fonctionnement et à sa fonction : protéines liées à la production d’énergie, protéines permettant la production d’hormones pour les cellules endocrines, production de neurotransmetteurs par les neurones…

Les différents types de cellules sont plus ou moins capables de se diviser. Ainsi les cellules épithéliales (de la peau, de la paroi intestinale) se divisent fréquemment.  Les cellules hépatiques sont capables de se diviser mais ne le font qu’en cas de nécessité, en particulier de lésion. Les cellules les plus spécialisées telles que les neurones, les fibres musculaires sont incapable de se diviser.

Au niveau du noyau, la différenciation implique une condensation des zones de l’ADN inutiles à la cellule et une décondensation des zones nécessaires à son bon fonctionnement. On observe également chez les vertébrés, une forte méthylation de zone de l’ADN (ajout d’un groupement CH3) pour inactiver les gènes.

La mort cellulaire et les télomères

Contrairement aux bactéries, les eucaryotes ont des chromosomes non-circulaires. À leurs extrémités, on trouve les télomères. Il s’agit de zones hautement répétitives dont l’un des brins est  plus long que l’autre et se replie sur lui-même. Cela indique la fin normale du chromosome et évite à la cellule de vouloir réparer l’ADN en le collant à un autre chromosome. Les télomères renforcent également l’extrémité de la molécule  d’ADN empêchant les deux brins de se détacher.

Mais, l’ADN polymérase (l’enzyme dupliquant l’ADN) est incapable de copier l’ADN jusqu’au bout. Ainsi à chaque mitose, les télomères se raccourcissent. Cependant, il existe une enzyme qui permet de synthétiser de l’ADN télomérique : la télomérase. Cette enzyme est présente et active dans les cellules germinales et les cellules cancéreuses. Sa faible activité dans les autres cellules les  limite à une quarantaine de divisions. Une cellule sans télomère n’est pas viable et se suicide.

En effet, les cellules peuvent se suicider. Cette capacité est importante chez un être multicellulaire car cela permet une régulation de la population de cellules et une destruction des cellules « défectueuses ». Cette mort programmée ou apoptose se met en place lors d’atteintes graves du génome ou lors de la réception d’un message externe à la cellule. Lors de l’apoptose, la cellule se désagrège après avoir coupé son ADN en morceaux. Elle attire à elle les phagocytes qui absorberont ses restes.

Les cellules cancéreuses

Les seules cellules qui ne peuvent pas entrer en apoptose sont les cellules cancéreuses. Lorsqu’on étudie leur génome, on observe de très fortes modifications génétiques (mutations, translocations – déplacement d’un fragment de chromosomes sur un autre) qui vont inactiver les systèmes de réparation de l’ADN et activer les systèmes de prolifération cellulaire. Les cellules cancéreuses vont alors se diviser rapidement et envahir le corps du malade, empêchant les organes vitaux de fonctionner. Cela entraîne la mort de la personne. Tant qu’elles ont des nutriments, les cellules cancéreuses sont immortelles: elles se divisent à l’infini. Caractéristique qu’elles ont en commun avec les cellules souches.

Les cellules souches

Les différentes cellules souches

Une cellule souche est une cellule capable de se diviser à l’identique et de se différencier en plusieurs types de cellules. Il existe plusieurs types de cellules souches qui ne peuvent pas (ou plus) se différencier en certains types cellulaires.

  • Les cellules souches totipotentes : de toti « tout » et poti « pouvoir ». Il s’agit des cellules permettant le développement d’un individu complet (embryon et annexes embryonnaires – placenta, cordon ombilical). Il s’agit chez l’homme de la cellule-œuf jusqu’au stade morula (2 à 8 cellules). C’est uniquement à ce stade que sont possibles le clonage reproductif  (cas des vrai jumeaux) ou l’absorption d’embryon (c’est ce qu’on a vu avec les singes chimères dans l’actualité scientifique de la semaine dernière).
  • Les cellules souches pluripotentes : ce sont toujours des cellules embryonnaires mais elles ne peuvent pas créer les annexes embryonnaires et donc un individu complet in-vivo. Elles proviennent de la masse cellulaire interne du blastocyste (40 cellules max.)
  • Les cellules souches multipotentes : on les trouve chez l’embryon et chez l’adulte. Ces cellules ont commencé à se différencier, elles ne peuvent donner que certains types de cellules. Ce sont des cellules déterminées. Par exemple, les cellules hématopoïétiques donnent les globules rouges, les plaquettes, les lymphocytes et les macrophages. On retrouve ces cellules dans la moelle [update]épinière osseuse[/update] et dans le sang de cordon.
  • Les cellules souches unipotentes : Elles ne donnent qu’un seul type de cellule mais elles s’auto-renouvellent. C’est le cas des cellules épithéliales (peau, intestins), du foie ou des testicules. Elles permettent en particulier une régénération lors d’une lésion. A l’opposé, le cœur ou le pancréas ne referment pas de cellules souches. Il leur est impossible de se régénérer.
  • Les cellules souches induites (iPES) : Ce sont des cellules souches pluripotentes obtenues à partir de cellules différenciées. Cette dédifférenciation se fait par l’injection de 4 gènes via un vecteur viral. La technique a été mise en place par le Pr Shinya Yamanaka en 2007. Avec 2 gènes de plus, Jean-Marc Lemaitre et son équipe ont réussi en novembre dernier à rajeunir une cellule sénescente de la peau à revenir des cellules souches pluripotentes. L’intérêt de cette technique est d’obtenir des cellules souches équivalentes à des cellules souches embryonnaires sans détruire un embryon et ayant le même génome que le patient.

Possibilité de recherche et thérapeutique et les problèmes

L’intérêt thérapeutique principal des cellules souches est de créer des organes ou des tissus à partir d’une cellule. Ces organes pourraient alors être transplantés chez un patient sans avoir recours à un donneur d’organes. Ce genre de régénération est déjà à la base de culture de peau dans le cas des grands brûlés ou la greffe de moelle osseuse dans des cas de maladie du sang.  Dans le premier cas, des cellules de la peau du patient sont mises en culture pour favoriser leurs divisions et ainsi créer plus rapidement des tissus pour aider la cicatrisation. Pour la greffe de moelle osseuse, l’idée est d’implanter des cellules hématopoïétiques saines qui permettraient la production de cellules sanguines saines par l’organisme du malade. De plus, dans le cas des cellules souches induites, les organes ainsi obtenus seraient totalement compatibles et cela éviterait le rejet de la greffe.

Il serait également possible de faire de la toxicologie prédictive. L’idée est de tester la toxicité des certaines molécules sur des lignées cellulaires in vitro mais également l’efficacité et l’innocuité des molécules thérapeutiques. L’idée est d’ainsi limiter les tests sur les animaux.

Les cellules souches embryonnaires permettent de mieux connaître le développement humain, en particulier le développement de certaines maladies génétiques, et de trouver des molécules capables de restaurer un développement normal. De plus en comprenant mieux les mécanismes liés au renouvellement des cellules souches, les chercheurs pourraient mieux comprendre les mécanismes moléculaires à l’origine des tumeurs.

Mais récemment les espoirs thérapeutiques des cellules souches ont été mis à mal. Tout d’abord par trois articles publiés en mars dernier dans Nature regroupés sous le titre de “Cellules souches : la face sombre”. Les cellules souches induites pourraient induire des cancers. En effet, la reprogrammation cellulaire induirait un risque plus élevé que la normale de créer des cellules cancéreuses. Cette technique entraineraît des anomalies génétiques multiples. L’intérêt thérapeutique de ces cellules se retrouve ainsi réduit.

Une mauvaise nouvelle n’arrivant jamais seule, le 14 novembre 2011, le laboratoire Geron annonçait l’arrêt de ses essais cliniques sur l’utilisation de cellules souches embryonnaires pour soigner des personnes ayant eu un traumatisme au niveau de la moelle épinière. Si les raisons évoquées sont de l’ordre financier, certains penchent pour un manque de résultats.

Cela démontre que la thérapie cellulaire n’est pas pour tout de suite et qu’on connaît encore mal tous les processus de régulation de la prolifération et de la différenciation cellulaire. Si théoriquement ces cellules peuvent guérir de nombreuses maladies et traumatismes, leur usage est encore réduit à quelques types de traitements.

Restent de nombreuses questions éthiques importantes liées à l’utilisation de cellules souches en particulier embryonnaires. C’est pour cela qu’il est important d’évaluer les potentiels et les risques de ces recherches et de ces thérapies. D’autant plus que les cadres de ces recherches ne sont pas uniquement fixés par les financements mais également par les lois telles que la loi bioéthique régulièrement révisée.  Il est important que ces questions soient débattues par la société pour éviter une impression de savants fous.

 

Sources :

Pour les bases :

Sur les cellules souches :

Et en anglais :

Podcast science 68 – La mémétique

Podcast Science
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Podcast science 68 – La mémétique

Le dossier de la semaine

Problèmes d’echo ! L’enregistrement de cette semaine souffre d’un léger problème d’echo. Nous sommes sincèrement désolés de cet aléas technique. Sachez que nous avons identifié la cause du problème et devrions pouvoir le corriger pour la semaine prochaine.

