Vue aérienne du réseau fluvial de Yarlung Tsangpo au Tibet par le satellite Terra (NASA)

C’est une petite trouvaille bien curieuse que viennent d’exposer des chercheurs du célèbre M.I.T (Massachusetts Institute of Technologie) dans un article publié dans les comptes-rendus de l’Académie des sciences américaine (PNAS). En substance, une formule mathématique jusque-là utilisée pour le calcul des fissures et fractures dans les matériaux amorphes (verre et autres) s’appliquerait à merveille dans la prédiction du parcours d’une rivière en formation.

La découverte comble une lacune en géologie et pourrait, selon les chercheurs, s’appliquer à d’autres domaines comme celui de l’extension des défauts géologiques, la propagation des racines et la formation de réseaux neuronaux.

 La direction prise par la rivière est une question de symétrie

En résumé, les chercheurs ont montré que la direction de creusement d’un canal dans la roche terrestre, par exemple à partir d’une nappe phréatique en sous-sol, est défini par un principe de symétrie : la “tête” de creusement s’orientera de sorte à rendre symétrique les forces de pression du flux s’exerçant sur la roche. Ainsi, à un instant donné, si le courant est plus fort vers la gauche que vers la droite par exemple, l’orientation du creusement se modifie : elle tourne vers la gauche afin de rétablir la symétrie entre les forces exercées par le courant sur la roche, comme le représentent les deux figures ci-dessous.

Une surpression du flux (représentée par des lignes plus resserrées dans la figure de gauche) oblige la tête de creusement (en rouge) à se réorienter, ce qui rétablit la symétrie de la pression (figure de droite). Cohen et al., PNAS.

Le résultat des chercheurs n’est finalement pas si étonnant quand on y pense… mais justement il fallait y penser. De fait, il s’appuie sur un phénomène commun aux fissures, aux rivières et à un ensemble de processus se produisant à l’interface entre deux milieux, caractérisés par ce que les scientifiques nomment la croissance de canaux dans un “champ de diffusion” (Phase-field model). Ce qui est intéressant dans cette trouvaille est que l’équation exprimant les interactions entre un flux (d’eau, d’air, d’atomes ou d’énergie) et un support se moque de la nature des composants. En effet, entre l’eau coulant dans la terre et une fracture se produisant dans un matériau, il y a peu de points communs… si ce n’est l’équation elle-même.

 Une confirmation expérimentale avec 255 cas de rivières

Ainsi, grâce à ce modèle mathématique, les chercheurs ont évité l’écueil lié aux particularité géologiques du phénomène, lesquelles mettent en jeu des paramètres extrêmement complexes à intégrer dans les modèles comme l’érosion, la nature des sols concernés, etc. Toutes choses qui rendaient quasiment impossible de prévoir l’évolution des aquifères.

Simulation du creusement du réseau fluvial de Bristol (Floride) selon le modèle établi par les chercheurs (Cohen et al., PNAS)

Néanmoins, l’aspect très général du modèle a rendu nécessaire une confirmation expérimentale robuste. Les chercheurs ont alors testé l’universalité de la formule en l’appliquant à un cas particulier : les 255 branches du réseau fluvial de Bristol (en Floride). En prenant les données sur la forme et l’étendue de sa nappe phréatique, ils ont calculé les degrés de symétrie et appliqué leur modèle en chaque point lié à un embranchement du réseau, obtenant un résultat simulé compatible avec la forme réelle du réseau.

Selon les chercheurs, ce modèle prévisionnel, qui donne également la vitesse de creusement du canal, permettra d’anticiper l’évolution géologique de terrains situés près de sources ou de nappes phréatiques et, qui sait, peut-être anticiper également la croissance de fractures géologiques voire de réseaux de neurones.

– Román Ikonicoff

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Ce vieil if mâle écossais de 5000 ans exhibe à présent les baies rouges caractéristiques des femelles de cette espèce – Ph. Maigheach-gheal via Geograph.org / CCBY SA 2.0

Il côtoie depuis des siècles une petite église écossaise et son minuscule cimetière : difficile d’imaginer un cadre plus calme. Et pourtant le “Fortingall Yew”, le plus vieil arbre de Grande-Bretagne, que les botanistes estiment âgé de 5000 ans, traverse en ce moment un changement déconcertant. Identifié comme mâle depuis toujours, ce vieil if noueux et creux s’est mis à produire des baies !

