Le forage le plus profond jamais réalisé par des scientifiques a mis au jour, au large du Japon, des micro-organismes jusqu’à 2446 mètres de profondeur sous le plancher océanique. Et ils sont bien vivants !

Pour preuve : une fois ramenés à la surface, quand ils les ont soumis à un flux de poussière de charbon, les microbiologistes et les géologues ayant mené l’étude ont constaté que leurs cellules étaient actives. Elles consommaient le charbon (source de carbone oxydé) et relâchaient en retour du méthane (le gaz le plus simple à base de carbone), comme ils le détaillent dans la revue Science.

Dans le sous-sol océanique, à une température de 60 °C, ces micro-organismes extrêmophiles survivent donc en se nourrissant d’une source de carbone plus ou moins abondante selon la profondeur. Les chercheurs les ont détectés, grâce à un derrick embarqué sur le bateau de recherche Chikyu, à partir d’une profondeur de 400 mètres et jusqu’à 2446 mètres, au large de la péninsule Shimokita (Nord-ouest du Japon).

Cette région était autrefois émergée, couverte de marécages et de lagunes : c’était il y a 23 millions d’années.

De 10 à 10 000 cellules par centimètre cube de roche

Progressivement, les sédiments riches en carbone typiques de ces zones humides ont dérivé au large, puis ont été recouverts par les sédiments marins. Dans les diverses couches de roche qui forment aujourd’hui le plancher océanique (calcaire, charbon…), la concentration des microbes retrouvés par les chercheurs japonais, à l’aide de techniques de comptage au microscope à fluorescence, varie de 10 à 10 000 cellules par centimètre cube.

Pour comparaison, un centimètre de cube de sol contient plusieurs milliards de bactéries, archées et protistes ! Et pourtant, le séquençage génétique de ces micro-organismes sous-marins a révélé qu’ils sont très semblables à ceux qui peuplent le sol des forêts.

Ces micro-organismes pourraient être les descendants de ceux ayant habité les lieux il y a 20 millions d’années

Deux hypothèses émergent ainsi pour expliquer ce lien de parenté : soit les microbes sous-marins sont les descendants de ceux ayant peuplé, il y a 20 millions d’années, le sol des marécages qui recouvraient autrefois cette zone, soit ils en seraient eux-mêmes les survivants !

En effet, même si très peu de choses sont connues sur leur biologie, de précédentes études ont montré que les microbes vivant dans la croûte terrestre ont un métabolisme extrêmement ralenti. On estime que la division cellulaire peut leur prendre mille ans ! Certains microbiologistes doutent même que ce genre de microbes se divisent, estimant qu’il est plus avantageux pour eux d’investir le peu de ressources disponibles tout simplement pour se maintenir en vie.

L’hypothèse de l’origine de la vie “intraterrestre”

Les premières traces de vie jamais détectées dans la profondeur du sol remontent à 1987, lors de forages conduits par les autorités américaines sous le lit du fleuve Savannah (entre la Caroline du Sud et la Géorgie). Par la suite, des micro-organismes vivants avaient été retrouvés à 3,9 kilomètres de profondeur dans la mine d’or de TauTona en Afrique du Sud. A présent, la mission de forage japonaise montre qu’on trouve des microbes à des profondeurs inouïes sous les océans.

Où est donc la limite ? Pour l’instant, on l’ignore. Mais depuis les années 1990, d’intéressantes théories émergent autour de ces micro-organismes, baptisés “intraterrestres” : pour certains biologistes, plutôt que d’avoir été tout simplement engloutis par la mer ou par la tectonique des plaques, ils seraient, au contraire, à l’origine de la vie sur Terre (voir S&V n°1151). Autrement dit, la vie serait née dans la profondeur de la croûte terrestre, avant d’émerger à la surface !

—Fiorenza Gracci

 

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• De la vie au cœur de la Terre — S&V n°1151, 2013. Quelle incroyable hypothèse : l’origine de la vie aurait pu avoir lieu sous la surface de notre planète ! Les microbes retrouvés dans les profondeurs de la croûte terrestre sont légion. Ils portent un nom aussi étrange qu’eux : les “intraterrestres”.

 

Le phénomène de “quantified-self” (soi-quantifié) prend de l’ampleur : il y a de plus en plus de personnes adeptes du suivi à écran de leurs propres paramètres physiologiques. Un phénomène propulsé par la multiplication des capteurs à bas coût (inclus parfois dans les vêtements) et par la profusion des Applis gratuites ou payantes proposées aux possesseurs de smartphones et tablettes. Mais que sait-on de l’effet de cette pratique sur notre bien-être mental ? Garder son corps sous surveillance cela ne peut-il pas être… stressant ?