La mémétique – ou la théorie de l’évolution appliquée à la culture: le dossier très complet de Franck

La vidéo TED de Susan Blackmore évoquée à la fin du dossier:

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Pas tellement le temps pendant l’émission cette semaine, mais juste une quand même:

Plus qu’une semaine pour participer au concours de la 500ème de SSAFT. Hurry Up!

Rappel du principe:

Réaliser une œuvre de vulgarisation scientifique, à la manière de SSAFT: des sujets étonnants, de l’humour, de l’imagination et beaucoup de Funk!4 formats possibles:
– Un article de blog de 1000 mots (et maximum 10 images ou vidéos).
– Une planche de BD d’1 page au format A4.
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Vous avez le droit de participer à chacun des thèmes, mais une seule production par thème par contre.

Deadline: le 20 Janvier
Adresse: pierrekerner(at)yahoo.fr
Pleins de cadeaux!
http://t.co/zbEHqupB

Les quotes de la semaine

Ln:  vu sur twitter

Je n’ai jamais rencontré d’homme si ignorant qu’il n’eut quelque chose à m’apprendre. #Galilée.

par Carole Chatelain (rédactrice en chef à science et avenir)

Alan: vu sur twitter également:

qq part on touche tous un peu la lune qd sa lumiere nous atteint le soir. j’trouve ça émouvant

par Laurent (@Kasstout)

Prochaine émission: RDV le 18 janvier avec Ln qui nous parlera des cellules souches!

Bonne semaine!

Dossier – Théorie de la mémétique

Franck
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Dossier – Théorie de la mémétique

 

Dossier présenté dans l’épisode #68.

 

La mémétique révèle-t-elle l’existence d’un nouveau réplicateur ?

Mème, mémétique, ces mots ne figurent dans aucun dictionnaires officiels francophones. La société française de mémétique nous propose cette définition de la mémétique :

La mémétique est une théorie évolutionniste des phénomènes culturels.

Voyons de plus près cette définition de la mémétique.

Pour la partie phénomènes culturels, il faudrait pouvoir définir la culture, ce qui relève grosso-modo de l’impossible : le dictionnaire Larousse propose à lui seul 5 définitions différentes, et ce n’est qu’un maigre aperçu de la profusion de définitions prêtées à ce terme. Cependant, pour résumer toutes ces définitions, il est communément admis que le terme culturel s’oppose au terme naturel. Le culturel relève donc des comportements, connaissances, croyances, savoir-faires (en fait, tout phénomène idéologique ou matériel) qui sont acquis au cours de l’existence par action de l’environnement, alors que le naturel, relève de ceux qui sont innés, indépendant de l’environnement.

Evidemment, la frontière entre les deux, culturel et naturel, n’est pas scientifiquement déterminée, il y a de nombreuses intrications, et c’est un très vaste sujet.

La définition était : La mémétique est une théorie évolutionniste des phénomènes culturels. Ok pour phénomènes culturels.

Théorie évolutionniste… L’évolutionnisme (voir le dossier de Marco) désigne la théorie, aujourd’hui de consensus scientifique, s’opposant au fixisme, et voulant que les espèces vivantes actuelles soient le fruit d’une évolution au cours du temps. Cette théorie scientifique de l’évolution est apparue à la fin du 19ème siècle, avec les naturalistes Lamarck, mais surtout Darwin en 1859. Darwin présente dans l’Origine des espèces le mécanisme de sélection naturelle, qu’il estime être le moteur de l’évolution des espèces. Ce mécanisme se résume en 3 principes.

–Principe de variation : les individus au sein d’une population sont différents. (cette différence entre individus est due au hasard)

–Principe d’adaptation : Les différences entre individus, liées au principe de variation, induisent des différences du taux de reproduction de ces individus. On parle de valeur sélective, ou fitness en anglais. Le fitness est donc différentiel entre individus.

Donc principe de variation, les individus diffèrent. Principe d’adaptation, ces différences influencent le taux de reproduction des individus. Et il manque un dernier principe pour que l’algorithme de la sélection naturelle fonctionne :

–Principe d’hérédité : Les caractères des individus sont transmis à la descendance. On parle donc de fitness héréditaire.

Variation, adaptation, hérédité.

Aujourd’hui un large consensus scientifique porte sur la théorie synthétique de l’évolution, ou néodarwinisme. Pourquoi synthétique et pourquoi néo ? Parce-qu’il manquait dans la théorie de Darwin l’explication, où plutôt le support et le mécanisme du principe d’hérédité, qu’il avait conjecturé. C’est Mendel, avec sa théorie de l’hérédité décrivant la transmission des gènes aux descendants, qui apporte la réponse à ce manque. La théorie synthétique de l’évolution est donc la synthèse de la génétique mendélienne et de la sélection naturelle de Darwin. C’est aujourd’hui la seule approche scientifiquement valable de l’évolution.

Revenons-en à notre définition : Théorie évolutive des phénomènes culturels.

Rappellez-vous, la culture s’oppose à l’inné, au naturel, à l’héréditaire. Et quel est le support de l’hérédité, en biologie ? On vient de le voir, ce sont les gènes. La culture désigne donc tout ce qui n’est pas apporté par nos gènes.

Et pourtant, la mémétique se définit comme une théorie évolutive des phénomènes culturels. Si c’est une théorie évolutive au sens darwinien du terme, elle repose sur l’hérédité génétique. Elle tend pourtant à expliquer ce qui par définition s’oppose aux gènes. on est face à une belle contradiction, entre l’évolution, qui a pour support le gène, et le culturel, qui par essence, s’y oppose.

Ou alors s’agit-il d’une simple transposition, métaphorique, de la théorie de l’évolution à des cultures, considérées alors comme des êtres vivants, évoluant. Qu’en et-il ?

Nous allons déblayer le terrain, et commencer par voir que la théorie de l’évolution de Darwin a beaucoup évoluée, et qu’un principe essentiel qui avait échappé à darwin en émane, et va nous permettre de contourner ces difficultés : le réplicateur.

1 – Le gène égoïste

1°) Les systèmes de modification-restriction

Génome bactérien

Cette partie es tinspirée d’un article de M.Rocha de l’université de Jussieu, disponible par ici.

Partons chez les bactéries. Là, l’ADN n’est pas protégé par un noyau. Il flotte librement, ce qui le rend plus vulnérable aux mutations et aux agressions

Une autre conséquence est que la machinerie enzymatique nécessaire à l’entretien de cet ADN flotte également librement dans la bactérie. Dès lors, il suffirait théoriquement d’introduire une molécule d’ADN dans la bactérie, pour que cette molécule soit transcrite et répliquée comme l’ADN bactérien lui-même.

Donc le plus souvent, on a un gros ADN bactérien « officiel », et on a quelques petites molécules d’ADN « parasite », qui l’accompagnent. Ce sont les plasmides. Ils profitent de la machinerie enzymatique bactérienne pour se répliquer tout comme l’ADN « officiel » de la bactérie. Ces plasmides peuvent être utile à la bactérie, où au contraire la parasiter en lui apportant des fonctions inutiles ou nocives, comme dans le cas des virus bactériens ou bactériophages (voir les dossiers sur podcast science ici et ici), sur lesquels je reviendrai.

Les SMR

Comme je le disais, il suffirait donc, vu que toutes les enzymes nécessaire à la réplication de l’ADN sont en « open-source » dans la bactérie (pas protégée par le noyau) il suffirait d’inttroduire de l’ADN dans la bactérie pour que celui-ci soit entretenu comme l’ADN « officiel ». Cependant, ça n’est pas exactement vrai, pour plusieurs raisons, dont la principale : ce qu’on appelle les systèmes de modification-restriction.

Il s’agit en fait d’une enzyme, très utilisée dans le domaine de la biologie moléculaire, appelée enzyme de restriction ou endonucléase. Le terme endonucléase étant un peu plus opaque je resterai sur enzyme de restriction. L’enzyme de restriction a pour fonction de couper l’ADN dès qu’elle reconnaît un motif qui lui est spécifique. Chaque type d’enzyme de restriction reconnaît un motif spécifique sur la chaîne d’ADN, par exemple la séquence CCGG, et coupe la molécule d’ADN lorsque elle le reconnaît. Une fois coupée en plusieurs fragments, l’ADN n’est plus fonctionnel et va progressivement disparaître.

Ces enzymes de restriction s’attaquent indifféremment à n’importe quelle molécule d’ADN, même celui de la bactérie. Si elles y rencontrent leur motifs, elles le découpent, comme si c’était de l’ADN étranger.

La bactérie a donc mis au moins point un système de modification de son propre ADN pour le protéger contre ses propres enzymes de restriction.