L’intrigant phénomène a été constaté par Max Coleman, un botaniste de l’illustre Jardin botanique royal d’Édimbourg. Or, la norme de la génétique veut que la production de fruits soit l’apanage du sexe féminin ! Cet arbre est-il donc en train de changer de sexe ?

De l’aveu des botanistes eux-mêmes, ce phénomène rarissime est mal compris. L’espèce Taxus baccata est dioïque, c’est à dire à sexes séparés : certains individus naissent mâles, d’autres femelles. Tous deux produisent des fleurs, mais tandis que ceux des mâles se chargent de la production du pollen, les fleurs femelles présentent des pistils qui, une fois fécondés, se développent en fruits. Chez l’if, les fruits sont appelés “arilles”, des sortes de baies rouges sucrées entourant une graine à la dangereuse toxicité.

Un stress environnemental pourrait avoir déséquilibré les phytohormones de l’arbre

La question brûle donc les lèvres : par quel prodige ce vieil arbre mâle a-t-il pu générer des fruits ? Une hypothèse est un changement dans l’équilibre de ses phytohormones, les hormones végétales, des substances dont dépend l’expression des caractères sexuels de la plante. Ce déséquilibre peut se manifester suite à un stress dans l’environnement de la plante (comme l’aridité, des parasites, un changement de la composition du sol…), qui pourtant semble inaltéré d’après les botanistes.

Les arilles de l’if (délicieuses mais à la graine très toxique) sont normalement l’apanage des arbres de sexe féminin. – Ph. Liz West / Flickr / CC BY SA 2.0

Un autre phénomène pourrait bien expliquer cette étrange transsexualité chez les ifs : la mutation. Il arrive parfois, chez les conifères – dont ces arbres font partie – que les mâles affichent des fleurs femelles et vice-versa. Dans ce cas-là, c’est en fait la branche tout entière qui se développe suite à une mutation génétique : une recombinaison des gènes en cours de croissance dont seules les plantes sont capables.

Si tel était le cas, ce serait bien la première fois qu’on observe la mutation dans un arbre aussi ancien. D’autant que les plantes femelles nécessitent plus d’énergie que les mâles, car la production des fruits est une activité énergivore. Vu son âge, le Fortingall Yew a donc tout intérêt à ne pas effectuer une mutation complète vers le sexe féminin !

—Fiorenza Gracci

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Utilisée pour tracer des lettres sur un tableau ou une ardoise, la craie produit l’un des sons les plus désagréables qui soient. – Ph. polkadotcreations / Flickr / CC BY SA 2.0

Crrr… Le son de la craie qui glisse au tableau en a fait frissonner plus d’un sur les bancs d’école. Si ce crissement est aussi crispant à nos oreilles, c’est pour deux raisons physiologiques.

Premièrement, ce bruit intervient dans les fréquences auxquelles l’oreille humaine est la plus sensible, soit entre 2 000 et 4 000 Hz, qui sont proches de celles de la parole. Naturellement, nos conduits auditifs ont ainsi tendance à les amplifier.

Ensuite, le crissement prend l’oreille par surprise : elle n’a pas le temps de déclencher un réflexe de protection, dit “stapédien” qui fait normalement se contracter un petit muscle de l’oreille, l’étrier (ou stapes), dès lors qu’un son dépasse 80 décibels (dB). Or, le crissement d’une craie sur un tableau peut atteindre 100 dB — quand le seuil de la douleur est, lui, de 120 dB. Le réflexe stapédien, qui vise à atténuer le bruit avant son entrée dans l’oreille interne, afin d’éviter d’éventuels dégâts, devrait donc intervenir…

En 4 ou 5 millisecondes, le son de la craie arrive à l’oreille interne

“Sauf que le réflexe stapédien nécessite entre 6 et 8 millisecondes pour se déclencher, alors que le crissement de la craie est un bruit impulsionnel très court, de quatre à cinq millisecondes. L’onde acoustique atteint donc l’oreille interne avant que le mécanisme protecteur n’ait le temps de se mettre en place”, explique Christian Dubreuil, chirurgien ORL au centre hospitalier Lyon Sud.

Ainsi, “le son impulsionnel arrive directement à l’oreille interne, puis au cerveau, ce qui engendre une douleur ou une sensation très désagréable.”