Une équipe de chercheurs de l’université de technologie d’Eindhoven (Pays-Bas) s’est penché sur ces questions. Et ses conclusions ouvrent bien des pistes de réflexion. Selon leur étude, l’une des premières du genre, l’effet stressant ou au contraire apaisant du soi-quantifié est fonction de la personnalité de celui qui s’y adonne et de la situation dans laquelle il se trouve – fonction savamment évaluée et chiffrée par les chercheurs à l’aide de modèles et méthodes statistiques.

 Régler ses paramètres de bien-être ou de stress sur les chiffres de l’écran

L’étude, qui a mobilisé 36 femmes et 38 hommes volontaires de 18 à 67 ans (27 ans de moyenne) et s’est concentrée sur le seul monitoring de la fréquence cardiaque, nous apprend d’abord de manière générale un fait inédit : les personnes ont une petite tendance à régler leur état de stress ou de bien-être suivant les données relayés par l’écran… Ce qui peut avoir du bon et du mauvais.

C’est mauvais dans une situation stressante, par exemple un calcul arithmétique à faire de tête (exercice demandé par les scientifiques). Les volontaires ayant accès à écran à leur fréquence cardiaque ont noté leur stress avec des niveaux supérieurs à ceux de volontaires soumis à la même tâche mais sans accès à leurs données.

Une échelle numérique de notation

La notation portait sur quatre propositions : “durant le test je me suis senti… 1) stressé, 2) calme, 3) relaxé, 4) tendu”. Pour chaque proposition, le candidat devait indiquer son jugement en choisissant l’une des 5 réponses suivantes : Pas du tout d’accord, Pas d’accord, Ni en désaccord ni d’accord, D’accord, Tout à fait d’accord. Cette notation, dite Échelle de Likert, permet de calculer des points en fonction des réponses apportées – ces notes subjectives étant pondérées par les données objectives des fréquences cardiaques enregistrées.

Dans une situation plutôt tranquille, par exemple durant l’écoute d’un morceau de jazz doux, c’est l’effet inverse qui a dominé : les volontaires du premier groupe notaient un état de bien-être (ou de manque de stress) supérieur à celui de l’autre groupe.

 La personnalité en jeu

Ce résultat, selon les chercheurs néerlandais, pourrait s’interpréter de deux manières : soit le monitoring de soi met les gens plus à l’écoute de leur corps, soit les gens croient aux chiffres mesurés aveuglément, ou du moins sans être plus à l’écoute du corps…

De fait, l’étude, qui a consisté en des séances de tests à l’écran de 20 minutes répétées plusieurs dizaines de fois avec différents groupes de volontaires, est très riche en pistes de ce type. Notamment, elle intègre des données sur certains traits de personnalité des volontaires.

 Les anxieux feraient mieux de s’abstenir

Concrètement, sont pris en considération deux des cinq personnalités définies dans le Handbook of Personality: Theory and Research (qui fait référence en psychologie) : la personnalité névrotique et la personnalité anxieuse. A l’aide de questionnaires à 8 et 16 questions destinées à mesurer le niveau de nevrotisme (ou neuroticisme ou névrosisme ou neurotisme) et d’anxiété de la personnalité des volontaires, sur une échelle de 1 à 7, les chercheurs ont pu inclure dans leur modèle statistique l’effet du monitoring en fonction de la note obtenue dans ces questionnaires.

Pour les personnalités de type très névrotique, qui ont une forte tendance à ressentir les choses négativement, les chiffres ont montré que l’accès à leur monitoring cardiaque les apaisait plutôt. Les chercheurs supposent que cela est lié à la vision négative qu’ils ont d’eux : pessimistes, ils sont rassurés quand ils constatent que leur rythme cardiaque n’est pas aussi élevé qu’ils le craignaient. Mais pour les personnalités anxieuses, l’effet serait inverse : l’accès au monitoring augmente le stress.

 Vers de nouvelles Applis ?