Il s’agit d’une autre enzyme, une méthylase (voir les dossiers sur podcast science, l’épigénétique), qui va rajouter un groupement chimique dit méthyl sur l’ADN au niveau des sites reconnus par l’enzyme de restriction, et ce groupement méthyl bloquera l’action de l’enzyme de restriction. Elle permettra de protéger l’ADN, donc.

L’action conjointe de ces deux enzymes forme le système dit de modification-restriction, ou SMR. Il existe de très nombreux SMR chez la plupart des bactéries. Chaque SMR différe principalement d’un autre par la séquence qu’il reconnaît et coupe sur l’ADN. La plupart du temps, il s’agit de séquence dites palindromes, de 4 à 6 bases (les bases sont les lettres qui composent l’ADN). Une séquence palindrome est une séquence qui se lit identiquement dans les deux sens. Finalement, il y a tellement de SMR existant que toute séquence palindromique de 4 à 6 caractères est associée à un SMR (sauf une… sur beaucoup).

Revenons un peu sur la sélection naturelle darwinienne. On a donc un individu, la bactérie, soumis a une pression de sélection, l’infection par les bactériophages, ces virus prédateurs qui introduisent leur ADN dans la bactérie.

On a un caractère de variation (le premier principe de la sélection naturelle de Darwin), la présence du système de modification-restriction.

Et on va dire que la sélection naturelle a permis aux bactéries dotées du SMR de se multiplier car elle disposait d’une meilleure adaptation (deuxième principe), un meilleur taux de survie, à leur environnement qui incluait des bactériophages.

Vraisemblablement, la théorie de la sélection naturelle darwinienne expliquerait la présence et la multiplication des SMR chez la bactérie, par la protection que ceux-ci leurs conférerait vis-à-vis des bactériophages.

Nous allons voir qu’il n’en est peut-être rien, et que cette situation impose de reformuler la théorie de la sélection naturelle.

Les bactériophages ne peuvent donc pas introduire leur ADN dans la bactérie, car celui-ci serait découpé par les enzymes de restriction. Evidemment, des parades existent. La plus utilisée d’entre elles est l’évitement des palindromes. On a vu que les Edr reconnaissaient spécifiquement les palindromes de 4 à 6 nucléotides sur l’ADN. Que vont faire les phages ? Du fait de la redondance du code génétique (plusieurs séquences d’ADN peuvent avoir la même signification, ou il y a plusieurs moyens de dire la même chose), les séquences palindromiques sont évitées dans la séquence du bactériophages et remplacées par d’autres séquences qui auront la même signification. Pas de palindromes, les enzymes de restriction ne reconnaissent aucun site , l’ADN du bactériophage peut librement s’introduire dans la bactérie et s’y multiplier.

On a très bien montré que le génome des bactériophages, contenait très peu de palindromes. Mais, premier problème dans cette approche darwinienne pure, on s’aperçoit que le génome bactérien contient également très peu de palindromes. Par ex chez Haemophilus influenzae, les 7 mots de 4 lettres les plus évités dans l’ADN sont des palindromes. Pas de panique, quelques explications sont possibles, l’ADN bactérien peut s’être progressivement adapté à des dysfonctionnements des SMR, diminuant progressivement la fréquence des palindromes. Les échanges génétiques interbactériens sont également fréquent, et les SMR ne reconnaissant pas tous les même séquences, les gènes naturellement pauvres en palindromes naturellement s’imposer au fil du temps et des confrontations à de nouveaux SMR. Mais vous remarquez qu’on vient de franchir un pas, l’air de rien : on parle de sélection naturelle, mais non plus appliquée à des individus, les bactéries, mais à de l’ADN, c’est à ire à des gènes …

Deuxième difficulté, et cette fois, majeure, on s’aperçoit que les SMR ne sont pas efficaces pour protéger les bactéries.

En effet, statistiquement, il y a très souvent un bactériophage qui parvient à ce que son ADN soit méthylé par la bactérie, avant d’être découpé. Cet ADN devient donc protégé contre le SMR, et va pouvoir se multiplier, en continuant à bénéficier de la méthylation protectrice pour lui et tous ses descendants qui pourront finir d’infecter la colonie.

Autre point, on observe que la perte des gènes d’un SMR est mortelle pour la bactérie. En effet, si les gènes d’un SMR mutent, la production d’enzyme s’arrête. Et les enzymes de restriction restent plus longtemps fonctionnelles que les enzymes de protection. Résultat, l’ADN finit par n’être plus protégé, et se fait découper par les enzymes de restriction, entraînant la mort de la bactérie.

Pour finir, dernier point, et de taille, certaines expérimentations montrent que finalement, l’évitement des séquences palindromes est plus coûteux pour la bactérie, que pour le bactériophage.

En conclusion, on a un caractère, la présence du système SMR, qui n’a pas vraiment d’explication dans la vision darwinienne de la sélection naturelle : son utilité dans l’amélioration de la survie des bactéries n’est pas prouvée. Son impact phénotypique est même négatif, et pourtant le caractêre se répand, largement et universellement, au sein d’une espèce ….

Un microbiologiste de la fin du XXème siècle en arrive ainsi à cette conclusion, au sujet des SMR :

Si une mutation peut augmenter la probabilité de subsistance de l’ADN sans manifestation phénotypique, alors des séquences d’ADN dont la seule raison d’être est leur propre préservation vont apparaître et se maintenir par sélection non-phénotypique, tant que leurs capacités de reproduction dans le génome compenseront leurs poids phénotypique négatif.

2°) Dawkins et « Le gène égoïste »

C’est environ à ce moment qu’un biologiste anglais, Dawkins, propose d’apporter quelques modifications à la théorie synthétique de l’évolution. Dans « le gène égoïste », en 1976, il introduit la notion de réplicateur égoïste. C’est cette notion, qui avait échappé à Darwin, et qui va nous permettre de mieux comprendre la définition de la mémétique.

Le gène comme réplicateur égoïste

Qu’est ce qu’un réplicateur ?

Un réplicateur est une entité qui produit des copies de lui-même, pour faire simple. Cette entité est considérée dans la théorie de Darwin comme étant l’individu. L’individu produit des copies de lui-même. C’est l’acteur et le sujet de la sélection naturelle. Dawkins propose une vision différente, pour lui équivalente. Il propose de considérer que le réplicateur n’est pas l’individu, mais le gène. L’individu n’est plus alors qu’une machine à faire survivre les réplicateurs. « Un singe est une machine qui préserve les gènes dans les arbres, un poisson est une machine qui préserve les gènes dans l’eau » L’individu devient un outil au service du vrai réplicateur, le gène. Le nom d’interacteur sera ensuite proposé pour cette notion de machine à faire survivre les gènes.

L’interacteur est l’entité qui interagit comme un tout avec l’environnement de telle façon que sa réplication devienne différentielle.

La sélection naturelle devient un processus dans lequel l’extinction et la prolifération d’interacteurs sont les causes de perpétuation différentielle des réplicateurs qui les produisent.

Dans cette vision, l’entité soumise à la sélection naturelle n’est pas l’individu-interacteur, dont l’existence est de toute manière éphémère, mais le gène, qui porte le caractêre égoïste, indissociable pour Dawkins de l’essence d’un bon réplicateur.

Cet égoïsme ne se retrouve pas chez les espèces animales. Les caractéristiques principales d’un réplicateur égoïste définies par Dawkins sont la longévité (ou stabilité), la fidélité de la réplication et la fécondité.

Le gène est très stable, certains gènes n’ont pas évolué depuis des millions d’années, comme par exemple les gènes des ADN polymérase, qui sont les mêmes chez la plupart des eucaryotes, alors que les espèces apparaissent et disparaissent au fil du temps, et les individus sont encore plus éphémères. Si l’individu au sens darwinien du terme était réellement égoïste, la longévité des espèces vivantes serait augmentée.

La fidélité est la capacité du réplicateur à se répliquer à l’identique. Un gène, lorsqu’il est répliqué, jouit d’un dispositif faisant très peu d’erreurs. En revanche, la reproduction sexuée est un phénomène qui diminue beaucoup la fidélité de la réplication d’un individu, notamment par le processus de crossing-over. Encore une fois, l’individu n’est pas égoïste de cet aspect. Il ne se réplique pas à l’identique. Le gène en revanche n’est pas impacté par ce processus, qui lui conserve son intégrité, en changeant juste son environnement chromosomique.

Enfin la fécondité, pour Dawkins, désigne la capacité du réplicateur à produire de nombreuses copies de lui-même.

Dawkins nous explique donc que les individus peuvent être considérés comme de simples machines à répliquer les gènes. L’existence des SMR chez les bactéries, ou des gènes semi-létaux chez l’homme montrent que cette vision permet d’expliquer l’existence de certains caractères que la sélection naturelle appliquée aux individus ne permet pas d’expliquer.

Cette approche fait aujourd’hui l’objet d’un consensus scientifique large, même si elle n’invalide pas l’application de la sélection naturelle aux individus.

L’introduction de la notion de réplicateur, comme unité de base de sélection naturelle, nous permet de retourner à la définition de la mémétique : Théorie évolutionniste des phénomènes culturels.

