Une fusion de trous noirs “interdits” abasourdit les astrophysiciens

Le 21 mai 2019, les vibrations de l'espace nées de la fusion des deux plus gros trous noirs stellaires connus ont traversé le Système solaire. D'où viennent ces trous noirs si massifs ? Une étude récente montre que le mystère est plus profond que nous ne le croyions.

(image : GW190521 : fusion des deux plus gros trous noirs stellaires jamais observés.)

Quand deux trous noirs se rencontrent, ils se tournent autour en un genre de tango gravitationnel, puis leurs horizons des événements respectifs finissent par se toucher : c'est ce que les astrophysiciens nomment la coalescence et la fusion. Un plus gros trou noir est né, mais dans ce cas-là, 2 masses solaires + 3 masses solaires = 4 masses solaires !

En effet, le trou noir fusionné possède alors une masse inférieure aux deux autres cumulées, la masse “perdue” étant convertie justement en ondes gravitationnelles que nous savons percevoir depuis bientôt 10 ans.

Le 21 mai 2019, les détecteurs LIGO (Washington) et VIRGO (Italie) détectèrent donc un signal très, très puissant, la plus grosse fusion de trous noirs stellaires jamais captée. Un trou noir de 66 masses solaires s'accouplait avec un autre de 85 masses solaires, créant un monstre de 142 masses solaires ! Tous les records étaient battus, mais les scientifiques furent sidérés, car ils considéraient cet épisode cosmique impossible. 

Un tel trou noir stellaire ne devrait pas exister !

Rappelons que les trous noirs dont nous savons détecter la fusion par ondes gravitationnelles n'ont rien à voir avec ceux de millions ou milliards de masses solaires qui logent au centre des galaxies. Ceux-là sont des trous noirs dits supermassifs et nous ne savons toujours pas comment ils se forment.

Les trous noirs dont il est ici question sont les plus communs et nous les connaissons très bien. Ils sont dits stellaires, c'est-à-dire que pour les former, il faut l'effondrement d'une étoile d'une masse d'au moins huit fois celle de notre Soleil. À l'article de sa mort, le cœur de l'étoile se charge d'éléments ultra lourds comme le fer et cette dernière explose en supernova, sauf le cœur justement qui, lui, s'effondre sous sa propre masse et devient un trou noir.

Mais un problème théorique s'est posé ce 21 mai 2019. Effectivement, les très, très grosses étoiles de plus de 65 masses solaires n'explosent pas comme les autres et ne devraient pas laisser de trou noir ! Sans trop entrer dans les détails, elles produisent de l'antimatière et se désintègrent dans ce qu'on appelle une supernova par instabilité de paires. Bref, pas de trou noir.

Ces trous noirs ne peuvent être nés que près d'un centre galactique...

Si on veut avoir l'esprit un peu ouvert et considérer que le premier trou noir de 66 masses solaires était à la limite de la théorie, alors pour lui ça va. Mais le second, celui de 85 masses solaires, était en plein dans la plage théoriquement interdite. Il faudrait donc le considérer déjà lui-même comme le produit de fusion d'autres trous noirs.

C'est ce qu'ont fait les chercheurs de l'étude en question, qui ont voulu déterminer les caractéristiques de ces ancêtres. Or ils se sont rendu compte que des trous noirs aussi massifs auraient donné une vitesse de recul très importante (un “kick”), et le seul moyen d'expliquer pourquoi ils ne se sont pas éjectés l'un l'autre est de les placer près d'un centre galactique, là où l'intense densité de matière les maintiendraient.

Ces trous noirs trop massifs se seraient donc formés près d'un noyau galactique. Alors, mystère résolu ? Pas vraiment… Jusqu'à maintenant, les astrophysiciens pensaient que le seul endroit où des trous noirs d'environ 100 à 10 000 masses solaires pouvaient se former était au sein des amas globulaires comme celui-ci :

Ces trous noirs de masse intermédiaire sont décidément bien, bien mystérieux. Et comme souvent, si ce n'est toujours, d'une observation naissent de multiples — et passionnantes — nouvelles interrogations

(Source : Kicking Time Back in Black Hole Mergers: Ancestral Masses, Spins, Birth Recoils, and Hierarchical-formation Viability of GW190521)

Fondements théoriques de l'énaction* : la précarité

Nous explorons en profondeur le concept de précarité au sein de l'énaction, une approche influente de la cognition issue des travaux de Maturana et Varela sur l'autopoïèse. L'objectif principal est de clarifier ce concept fondamental et de contribuer à un fondement théorique plus rigoureux pour l'énaction, applicable à divers phénomènes, y compris l'individualité sensorimotrice et sociale.

Introduction à l'énaction et à l'autonomie

L'énaction s'appuie sur le cadre conceptuel de l'autopoïèse développé par Maturana et Varela, qui met l'accent sur l'organisation des systèmes vivants en termes de processus auto-entretenus. L'autonomie, un concept central de l'énaction, est constituée de deux composantes : la clôture opérationnelle et la précarité.

- Clôture opérationnelle : Décrit un réseau de processus se soutenant mutuellement, où chaque processus est activé par d'autres processus du réseau, créant une boucle d'auto-organisation.

- Précarité : Se réfère à la fragilité et à la vulnérabilité inhérentes à ces systèmes autonomes, qui sont constamment menacés de désintégration. 