Ce type de recherche est encore trop rare à cause de la nouveauté du phénomène. Et comme l’admettent les chercheurs, il n’est qu’une esquisse appelée à être améliorée par de nouvelles études. Mais il pourrait déjà peut-être inspirer l’idée d’interfaces et d’applications de quantified-self plus en accord avec des facteurs de personnalité qu’on ignorait jusqu’ici…

— Román Ikonicoff

 

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•  Google, le nouvel Einstein – S&V n°1138 – 2012 – Depuis 2005 environ, la plupart des données qui circulent dans la Toile sont conservées dans les serveurs des grandes firmes d’internet. Grâce à cela, nous possédons une mémoire détaillée des activités humaines et des évènements passés et présents… que les scientifiques exploitent pour pister des épidémies, découvrir de nouvelles lois, soigner des maladies. La science des Big Data est en route.

 

 

C’est le Néerlandais Christiaan Huygens qui, en 1665, avait détecté l’étrangeté. Ce grand esprit du XVIIe siècle s’était étonné de voir que deux horloges à balancier – dont il est d’ailleurs l’inventeur – accrochées cote-à-cote finissaient par synchroniser le mouvement des masses oscillantes. Peu importait le mouvement initial : en quelques dizaines de minutes, les balanciers se stabilisaient dans un mouvement en parfaite opposition de phase.

Depuis lors, des générations de chercheurs ont tenté d’expliquer le phénomène, sans en finir totalement avec l’énigme, jusqu’aux travaux d’un mathématicien et d’un physicien de l’université de Lisbonne (Portugal). Les chercheurs semblent avoir trouvé la réponse la plus complète et générale, pouvant même s’appliquer à des oscillateurs électroniques.

 Deux horloges unies par une étrange sorte de “sympathie“

Huygens a raconté sa trouvaille dans plusieurs lettres à son ami mathématicien René-François de Sluse en 1665, où il qualifie le phénomène de “sympathie” entre les horloges. Il l’avait observé pour la première fois sur deux horloges accrochées au mur (alors qu’il était alité dans sa chambre) mais par la suite il ne l’avait étudié que dans le “cas de laboratoire” où elles sont suspendues à une barre en bois tenue par  deux chaises, comme le montre son dessin :

Huygens pensa d’abord que la synchronisation se faisait via les masses d’air déplacées par les balanciers, mais plus tard il se rectifia en postulant que l’effet était transmis par les mouvements (ou les oscillations) de la barre en bois consécutifs aux va-et-vient des balanciers… Sans le savoir, Huygens mettait le doigt sur ce qu’on appela bien plus tard les “systèmes chaotiques déterministes”, dont il ne possédait pas les outils mathématiques nécessaires à leur analyse.

 Une énigme déjà résolue, mais dans un cas particulier

L’effet est devenu au fil des ans une énigme de la physique, additionnant des explications partielles de la part de chercheurs qui se sont succédé. Et finalement l’explication a été trouvée au “cas de laboratoire”… Mais quid des horloges accrochées au mur, qui avaient inspiré le savant ? Aujourd’hui, l’énigme semble avoir trouvé sa conclusion après 350 ans de recherche.

De fait, le cas de laboratoire a été modélisé avec l’hypothèse de micro-mouvements de la barre soutenant les deux horloges. Selon la théorie, les deux horloges et la barre forment un système mécanique chaotique dont les déplacements internes évoluent vers une configuration stable, la seule du système (hormis l’immobilité), où l’opposition des battements stabilise la barre horizontalement.

Des “solitons” à la place des horloges

Mais avec un mur rigide, il n’y a pas de déplacement ! Comment alors transposer cette explication au cas du mur ? Les chercheurs ont alors développé un modèle reposant sur l’idée d’ondes sonores se propageant dans le mur. Des ondes produites deux fois par cycle de battement, provoquées par le clic de l’échappement. Or ces ondes solitaires traversant le mur sont un cas de ce que l’on nomme en physique des “solitons“. On en trouve en physique des matériaux, en cristallographie, en électronique, etc.

Grâce à ce concept, les chercheurs ont pu développer leur modèle avec les outils de la théorie du chaos et en s’inspirant des travaux préalables. En substance, les solitons envoyés de part et d’autre à travers le mur perturbent physiquement de manière microscopique le déroulement du mécanisme des horloges. Et le modèle montre que ces perturbations réciproques se compensent quand les battements des horloges sont en opposition.