Si l’on considère que le gène est le réplicateur soumis à la sélection naturelle, et que l’évolution évoquée dans cette définition est bien celle des gènes, et donc des espèces les portant, dont les hommes, la contradiction demeure. La théorie de l’évolution ne peut expliquer les phénomènes culturels, qui par essence l’exclut.

En revanche si l’on considère qu’il s’agit d’une transposition de l’évolution observée chez les êtres vivants, au domaine des idées, il va nous falloir déterminer quel en est le réplicateur, qui ne peut être le gène. Or Dawkins, lorsqu’il introduit la notion de réplicateur, introduit également l’idée qu’un autre réplicateur que le gène peut être envisagé : le mème. Le mème serait donc le réplicateur responsable de l’évolution des phénomènes culturels.

Il est définit comme tel par la SFM : élément de code culturel, reconnaissable et reproductible. Mais nous y reviendront. Pour l’instant, nous sommes face à une question : quelle évolution régit les phénomènes culturels ? Est-ce celle de nos gènes, ou bien celle de nos mèmes ?

2 – La mémétique

Malgré cette contradiction sémantique entre la théorie de l’évolution vue par Darwin, et complétée par Dawkins, et les phénomènes culturels, essayons tout de même de passer outre et d’approfondir cette voie. Nos comportements culturels, dans leur majorité, découlent du caractère social de notre mode de vie. C’est par l’apprentissage et l’imitation que nous adoptons différentes postures culturelles (nous y reviendrons).

Finalement, l’apparition des comportements sociaux peut se résumer par l’apparition du caractère altruiste chez les espèces sociales. Cette aptitude à l’action positive pour l’autre et négative pour soi est le fondement de la vie en société. On l’appelle l’altruisme.

Le comportement altruiste n’augmente pas les chances de survie d’un individu, et apparemment pas plus celles du gène qui le transporte. La fourmi qui naît comme ouvrière est stérilisée, et passe sa vie à œuvrer pour le bien de ses semblables. Son génome n’a aucune chance d’être transmis. Comment est-il possible que ce comportement se soit transmis, puisque tous ceux qui l’ont adopté n’ont pas eu de déscendance ?

La réponse à cette question est apparue au cours des années 60-70 avec la théorie de la sélection de parentèle. Cette théorie est simple et peut se résumer dans la règle de Hamilton, un des pères de la sélection de parentèle : une mutation engendrant une perte de valeur sélective peut-être conservée si cette perte de valeur sélective est compensée par le gain du terme altruisme multiplié par lien de parentèle.

Cette règle est fondée sur une notion essentielle : la notion de parentèle. L’altruisme n’est en fait qu’une apparence. Il reste orienté sur la parentèle, c’est-à-dire les individus ayant une proximité génétique avec l’agent altruiste. On voit bien que les comportements altruistes codés par les gènes, conservent le caractère égoïste, non pas au niveau de l’individu mais du gène : le gène altruiste permet la coopération d’individus à forte proximité génétique, portant donc probablement le gène lui-même de l’altruisme, qui est finalement … égoïste.

Cette capacité de reconnaissance du lien de parentèle est maintenant démontrée chez de nombreuses espèces animales, des amibes aux mammifères. Chez les fourmis, elle se traduit par les phéromones, propres à une fourmilière donc à une famille (toutes les fourmis descendent de la reine et ont donc un génome proche du à leur lien de parentèle)

Voici ce que nous dit la théorie de la sélection de parentèle.

La sélection de groupe, défendue par George Price, un généticien américain, va encore plus loin. Il montre, par des modèles mathématiques, résumé dans l’équation de Price, que même la notion de parentèle n’est pas nécessaire pour expliquer l’émergence de la sociabilité. Il suffit que le comportement altruiste soit héréditaire, transmis par un mécanisme génétique ou non, pour que des groupes s’organisent au sein d’une population. Les individus seront altruistes au sein de leur groupes, et hostiles vis-à-vis des autres groupes, et cette caractéristique doit être transmise à la génération suivante, avec la capacité la reconnaissance du groupe.

Grâce à Price, on voit que la théorie darwinienne de l’évolution, permet d’expliquer l’émergence de sociétés fondée sur un altruisme dont l’origine, ne serait pourtant pas génétique, mais transmis par un mécanisme quelconque, pourvu qu’il soit constant. On pourrait bien s’approcher du culturel. La contradiction n’est plus si évidente que ça … Le biologiste américain David Wilson, un des pères de la sélection de groupe, dira :

« Les gènes tiennent la culture en laisse ».

La mémétique est une théorie évolutionniste des phénomènes culturels. Finalement cette définition ne nous aide pas beaucoup. Soit elle se réfère à une intégration des phénomènes culturels dans l’évolution darwinienne des espèces vivantes, finalement pas si contradictoire au vu de la sélection de groupe, intégration soldée par une soumission de la culture au joug des gènes, comme le veulent les pères de la sélection de groupe, soit elle se réfère à une évolution séparée, indépendante, des mèmes, simplement extrapolée de celle des gènes.

Mais je vais arrêter de faire l’innocent, car puisqu’elle se réfère nécessairement à la notion de mème introduite par Dawkin, c’est nécessairement à la deuxième option que la mémétique se rapporte. Elle fait un parallèle entre l’évolution des gènes, et celle des mèmes. Soumises aux mêmes lois, celles de la sélection naturelle, dictées par Darwin, ces deux évolutions s’effectuent cependant indépendamment.

L’homme est un interacteur pour les gènes, mais également pour les mèmes. Quel est alors le mécanisme de transmission des mèmes, équivalent à l’hérédité mendélienne du néodarwinisme ?

1°) L’imitation permet la réplication

Tous les éléments qui constituent notre culture sont en fait des mèmes. Une chanson, par exemple, est un même. Si je chante une chanson, je serais sans doute entendu par quelqu’un, et la chanson que j’ai chanté sera dupliquée dans un nouveau cerveau, et ainsi de suite. Les citations également sont des exemples de mèmes. Prenons un exemple « L’existence prècéde … » 

« Après la pluie, ….. »

Un mème peut-être une simple idée. L’idée de croire en un Dieu unique, sans considération sur la véracité de l’idée évidemment. Comme les gènes, les mèmes peuvent s’associer entre eux. Par exemple, l’idée des flammes de l’enfer, très répandue dans les religions monothéiste, est une association bénéfique pour la survie des deux mèmes « flammes de l’enfer » et « Dieu ». Si tu ne crois pas en Dieu, tu bruleras en enfer. C’est une association simple de deux mêmes, augmentant les chances de réplication de l’ensemble, formant ce que Dawkins appellera un mèmeplexe. Une religion est l’exemple le plus fréquent de mèmeplexe : un ensemble cohérent de mèmes qui se répliquent ensemble dans un cerveau. La répétition, pour les mèmes oraux, la copie, et plus généralement l’imitation est proposée comme vecteur principal de la réplication des mèmes.

J’ai entendu une histoire, je la répète. Je vois quelqu’un danser, je l’imite. Je vois quelqu’un fumer une cigarette, j’essaie de fumer.

L’imitation se définit par l’exécution pour la première fois d’une action, après l’avoir entièrement observée chez un autre.

Dès lors, la capacité à imiter devient conditionnelle de l’évolution des mèmes. Avec l’émergence du langage, l’imitation, ou répétition, est facilitée.

L’imitation se pose comme phénomène central à la propagation des mèmes. On a essayé d’en comprendre les fondements. L’imitation relève-t-elle d’une capacité mentale spécifique ?

La partie qui suit est tirée de Odile Jacob, “Le singe, le bébé, et l’homme”. Disponible en partie sur google books.

Des expérimentations menées chez l’animal sont frappantes : plaçons un pigeon dans une cage en face d’un automate ressemblant comme deux gouttes d’eau à un pigeon. Deux taches sont faites dans la cage, une verte et une rouge. Lorsque l’automate en forme de pigeon donne un coup de bec sur la tâche verte, de la nourriture arrive. Aucune nourriture n’arrive avec la tâche rouge. Rapidement, le vrai pigeon donne également des coups de bec sur la tâche verte pour avoir de la nourriture. S’il ne voit pas un modèle le faire, le pigeon ne donne pas de coup de bec sur la tâche. On peut donc penser que le pigeon imite le modèle.

Maintenant changeons les règles. Avec un nouveau pigeon, le modèle ne doit plus donner un coup de bec pour recevoir la nourriture, mais doit toucher la tâche avec son aile. Que fait le pigeon, il donne des coups de becs dans la tâche, et ne reçoit pas de nourriture. Il n’imitera jamais le mouvement d’aile du modèle. En fait, le pigeon copie le choix de l’objet, mais pas le mouvement. Les chimpanzés sont également limités de ce point de vue : on montre qu’on peut facilement apprendre à un chimpanzé à accomplir des tâches telles que nettoyer une table, mettre des boules dans des pots, etc… En revanche, il est très difficile, et très long, de lui faire accomplir des séquences motrices dépourvues d’objet, comme une chorégaphie.