Mais il y aurait une autre raison, psychologique celle-ci. Selon Arnaud Deveze, chirurgien et maître de conférences à l’hôpital universitaire Nord de Marseille : “Face à un bruit inattendu et chaotique, comme celui d’une craie sur un tableau, le corps humain réagit d’une façon émotionnelle et se contracte afin de le rejeter.”

Ceci découle du fait que chaque son est véhiculé depuis le cortex auditif jusqu’à l’amygdale, la partie du cerveau traitant les émotions. Elle évalue le son de la craie comme une information négative et renvoie au cortex auditif une sorte de signal de détresse, qui irrite doublement nos oreilles.

—L.P.C.

D’après Science&Vie n°1161

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Minéral de birnessite, tel qu’on le trouve dans la nature. Légèrement modifié, il transforme l’eau en oxygène et en hydrogène par l’action de la lumière (Copyright : Hannes Osterhammer; Beitrag Münchener Micromounter).

La nature regorge de trésors, encore faut-il savoir les dénicher. C’est ce qu’ont fait des chercheurs en découvrant qu’un matériau naturel nommé “birnessite” peut effectuer, moyennant une transformation en laboratoire, une photosynthèse qui coupe les molécules d’eau en oxygène et en hydrogène, par la simple action de la lumière, à l’instar de ce que font les plantes.

L’hydrogène ainsi extrait de ce processus peut alors servir comme carburant de piles à hydrogène pour de nombreuses applications. Cette découverte, fruit d’années de recherches et d’un heureux concours de circonstances, s’inscrit dans la quête de sources d’énergie propres et peu couteuses.

Une photosynthèse minérale

Au départ, ils ne visaient pas aussi haut : les chercheurs du Département d’ingénierie chimique et biomédicale de l’université d’État de Floride étudiaient les propriétés physico-chimiques de la birnessite, un matériau à base d’oxyde de manganèse, soit contenant des atomes d’oxygène (O) et de manganèse (Mn) que l’on trouve à l’état naturel dans les déserts et les fonds océaniques.

Produite par le dépôt lent d’atomes de Mn dans un milieu liquide, elle a une structure en lamelles (représentées par la formule MnO) qui emprisonne des atomes d’autres éléments chimiques (en bleu), comme le montre la figure ci-dessous.

Structure atomique de la birnessite (Crédit : Lucht, & Mendoza-Cortes, J. Phys. Chem. C)

Or les scientifiques savent que cette structure présente de similarités chimiques avec l’organisation atomique des molécules (ou complexes moléculaires) en jeu dans la photosynthèse au sein des plantes, ce que l’on nomme complexe d’oxydation de l’eau (COE).

La birnessite : une usine à hydrogène figée et inerte

Néanmoins, si la structure atomique de la birnessite est à une certaine échelle similaire au COE de la photosynthèse végétale, elle est inerte chimiquement, ne produisant aucune réaction active : la birnessite ressemble à un générateur d’hydrogène dont toutes les pièces du mécanisme seraient soudées entre elles – une sorte de pâle imitation figée du plan de la machine photosynthétique.

C’est là qu’intervient l’heureux concours de circonstances : afin d’étudier plus en détail la structure atomique du matériau, les chercheurs ont voulu isoler une lamelle de birnessite et modifier également le jeu d’atomes qui se greffent sur la structure de base. Et là, surprise : cette couche d’une épaisseur nanoscopique s’est animée chimiquement et s’est mise sous l’effet de l’éclairage à couper les molécules d’eau du milieu pour produire de l’oxygène et de l’hydrogène.

Transformation en laboratoire de la structure de la birnessite : extraction d’une simple couche (Crédit : Lucht, & Mendoza-Cortes, J. Phys. Chem. C)

 Vers une énergie propre et peu couteuse ?

Certes, la production de cette structure monocouche particulière nécessite de fournir de l’énergie (et peut-être d’émettre du CO2 et des polluants). Et si l’on compte le temps et l’argent qu’il a fallu investir pour que la connaissance et l’étude de ce matériau aboutisse à ce résultat, le bilan est négatif…

Mais une fois découvert ce nouveau matériau, l’industrie peut prendre le relai de la recherche académique et modifier le bilan global de l’opération. Peut-être qu’à l’avenir, si la faisabilité à grande échelle est confirmée, nous pourrons obtenir de l’énergie presque gratuitement et sans pollution, en faisant le plein d’eau de nos machines et voitures.

– Román Ikonicoff

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