Un modèle pour l’électronique

Le modèle étant formel, il n’y est question ni d’horloge ni de mécanique, seulement de solitons, de systèmes oscillatoires, de paramètres physiques du milieu traversé. Aussi, comme le précisent les chercheurs, il peut s’appliquer aux oscillateurs électriques, où ce sont des flux d’électrons qui oscillent, et à la question de leur couplage magnétique ou autre. Un phénomène au cœur de l’électronique des microprocesseurs, suivi à la loupe par les ingénieurs. La modélisation pourrait y trouver sa niche…

— Román Ikonicoff

 

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• La montre mécanique du troisième type – S&V n°1137 – 2012. Les horloges et les montres ont été l’une des grandes inventions techniques de tous les temps, aussi bien pour la vie sociale que pour la recherche scientifique. Depuis Christiaan Huygens, leur inventeur, les choses on changé… à peine.

 

Discrètes car invisibles à l’œil nu, elles ponctuent le ciel d’été par centaines, minuscules corolles lumineuses, d’une beauté à couper le souffle lorsque l’on a la chance de pouvoir les contempler dans un grand télescope… Les nébuleuses planétaires doivent leur nom à leur aspect visuel ; découvertes pour la plupart au XVIII e siècle, elles apparaissaient, vues à l’oculaire des télescopes de l’époque, comme de petits disques réguliers, évoquant l’aspect de la plus lointaine planète connue : Uranus.

Cette appellation leur est restée, mais les nébuleuses planétaires sont en réalité des coquilles de gaz chaud expulsées par les étoiles de masse comparable au Soleil en fin d’évolution. Déstabilisées par le manque de combustible nucléaire, les étoiles solaires, une fois brûlé leur hydrogène, consomment hélium, carbone, oxygène… Ces changements de régime transforment radicalement ces étoiles, qui se métamorphosent en gigantesques géantes rouges, qui se mettent à pulser lentement, comme de vieux cœurs fatigués. A la fin de cette phase instable, très rapide, les étoiles mourantes expulsent une partie de leur masse puis, devenues des naines blanches, s’éteignent doucement. C’est le destin attendu du Soleil, dans quelques milliards d’années.

Mais le rayonnement de la naine blanche – le cœur de l’ancienne étoile mis à nu – est tellement puissant qu’il illumine et chauffe le gaz de la coquille de gaz en expansion : les nébuleuses planétaires, chaudes, brillantes et colorées, sont d’éphémères mais magnifiques fleurs cosmiques.
On connaît environ mille cinq cents nébuleuses planétaires aujourd’hui dans la Voie lactée. Un nombre très modeste, qui s’explique par la longévité de ces astres : moins de dix mille ans avant qu’ils ne s’évanouissent dans l’ébène de l’espace.

Les plus brillantes nébuleuses planétaires sont des cibles de choix pour les télescopes d’amateurs. Si ces nébuleuses sont trop petites et trop pâles pour être vues à l’œil nu ou aux jumelles, elles peuvent être aperçues avec de modestes lunettes ou télescopes de 100 à 200 mm de diamètre, grossissant environ 200 x. Dans de tels instruments, elles apparaissent comme de petites taches rondes et floues, grises ou très légèrement verdâtres. Elles ressemblent souvent, effectivement, à Uranus et Neptune vues dans les mêmes conditions.

Les plus belles nébuleuses planétaires peuvent être admirées dans des télescopes d’amateurs plus conséquents, tels qu’on en trouve dans les clubs, les associations, ou les observatoires privés : observée dans un télescope de 300 à 600 mm de diamètre, une nébuleuse commence à révéler sa couleur verte si particulière.

Mais c’est avec des instruments plus puissants que ces astres extraordinaires se révèlent. Les astronomes qui ont eu la chance de contempler une nébuleuse planétaire dans un télescope de un ou deux mètres de diamètre peuvent en témoigner : ce spectacle est magique, irréel… En effet, ces nébuleuses brillent particulièrement dans une couleur qui n’existe pas à l’état naturel sur Terre : le rayonnement ultraviolet de la naine blanche qui éclaire et chauffe la nébuleuse excite, ionise, l’hydrogène qu’elle contient. Cette couleur monochromatique, d’une pureté et d’une beauté à couper le souffle, ce vert émeraude électrique, ne peut être rendue par aucune photographie.
Serge Brunier

Si l’on mettait bout à bout les doubles brins d’ADN contenus dans les 23 paires de chromosomes d’une seule cellule humaine, l’on obtiendrait un fil de 1 m 90. Pourtant, celui-ci se trouve replié en pelote dans le noyau de la cellule dont le volume est de quelques centaines de micromètres cube… Comment alors cette pelote si dense et enchevêtrée peut-elle remplir à la perfection son rôle d’usine à protéines, synthétisant à tout moment et en flux continu celles nécessaires au bon fonctionnement de la cellule ?