Dans le milieu naturel, c’est identique. Les mères chimpanzés, par exemple, cassent des noisettes sur une souche, avec une pierre, devant leurs enfants. Il arrive assez rapidement que ceux-ci s’y essaient. Ils font le même choix d’outil directement, posent la noisette sur la souche prennent une pierre, et tapent la noisette avec la pierre. Cependant, ils utilisent une seule main pour taper avec la pierre, alors que la mère utilise ses deux mains, résultat, la frappe est stabilisée et la noisette ne vole pas. Avec une seule main, les jeunes chimpanzés ne parviennent pas à casser la noisette. Ils mettront plusieurs années avant de saisir la pierre à deux mains.

En médecine, un test médical consiste à faire toucher un objet simple par un patient, sans le lui montrer, et lui demander de nommer l’objet. Certains patients sont incapable de le faire directement, bien qu’ils « sachent » quel objet ils touchent. Ils leur faut réfléchir et visualiser l’objet avant de pouvoir le faire. Cela tient à ce que l’aire du langage et celle du toucher sont situées dans deux hémisphères différents, et lorsque la communication entre les deux hémisphère est rendue difficile par certaines lésions des neurones concernés, l’information ne peut pas transiter directement.

Dans le cas de l’imitation, c’est identique. Il existe des neurones qui vont relier les sens à d’autres aires du cerveau. Quand un enfant regarde un autre enfant faire ses lacets, il y a un neurone dit miroir qui va s’activer. Ce neurone relie l’aire de la vision aux zones motrices du cerveau, qui sont responsables de la gestion des séquences motrices, et ces zones vont s’activer, comme si l’enfant accomplissait lui-même l’action. Si la séquence motrice observée est assez simple, l’enfant pourra l’imiter directement après l’avoir vue, parce qu’elle a déjà été conçue, à l’observation du mouvement. Ces neurones miroirs existent également dans le cas des émotions. L’observation d’une émotion entraine ainsi l’activation des zones dédiées à ces émotions. Ces neurones miroirs ne sont pas suffisant cependant à l’imitation, car on les a retrouvés chez les singes notamment, qui ne sont pas très doués en imitation. Il y a donc d’autres acteurs, dont les neurones miroirs font partie.

En revanche, la faculté à imiter est très développée chez les oiseaux (pensez aux perroquets), les cétacés, et les hommes. Coïncidences, ces espèces sont de très bons terrains de jeux pour les méméticiens. En effet, l’étude du chant des oiseaux constitue un excellent modèle de propagation d’un mème. Les oiseaux se copiant entre eux leurs chants, en faisant quelques erreurs, introduisant une sorte d’évolution….

Chez les autres espèces, ce qui peut passer pour de l’imitation réside en fait dans d’autres processus tels que le mimétisme ou l’émulation. Pour finir sur l’imitation, il semblerait qu’il s’agisse d’une faculté innée, aparaissant très tôt chez le nouveau-né. Les autistes pourraient souffrir d’un manque de cette capacité, bien que les neurones miroirs en particulier aient été disculpés.

2°) Définition et modèles mémétiques

La mémétique s’appuie donc sur l’imitation pour expliquer la transmission des mèmes. Les définitions étant posées, les mécanismes éclaircis, on peut tenter de voir quels sont les modèles principaux :

Modèles

Trois s’affrontent pour tenter de modéliser la mémétique. Leurs différence porte principalement sur le support du mème.

Dawkins propose de ramener le mème à un pattern d’activité cérébrale. L’information portée par le mème est en réalité secondaire, le même est défini par le pattern d’activité cérébrale, c’est-à-dire une chorégraphie d’activation des zones cérébrales, visibles en imagerie. Si je vois un éléphant, ce sera toujours la même zone de mon cerveau qui s’activera, par exemple, correspondant au mème éléphant.

Denett, un philosophe américain, considère au contraire que le mème est immatériel, indépendant du support. Par exemple, si je photocopie un livre sans le lire, j’ai répliqué le mème. Le cerveau humain n’intervient que dans la sélection des mèmes.

Enfin, il existe une synthèse des deux positions, considérant que le support du mème est l’activité cérébrale, mais que seule les conséquences de cette activité permettent de définir le mème. Par exemple, si une personne prononce le mot thé, elle aura un profil d’activité cérébrale. Si une personne dont la langue maternelle n’est pas le français prononce le mot thé, son profil d’activité cérébrale sera différent, cependant, il s’agit bien du même mème.

Voilà pour les principes fondamentaux. Mais maintenant, les objections : Peut ont réellement considérer les mèmes comme des réplicateurs darwiniens ?

Problèmes de la théorie

Cette partie est tirée de la thèse de Nicolas Claidière, disponible sur memetique.org.

Pourquoi les mèmes ne peuvent être considérés comme des réplicateurs darwiniens ?

Il y a deux objections principales au fait de considérer que les mèmes agissent comme des réplicateurs égoïstes. La première réside dans la fidélité de la réplication. La plupart des mèmes sont répliqués de manière très infidèle. Des expériences d’imitation en psychologie montrent que lorsque l’on montre des techniques pour réaliser des tâches spécifiques, à des groupes de sujets, humains ou animaux, leur résultat tend toujours vers la même technique au fil du temps que lorsqu’on ne leur montre rien.

Quel le que soit le thème de l’imitation, au terme d’une certaine période, les sujets soumis aux tests reviennent aux mêmes pratiques que si on ne leur avait rien montré du tout.

Il y a trois lois qui permettent de prédire l’impact du facteur social par imitation dans un comportement :

  • Plus les facteurs sociaux convergent vers le même comportement, plus les individus accordent d’importance à ces facteurs

  • Plus les individus ont de temps, moins ils accordent d’importance aux facteurs sociaux

  • Plus la proportion d’individus naïfs dans la groupe est grande, moins les individus accordent d’importance aux facteurs sociaux

Finalement les facteurs sociaux comportementaux tendent toujours à retourner aux facteurs individuels, l’imitation si elle permet de créer dans un premier temps des pratiques ayant les caractéristiques d’une culture, ne provoque pas la durabilité de ces comportements, du fait de l’existence de mécanismes psychologiques dont le but n’est pas de reproduire à l’identique les comportements, mais au contraire de les modifier.

Je vous parlais tout à l’heure de l’étude mémétique des chants d’oiseaux. En rabâtissant des arbres phylogénétiques à partir des chants d’oiseaux, fondés non plus sur leurs différences génétiques, mais sur les différences entre les chants, on observe que suivant les espèces, le taux de variation entre deux génération diffère. Dans certaines espèces, la fidélité d’une génération à l’autre est très importante. Lorsque la fidélité est très importante, c’est parce que la chant, et sa nature, revêt une importance cruciale pour la survie de l’individu. Il y a donc eu des pressions sélectives ayant permis l’émergence mécanismes imitatifs à fort taux de fidélité. Ces mécanismes n’existent pas, chez l’homme, ou n’ont pas été découverts par l’expérimentation. Notre psychologie n’a pas évoluée pour imiter de manière fidèles les comportements que nous observons, à notre connaissance du moins.

Le raisonnement est l’un de ces mécanismes psychologiques, qui empêche l’imitation fidèle. Finalement, le mécanisme de l’imitation est un mécanisme très infidèle, à terme, et ne peut jouer le rôle d’une transmission héréditaire darwinienne satisfaisante. Si la mémétique est fondée, son mécanisme quant à lui reste à découvrir. En attendant, l’éventualité d’une mémétique subsiste, mais reste sans démonstration.

La deuxième objection, moins sévère, est que l’un des principaux modes de variations des mèmes n’est pas le hasard, mais l’action de leur environnement. En effet, le biais observé lors de l’imitation des mèmes tient principalement dans l’amélioration de ceux-ci au profit de l’interacteur, en fonction de l’environnement. Il n’y a donc pas de variation préexistante sélectionnée par réplication différentielle, mais modifications subséquentes à l’environnement, et orientées en faveur de l’interacteur. Ce mode de variation tiendrait avantage du Lamarckisme que du Darwinisme.

3°) Des apports indéniables

Cependant la mémétique permet de comprendre plusieurs choses. Associée au concept de réplicateur/interacteur, elle permet de saisir que certains mèmes n’existent que parce qu’ils ont des effets favorisants leur propre propagation, c’est le cas par exemple des hoax, ces chaînes de mails parasites qui se transmettent largement dans nos boîtes mails. (www.hoaxbuster.com). Le marketing viral, utilise également cette faculté des mèmes à se répliquer, à notre insu.

L’idée qu’une idée puisse se répandre à nos dépends est importante à conserver. Si une partie d’une population a une pratique entraînant la mort, comme par exemple le cannibalisme, qui génère une mortalité élevée, cette pratique peut tout à fait continuer à se répandre dans la population, malgré une forte mortalité associée, si elle fortement imitée par le reste de la population. Si nos processus mentaux n’ont pas évolué pour se cantonner à l’imitation stricte, ils n’ont pas non plus évolués pour préserver notre strict intérêt individuel (cf sélection de groupe).