La question intrigue les chercheurs depuis longtemps… Mais aujourd’hui une équipe de physiciens russes de l’université de Moscou vient d’en montrer les principes de fonctionnement à l’aide d’une simulation informatique (ici, la version arXiv de l’article). De fait, cette pelote a une structure “fractale” très organisée qui lui permet notamment de regrouper spatialement de petites régions (gènes) naturellement éloignées dans le double-brin afin de déclencher une cascade de synthèses.

 Un noyau très dense et emmêlé, mais qui ne fait pas de nœuds

Les cellules humaines (et les autres à noyau) font un travail stupéfiant. A tout moment, leur ADN replié dans le noyau sous forme de chromatine, qui occupe 10 % de la cellule, produit des dizaines de protéines régulant son fonctionnement interne ou sortant de la cellule pour transmettre des informations aux autres. Mais pour accomplir une fonction biologique, plusieurs zones de l’ADN (réseau de gènes actifs) doivent se trouver cote-à-cote afin que les enzymes fassent leur travail de synthèse. Les enzymes s’accrochent alors aux séquences de double-brin, les transcrivent (copie) en forme de simple brin (ARN) lequel fabriquera les protéines.

La manière dont les 1 m 90 d’ADN s’organisent dans le volume du noyau intrigue les biologistes. En effet, quand on oblige une fibre, de polymère par exemple, à se replier dans une solution liquide, celle-ci forme une pelote qu’il est impossible de déplier d’un coup et totalement tant elle formera des nœuds et des “grumeaux” de fil intriqué.

 Un “monstre” mathématique au secours de l’ADN : le globule fractal

Mais l’ADN, lui, est plié de telle manière qu’il peut se déplier en un instant lors de la mitose (duplication de la cellule) sans faire de nœuds, ou déplier des boucles localement en périphérie du noyau. De plus ce repliement est tel qu’il rapproche spatialement différentes zones de l’ADN (des gènes codants), éloignées sur le double brin, pour qu’ils puissent agir de concert… Un exploit quand on songe que l’ADN contient plus 3 000 millions de paires de bases formant notamment 20 000 gènes codants.

Cet exploit, une équipe de physiciens a réussi à le simuler dans un supercalculateur à l’aide d’un modèle physique extrêmement complexe mais qui repose sur l’idée que le noyau est un “globule fractal”, une invention des mathématiciens qui jusqu’à récemment n’avait pas d’application dans le monde réel. Ce “monstre” mathématique est replié selon un schéma qui se répète à plusieurs échelles et est tel qu’un marcheur ne croiserait jamais deux fois un même lieu (pas d’intersections).

 La confirmation d’une hypothèse par l’ordinateur

La ressemblance entre le noyau cellulaire et un globule fractal a été postulée il y a plus de 20 ans, mais aucun modèle réaliste permettant de simuler concrètement le mode de repliement de l’ADN nucléaire en fonction de principes chimiques et physiques n’avait jusque-là pu être conçu.

Avec ce modèle les chercheurs montrent comment le noyau réussit les différents processus, de la synthèse synchronisée de protéines au dépliement de la mitose, en un temps adapté à l’urgence biologique malgré un environnement (milieu intracellulaire) très agité. Ce qui confirme l’hypothèse de l’ADN-globule fractale et donne un nouvel outil informatique à la recherche en biologie.

Román Ikonicoff

 

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• La mécanique de la vie – S&V n°1150 – 2013. Contraintes, frottements, contractions… les forces physiques agissent aussi sur les cellules, et influencent leur développement et leur organisation à l’intérieur de l’organisme. La division cellulaire, aussi, obéit aux lois de la physique !

• Les nouveaux mystères de l’ADN – S&V n°1145 – 2013 – Depuis la découverte de la structure de l’ADN, en 1953, les biologistes ne cessent de s’étonner de la sophistication de cette minuscule machinerie qui contient toutes les informations pour faire fonctionner un organisme vivant. C’est un véritable langage, dont les paroles sont des protéines, qui est loin d’avoir été parfaitement déchiffré.

• Ils ont créé des êtres presque vivants – S&V n°1157 – 2014 – C’est un fait : il y a 3,7 milliards d’années des organismes vivants ont commencé à émerger de l’inerte. Cela ne s’est pas fait du jour au lendemain : des dizaines de millions d’années durant lesquelles des formes intermédiaires, ni vivantes ni inertes, ont crû dans les océans. Les scientifiques tentent de comprendre et reproduire cette étape en laboratoire.