La mémétique elle-même est une idée jouissant, je crois, d’un considérable taux de reproduction dans la « noosphère » (la sphère des idées). La littérature associée est considérable, et je n’ai fait qu’en effleurer l’essentiel, vraiment. De nombreux auteurs apportent de nombreuses notions supplémentaires, tels que le tème de Susan Blackmore, la solution culturelle de Pascal Jouxtel (Comment les sytèmes pondent, le blog), ou le neuromème de Aunger, que j’ai préféré éviter d’aborder, car tenant plus à mes yeux de philosophie que de science, ce qui ne les en rend pas moins intéressants.

Quelques liens sympatiques et sources également :

Une conférence de Susan Blackmore sur les mèmes et les tèmes.

Recensement de toutes les définitions du mème. En anglais.

Excellent dossier d’éthologie sur l’imitation.

Une page sur la mémétique sur postsapiens.fr

L’article sur les SMR

Le blog de Pascal Jouxtel, comment les systèmes pondent.

Et pour finir, l‘excellente thèse de Nicolas Claidière sur memetique.org.

 

Podcast Science est un podcast audio 🙂 Vous pouvez écouter ce dossier par ici !

Podcast science 67 (1er live) – Chroniques de l’évolution : histoire de l’audition chez les vertébrés

Podcast Science
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Podcast science 67 (1er live) – Chroniques de l’évolution : histoire de l’audition chez les vertébrés

Premier live sur Neweez, grosse émotion!

Le dossier de la semaine

Cette semaine, Marco nous parle de l’évolution de l’audition chez les vertébrés, et les mammifères que nous sommes peuvent confirmer que c’est bien pratique pour écouter les podcasts en mâchant un chewing-gum 😉 Un immense bravo à Marco qui a affronté ce premier live comme un chef!

Le truc mnémotechnique de la semaine

Cambronne ordonna silence et dévouement à ses carabiniers permissifs. Merci Marco 🙂

Les plugs de la semaine

Un nouveau blog dans le paysage scientifique francophone:  “Le vrai du faux” avec un angle original:
De l’aveu de son auteur:

Démêler le vrai du Faux et le faux du Vrai, tel sera le but de ce blog.
J’ai toujours eu une passion pour la science et pour les arts, notamment le septième et le neuvième. Et rien ne me fait plus rire (ou pleurer) que de voir des films grand public, des documentaires et des bandes dessinées parlant (ou tentant de parler) de science. On peut rester admiratif devant certains films de science-fiction cohérents, inventifs et être complètement dépité devant certaines émissions dites « scientifiques » assénant bêtises sur bêtises.
J’espère pouvoir mener ce blog le plus loin possible, vous faire (re)découvrir de véritables trésors de science cachés dans des fictions et dénoncer des fictions dans la vulgarisation de la science…
… et toujours avec du fuuuuuuuun!

Le premier article porte sur le film 2012 et la soi-disant prédiction maya. Régalez-vous 🙂
Auteur: Grégory Michnik, dernier arrivé dans Strip-Science et qui a illustré nos neutrinos pour fêter ça.

 

Encore un petit coucou pour les podcasts de notre ami Xilrian:

  • “12 minutes de” revient sur le concept de revenu de base / allocation universelle pour son 4e épisode, co-animé, comme le précédent, avec le journaliste Stanislas Jourdan, spécialiste de la question;
  • “Vie Artificielle” pour son dernier épisode de l’année proposait une liste d’achat pour übergeeks (genre où acheter ses robots), très sympa et nécessite moins d’aspirine que les épisodes habituels classiques. Un peu tard pour noël, mais très pratique pour les robots-androïdes en soldes 😉

Enfin, un mot sur Strip Science, qui part à la conquête du monde. Communiqué de presse officiel ici: http://stripscience.cafe-sciences.org/articles/strip-science-le-communique-de-presse/

Une petite news pour la route

(Merci à Olivier Tripet de l’avoir partagée): Découverte d’un nouveau boson au LHC (Chi-b 3P) :
http://www.europe1.fr/International/Decouverte-d-un-nouveau-boson-au-LHC-875495/
http://www.tsr.ch/info/sciences-tech/3672947-une-nouvelle-particule-decouverte-au-cern.html
http://www.gizmodo.fr/2011/12/24/elle-est-nee-la-nouvelle-particule-elle-est-de-toute-beaute.html#more-153240

Last but not least: les quotes de la semaine

“La contingence est une chose en soi, et non la combinaison du déterminisme et du hasard” (Steven J.Gould)

“L’existence précède l’essence” (Doctrine de l’existentialisme de Jean-Paul Sartre)

Prochain live le mercredi 11 janvier 2011 à 20h30 sur Neweez, avec Franck qui nous parle de mémétique.

D’ici là, une excellente semaine à toutes et à tous!

Dossier – Histoire évolutive de l’audition chez les vertébrés

Marco
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Dossier – Histoire évolutive de l’audition chez les vertébrés

Dossier de Marcon dans l’épisode #67.

 

Inspiré de “Un coup de gueule plein les oreilles” de Stephen Jay Gould

Nos oreilles nous permettent d’entendre les sons qui se propagent dans l’air, et cela vaut également pour la plupart des vertébrés terrestres. (Les poissons eux ressentent les vibrations de sons propagés dans l’eau, grâce à leurs organes de la ligne latérale.)

Dans l’histoire des vertébrés terrestres, aucune saga évolutive n’égale celle de l’audition, car elle combine de fascinantes énigmes et leur solution au moyen d’une excellente documentation fossile. Deux transitions majeures, apparemment impossibles, ont notamment pu être élégamment expliquées.

La première s’est produite à la naissance de la vie terrestre et pose l’énigme suivante: “Comment des êtres vivants ont-ils pu passer de la perception de vibrations au moyen d’une ligne latérale courant tout le long du corps, à l’audition de sons au moyen d’oreilles?” En d’autres termes, comment de nouveaux organes peuvent se former sans antécédents apparents?

La deuxième transition est intervenue lors de la dernière innovation majeure dans le plan d’organisation anatomique des vertébrés et pose cette fois-ci l’énigme: “comment des os qui permettent l’articulation de la mâchoire supérieure et inférieure chez les reptiles ont-ils pu migrer dans l’oreille des mammifères pour devenir le malleus et l’incus (le marteau et l’enclume), deux des trois osselets formant la chaîne conduisant les sons du tympan jusqu’à l’oreille interne?” Comment en d’autres termes, des organes peuvent-ils changer de place et de fonction, sans compromettre l’intégrité fonctionnelle de l’animal?

Comment même imaginer des formes intermédiaires? Il est impossible de manger sans articulation de la mâchoire. Les créationnistes se sont même fondés sur cette différence entre reptiles et mammifères pour proclamer que l’évolution était impossible. Mais la pensée conventionnelle étant plus bornée que ne l’est la nature, nous allons voir dans ce dossier comment se solutionne ce genre de problème:

La clé de l’énigme se situe dans le fait qu’un organe peut avoir plusieurs fonctions mais également qu’une fonction peut être remplie par plusieurs organes.

Par exemple certains animaux comme les serpents peuvent entendre grâce à leurs poumons. Et comme nous allons le voir plus tard, si à présent vous avons des oreilles, on le doit à nos ancêtres reptiliens immédiats qui étaient capables d’entendre, ou plus exactement de ressentir les vibrations dans l’air, grâce à leurs mâchoires.

Penchons-nous donc sur la première et dernière étape de l’édification anatomique de l’oreille moyenne des mammifères et qui apporteront les réponses aux deux énigmes citées précédemment.

I.L’origine des os auditifs chez les premiers vertébrés terrestres

L’audition des sons dans un milieu de faible densité comme l’air pose un problème physique majeur: Car dans l’air les ondes sont de faible pression. Or pour que les vibrations soient transmises au sein des liquides emplissant la cochlée (sans rentrer dans les détails, il s’agit d’un organe de l’oreille interne en forme hélicoïdale), il est nécessaire d’avoir des vibrations de pression relativement importantes, comme dans l’eau. Comment alors réaliser cette conversion?

Les vertébrés terrestres recourent à deux grands mécanismes pour réaliser cette conversion.

Tout d’abord ils recueillent les sons grâce à la membrane du tympan.Celle-ci a une superficie relativement grande. Et après avoir traversé l’oreille moyenne, ces ondes sont transmises à l’oreille interne par l’intermédiaire d’une ouverture bien plus petite qu’on appelle “fenêtre ovale”

Deuxièmement, la conduction des vibrations depuis le tympan jusqu’à la fenêtre ovale est effectuée au moyen d’une série d’os,qu’on appelle chez les mammifères, le malleus, l’incus et le stapes (ou marteau, enclume et étrier à cause de leur ressemblance avec ces objets) Ces osselets agissent à la façon de leviers pour augmenter la pression des ondes qui se dirigent vers le système nerveux central.

Oreille moyenne
1. Tympan 2. Marteau-enclume-étrier 3. Trompe d’Eustache 4.Muscle du marteau

 

Les poissons possèdent une oreille interne, mais pas de tympan, ni d’osselets, ni d’oreille moyenne. Ils “entendent” par le biais des organes se trouvant le long leur ligne latérale, qui leurs permettent de détecter les mouvements de l’eau produits par les ondes sonores dans ce milieu de forte densité. On en arrive donc à notre première énigme qui est de savoir comment les osselets de l’oreille moyenne ont pu se former au cours de l’évolution des vertébrés terrestres,et apparemment à partir de rien?

Les premiers vertébrés, les premiers poissons n’avaient pas de mâchoires. Ils formaient un groupe dont le nom scientifique est agnathe, qui veut dire littéralement “sans mâchoire” Les survivants d’aujourd’hui de cette première radiation évolutive sont les lamproies et les myxines.

Lamproie

Chez ce type d’animaux, la bouche est donc dépourvue de toute garniture osseuse, et une série d’ouvertures branchiales figure à l’arrière de celle-ci. Chaque branchie est soutenue par 2 os organisés en une branche inférieure et une branche supérieure, leurs pointes étant dirigées vers l’avant et leur articulation se faisant au milieu (imaginez 2 allumettes formant le signe “<“) Cet arrangement d’os rappelle celui de la mâchoire supérieure et inférieure chez un vertébré typique.

A cause d’un registre fossile relativement pauvre, on ne sait pas avec certitude si les mâchoires et les arcs branchiaux représentent des spécialisations distinctes qui auraient été engendrées par le même système de développement embryologique, ou si les mâchoires se sont formées par la migration vers l’avant de l’arc branchial le plus antérieur, de façon a encadrer la bouche. Quoi qu’il en soit, il ne fait aucun doute que les mâchoires et les arcs soutenant les branchies sont des structures homologues. C’est à dire qu’elles sont apparues dans l’évolution à partir de la même origine et représente le même organe sous différentes formes.

Trois preuves soutiennent cette homologie:

1/ L’embryon édifie les cartilages précurseurs des mâchoires et des arcs branchiaux, non pas à partir du mésoderme (source tissulaire de la plupart des os) mais à partir de cellules migratrices provenant de la crête neurale de la tête en cours de développement.

2/ Les deux types de structures sont faites d’une pièce supérieure et d’une pièce inférieure, se recourbant sur l’avant et s’articulant au milieu

3/Les muscles qui ferment les mâchoires sont homologues de ceux qui contractent les fentes branchiales.

Si les mâchoires des vertébrés représentent un arc branchial antérieur, un autre élément crucial du crâne dérive aussi de ces structures de soutien des branchies. En effet la partie supérieure de l’arc branchial suivant dans la série, constitue chez les poissons à mâchoires, l’hyomandibulaire, un os qui joue un rôle de coordination et de soutien, puisqu’il relie les mâchoires à la boîte crânienne.

Jusqu’à présent ces détails anatomiques peuvent sembler éloignés de l’origine des osselets auditifs, mais nous y arrivons…

Les mammifères possèdent trois osselets auditifs dans l’oreille moyenne: le marteau, l’enclume et l’étrier (malleus, incus et stapes)

Or le stapes est l’homologue de l’hyomandibulaire des poissons. En d’autres termes, un os originellement apparu en tant que soutien branchial, a évolué de façon à relier les mâchoires à la boite crânienne, puis a changé à nouveau de fonction, de façon à transmettre les sons, lorsque l’eau a été remplacée par l’air.

Une telle transition parait inconcevable, mais pour comprendre comment elle a pu se produire, il faut oublier le vieux modèle d’évolution appliqué au cas du cheval et de l’homme (marche du progrès): Ces représentations donnent l’impression que l’évolution consiste uniquement au perfectionnement d’une fonction donnée, dont la nature reste inchangée au cours du temps, car elle partent du plus petit et pas très fonctionnel, pour conduire au plus grand, plus complexe et magnifiquement agencé. Autrement dit dans ce genre de modèle, le cerveau reste toujours un cerveau, et les dents restent toujours des dents, mais ces organes deviennent de plus en plus efficace dans leur fonction.

S’il est vrai que l’on peut parfaitement envisager qu’un organe déjà existant se perfectionne de cette façon continue, la question qui se pose est de savoir comment quelque chose d’inédit peut se réaliser. Comment les organismes peuvent-ils s’aventurer dans un milieu véritablement nouveau où va se faire sentir le besoin de fonctions qui n’existaient pas jusque-là?

Pour cela il faut envisager un mécanisme changeant les fonctions de parties déjà existantes. L’évolution ne consiste pas toujours à développer une structure en partant d’un stade rudimentaire. Elle doit souvent se saisir d’une structure fonctionnant parfaitement bien dans l’accomplissement d’une tâche donnée, pour l’affecter à une autre fonction.

Le stapes de l’oreille moyenne a donc suivi une évolution de ce type, en passant du statut d’os robuste de soutien, à celui d’os auditif fin.

L’hyomandibulaire, qui fut une structure soutenant une branchie, a évolué pour devenir une pièce servant à ancrer les mâchoires sur la boîte crânienne. Mais il s’est trouvé qu’il était positionné juste au voisinage de la capsule otique, contenant l’oreille interne. Or la matière osseuse, pour des raisons qui n’ont rien à voir avec son apparition dans l’évolution, peut relativement bien transmettre des sons.

D’ailleurs bien qu’il ait eu pour fonction première d’attacher, l’hyomandibulaire s’est aussi prêté à d’autres rôles. Chez les raies, l’eau de mer est absorbée par un petit orifice de forme ronde (le spiracle), situé juste en avant des autres fentes branchiales. L’hyomandibulaire aide ici à pomper ce courant d’eau et à le faire pénétrer dans la cavité buccale, et de là, à le faire ressortir par l’ensemble des fentes branchiales. Chez d’autres poissons, les dipneustes, situés dans une branche évolutive plus proche de notre phylogenèse, l’hyomandibulaire peut aider à faire s’emplir d’air les poumons de ces animaux.

Mais revenons au stapes. Les premiers tétrapodes terrestres connus proviennent de l’Est du Groenland où ils ont été trouvé dans des roches âgées de 360 millions d’années. Ce sont ces fossiles à qui l’on a donné les noms d’Ichthyostega et d’Acanthostega.

Ichthyostega

Acanthostega

Chez certains d’entre eux les stapes étaient préservés dans la position qu’ils occupaient durant la vie de l’animal.Ces os étaient chez eux, robustes et épais, et non pas minces comme lorsqu’ils sont essentiellement adaptés à l’audition. Ce stapes originel servait encore comme antérieurement, de pièce d’ancrage, et avait probablement, comme le suggère la chercheuse Jennifer Clack (qui est l’une des chercheuses ayant trouvé des Acanthostega au Groenland) un rôle à jouer dans l’audition étant donné que sa base est étroitement associé à la capsule otique[auditive]. (elle estime également qu’ils devaient avoir une troisième fonction puisqu’ils avaient probablement un rôle à jouer dans la respiration)

Par la suite,comme cela s’est produit indépendamment dans plusieurs lignées de vertébrés terrestres, la mâchoire supérieure s’est fermement soudée à la boîte crânienne. Le stapes/hyomandibulaire n’ayant alors plus d’utilité pour lier la mâchoire au crâne, il a alors pu se perfectionner dans son rôle auditif

II.L’origine des osselets de l’oreille moyenne des mammifères

L’histoire du stapes est déjà assez étonnante, car d’un rôle de soutien des branchies, il est passé à celui de pièce d’ancrage des mâchoires sur la boîte crânienne puis à celui d’un os permettant d’entendre les sons transmis dans l’air.

Mais celle des deux autres osselets de l’oreille moyenne est encore plus curieuse.

Le marteau et l’enclume (malleus et incus), étaient des pièces faisant partie des mâchoires chez les premiers vertébrés. Ils jouaient un rôle dans l’articulation des mâchoires supérieure et inférieure, et c’est toujours leur fonction chez les amphibiens, les reptiles et les oiseaux actuels.

Bien entendu on ne les nomme pas marteau et enclume chez les reptiles,mais os articulaire (homologue du marteau) et os carré (équivalent de l’enclume) . L’os carré est un os de la mâchoire supérieure reptilienne tandis que l’os articulaire est un os de la mâchoire inférieure reptilienne.

Cette transition peut paraitre impossible à première vue, mais elle s’observe parfaitement bien dans les archives fossiles et dans l’embryogenèse des mammifères actuels.

Tout d’abord, l’homologie des os de la mâchoire reptilienne et des osselets de l’oreille des mammifères a été découverte par des anatomistes et embryologistes allemands.

En 1837, Karl Bogislaus Reichert, en étudiant l’embryologie des mammifères écrit:

“Nous avons rarement rencontré de cas, en anatomie animale, où une pièce embryonnaire subit un changement de forme aussi important que celui qui affecte les os de l’oreille des mammifères. On aurait du mal à le croire…Et pourtant, cela se réalise effectivement”

Et s’il parle de “changement de forme” c’est parce que grâce à ses travaux, il a observé que chaque embryon de mammifère retrace, au cours de son développement, les étapes de l’histoire évolutive qui ont conduit des os de la mâchoire à des osselets auditifs. Il constata donc que tous les os de l’oreille proviennent des deux premiers arcs branchiaux. Le marteau et l’enclume dérivent du premier (et donnent les mâchoires des vertébrés) et l’étrier provient du second (qui donne l’hyomandibulaire des poissons) Il a remarqué que la mâchoire inférieure se forme à partir d’un précurseur appelé “cartilage de Meckel” (en l’honneur d’un anatomiste allemand de la génération précédente de Reichert). Le processus d’ossification de la mâchoire se réalise ensuite sur le côté du cartilage de Meckel. Pendant ce temps, la partie postérieure du cartilage, qui forme donc l’extrémité arrière de la mâchoire inférieure chez l’embryon du mammifère, s’ossifie également, puis se détache pour devenir le malleus de l’oreille moyenne.

C’est ce qu’a observé Reichert, et cela a depuis été confirmé des milliers de fois. Difficile de fournir des preuves plus directes que celle-ci!

De plus, si ce processus est tout à fait terminé au moment de la naissance chez les mammifères placentaires, chez les marsupiaux, lorsque le minuscule kangourou ou opossum, pénétre dans la poche de sa mère, ses futurs osselets auditifs sont encore attachés aux mâchoires, et servent encore à l’articuler! Ce n’est que par la suite que ces os vont migrer dans l’oreille, et que la nouvelle articulation des mâchoires se forment.

Cette transition est l’une des mieux établies dans l’évolution des vertébrés, grâce à la combinaison des données de la paléontologie, de la physiologie et de l’embryologie, si bien que ses fondements sont d’une solidité incontestable.

Et l’un des traits les plus importants de cette histoire est la notion de redondance et d’emplois polyvalents. Cette notion de redondance est à la base de l’innovation évolutive, et c’est d’ailleurs le thème central de ce podcast.

Selon les créationnistes, la transition entre les reptiles et les mammifères est impossible car les malheureux intermédiaires n’auraient alors pas d’articulation correcte de leurs mâchoires. Mais la notion de redondance suggère une solution qui parait alors évidente.

On peut donc faire une prédiction théorique au sujet des formes intermédiaires que l’on pourrait s’attendre à trouver dans les archives fossiles: Chez les mammifères actuels, les mâchoires s’articulent par le biais de l’os squamosal (à la mâchoire supérieure) et l’os dentaire (à la mâchoire inférieure). Chez les autres vertébrés, cette articulation se fait grâce à l’os carré (à la mâchoire supérieure) et à l’os articulaire (à la mâchoire inférieure), lesquels sont destinés à devenir l’incus et le malleus de l’oreille mammalienne.

Supposons donc que les ancêtres des mammifères aient possédé une articulation dentaire-squamosal, tout en gardant fonctionnelle l’ancienne articulation carré-articulaire: cela aurait donné des animaux intermédiaires dotés d’une double articulation. Grâce à cette redondance, l’arrangement carré-articulaire aurait alors pu être abandonné pour se spécialiser dans la fonction auditive.

Cette supposition a réellement été avancée par les paléontologistes, à un moment où aucun fossile d’intermédiaire entre les reptiles et les mammifères n’avait été retrouvé.

Les formes intermédiaires dans les archives fossiles sont relativement rares, et cela pour des raisons que j’avais déjà expliqué lors du dossier sur les arguments avancés habituellement par les créationnistes (le processus de fossilisation est un événement rare, et par définition une espèce intermédiaire ne persiste pas longtemps à l’échelle géologique). Mais concernant la transition entre les reptiles et les mammifères, les strates géologiques apportent des données assez abondantes, si bien que la prédiction théorique des paléontologues a pu être testée, et elle a été vérifié: Chez le groupe des therapsides cynodontes, on retrouve par exemple, une tendance à la réduction et au relâchement de l’os articulaire et de l’os carré, mais également dans le même temps, on observe que le dentaire de la mâchoire inférieure grossit et s’étend vers l’arrière pour entrer en contact avec la mâchoire supérieure. (Chez les mammifères le dentaire représente la totalité de la mâchoire inférieure. Chez les reptiles, la mâchoire inférieure comprend plusieurs éléments post-dentaires, qui ont tous été réduits, puis supprimés ou dispersés chez les mammifères)

De nombreux cynodontes ont édifié une seconde articulation entre le squamosal et un élément post-dentaire appelé le supra-angulaire: Cette articulation ne correspond pas à celle du squamosal et du dentaire des mammifères, mais elle montre que, bien que les créationnistes pensent le contraire,il est apparu de multiples sortes d’intermédiaires (et donc, s’il était encore besoin de le rappeler, que l’évolution ne se fait pas de façon linéaire)

En fait, ce sont seulement deux ou trois genres de cynodontes qui présentent une évolution vers une articulation mammalienne, et l’un d’eux porte le nom de Diarthrognathus, dont le nom est tout à fait clair, puisqu’il signifie “mâchoire à double articulation”.

De plus, chez les plus anciens mammifères, le malleus et l’incus ne sont pas encore complétement indépendants, puisqu’ils sont encore fixés aux mâchoires et continuent à participer à l’articulation, comme c’est le cas chez Morganucodon et Megazostrodon, deux des plus anciens mammifères connus (qui ont le look d’une musaraigne) . Tellement anciens, que les scientifiques ne sont pas tous d’accord sur la classification. Certains les considérent comme des reptiles mammaliformes car l’oreille moyenne ne comprend qu’un seul osselet (l’étrier), d’autres les considérent comme des mammifères car ils allaitaient leurs petits. Et si les Cynodontes sont des intermédiaires entre reptiles et mammifères, Megazostrodon est l’intermédiaire entre Cynodontes et mammifères…

Morganucodon

Megazostrodon

Ces animaux vivaient à la fin du Trias (Le Trias s’étend d’environ -250 millions d’années à -200 millions d’années) et c’est seulement à la fin du Jurassique (Le Jurassique s’étend de -200 à environ -145 millions d’années) qu’apparaissent les premiers mammifères avec une oreille typiquement mammalienne.

L’embryologie et la paléontologie apportent donc des données permettant de comprendre le “comment”. Mais il est intéressant également de saisir pourquoi une telle transition a eu lieu. D’autant plus qu’une oreille munie d’un seul osselet, le stapes, paraît bien fonctionner (comme chez les oiseaux)

C’est une question complexe, il est donc difficile d’apporter une réponse qui soit complète, mais un indice mérite qu’on s’y intéresse et illustre encore le principe de redondance:

Les pélycosaures, sorte de gros lézards avec une voile sur le dos et souvent considérés à tort comme des dinosaures, qu’ils ne sont pas (on les retrouve d’ailleurs souvent dans les jeux de dinosaures en plastique), sont nos ancêtres lointains, prédécesseurs des reptiles thérapsides qui ont conduit aux mammifères.

Le stapes des pélycosaures se trouve en contact étroit avec l’os carré de la mâchoire supérieure (précurseur de l’incus, donc).

Ce rapport se maintient voire s’intensifie quelquefois chez les thérapsides ultérieurs. Cela suggère fortement que le carré des ancêtres des mammifères, bien que participant en premier lieu à l’articulation des mâchoires, jouait déjà un rôle subsidiaire dans la transmission des sons.

Malheureusement on ne peut pas réaliser d’expériences sur des animaux éteints et on ne dispose pas de preuve directe que le carré participait à l’audition chez les ancêtres des mammifères. Par contre on sait avec certitude que le carré des reptiles peut transmettre des sons tout en servant à l’articulation des mâchoires, car c’est le cas chez plusieurs reptiles actuels (bien évidemment ces reptiles ne sont pas les ancêtres directs des mammifères, mais ils montrent la possibilité physique de transmission des sons par l’os carré et la réalité de cette redondance)

Les serpents par exemple, n’ont ni oreille externe, ni tympan, si bien que de façon un peu anthropocentrique, on a longtemps cru qu’ils étaient sourds. En réalité, la majeure partie de leur corps est sensible aux vibrations sonores, et celles-ci semblent être transmises à l’oreille interne par l’intermédiaire de leurs poumons (de grandes dimensions) mais également grâce à leur mâchoire inférieure en passant par le carré, puis le stapes.

D’autres expériences directes sur plusieurs espèces de lézards avaient également montré que les sons étaient transmis au cerveau par cette voie.

Nous arrivons donc à la fin de ce dossier qui a permis de montrer un autre des principes fondamentales de l’évolution, qui est l’exploitation des redondances. Les organismes ne sont pas parfaits: leurs organes peuvent remplir différentes fonctions, elles-même pouvant être remplies par différents organes. Et c’est un point très important à comprendre car c’est parce qu’il en est ainsi que l’évolution est possible chez les organismes pluricellulaires!

 

Source:

Comme Les huits doigts de la main – Stephen Jay Gould

 

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