Types de précarité

Nous distinguons trois types de précarité, chacun reflétant différents aspects de la vulnérabilité des systèmes autonomes :

1 - Précarité systémique : La capacité d'un système à perdre son intégrité en tant que système. Si le réseau de processus se désintègre, l'identité du système est perdue. Cette forme de précarité est la plus fondamentale et souligne la menace constante d'extinction qui pèse sur les systèmes autonomes.

2 - Précarité processuelle : Non seulement le système est fragile, mais les processus mêmes qui le constituent sont également fragiles. Même si l'organisation du système est perdue, les processus constitutifs peuvent continuer à fonctionner de manière isolée.

3 - Précarité thermodynamique : S'applique aux systèmes physiquement instanciés dont la forme dépend des conditions thermodynamiques. Les relations temporelles strictes entre les processus, les flux d'énergie et les taux de réaction sont essentiels au maintien de l'organisation.

Le "Jeu de la Vie" de Conway comme modèle

Pour illustrer ces différents types de précarité, nous utilisons le "Jeu de la Vie" de Conway comme modèle-jouet. Dans ce modèle, un planeur (une configuration de cellules qui se déplace à travers la grille) est utilisé pour représenter un système autonome. Les perturbations du planeur peuvent entraîner sa désintégration, illustrant ainsi la précarité systémique. De même, la dépendance du planeur à des processus spécifiques pour son maintien illustre la précarité processuelle.

Importance théorique et implications

L'analyse de la précarité vise à clarifier les fondements théoriques de l'énaction et à fournir un cadre plus formel pour comprendre les phénomènes liés à l'autonomie et à la cognition. En distinguant différents types de précarité,  nous mettons en évidence la complexité et la richesse du concept, soulignant la nécessité d'une analyse approfondie pour une application cohérente et rigoureuse.

Conclusion

Nous soulignons  l'importance d'une analyse systématique des concepts fondamentaux de l'énaction, tels que la précarité. L'utilisation de modèles-jouets permet de concrétiser l'analyse et d'explorer les différentes significations de la précarité. Les auteurs suggèrent que cette approche peut contribuer à une compréhension plus approfondie de l'autonomie et de la cognition, et ouvrent des pistes pour de futurs travaux de recherche.

Physique : des chercheurs observent une “pluie quantique” pour la première fois 

Des chercheurs ont récemment observé, pour la première fois, un phénomène baptisé " pluie quantique ", à la frontière entre la physique des fluides classique et la mécanique quantique. Cette découverte, réalisée grâce à une expérience sophistiquée, ouvre de nouvelles perspectives pour la compréhension fondamentale de la matière et pour le développement de technologies quantiques avancées2.

Points clés et aspects novateurs

1. Contexte physique classique et analogie

- Le phénomène de la formation de gouttelettes (ex : pluie sur une vitre) est régi par des principes classiques, notamment le principe de moindre action (Lagrange) qui conduit à la minimisation de la surface d’un liquide, et donc à la formation de gouttes sphériques via la tension superficielle.

- Cette tension superficielle est aussi responsable de l’instabilité de Plateau-Rayleigh : un jet de liquide finit par se fragmenter en gouttelettes au-delà d’une certaine longueur, phénomène fondamental en physique des fluides et crucial dans de nombreux domaines appliqués.

2. Question centrale et nouveauté expérimentale

La question fondamentale posée par les chercheurs : ces phénomènes classiques (tension superficielle, instabilité de Plateau-Rayleigh) existent-ils aussi dans le monde quantique ?

Jusqu’à présent, ces instabilités étaient connues dans les liquides classiques et observées dans l’hélium superfluide, mais jamais dans un gaz atomique ultrafroid.

3. L’expérience : création et manipulation de gouttelettes quantiques

- Les chercheurs ont utilisé un mélange gazeux de rubidium-87 et de potassium-41, refroidi à une température proche du zéro absolu, pour créer des gouttelettes quantiques, entités stabilisées uniquement par des effets quantiques.

- Grande innovation : introduction d’un laser comme " tuteur électromagnétique " permettant de canaliser ces gouttelettes et de les étirer en filaments sur une longue distance, créant ainsi une analogie structurelle avec les jets de liquide classique.

4. Observation de la " pluie quantique "

- À partir d’une distance critique, ces filaments quantiques deviennent instables et se fragmentent en plusieurs gouttelettes individuelles, reproduisant à l’échelle quantique l’instabilité de Plateau-Rayleigh observée dans les jets de liquides classiques.

Cette dynamique de rupture a été décrite à l’aide d’expériences et de simulations numériques, confirmant que l’instabilité capillaire existe aussi dans le domaine quantique.

5. Implications fondamentales et technologiques

- Cette observation prouve que certains phénomènes de la physique des fluides classiques trouvent leur équivalent dans le monde quantique, ce qui éclaire la frontière entre physique classique et quantique, encore largement inexplorée et source de nombreuses énigmes scientifiques2.

- Les gouttelettes quantiques pourraient servir de base à la création de réseaux pour des applications futures en technologies quantiques (ordinateurs, capteurs), en optique, nanotechnologies et science des matériaux.

Cette avancée offre un nouveau cadre expérimental pour manipuler et étudier la matière quantique, ouvrant la voie à de potentielles innovations dans la compréhension et l’utilisation des états exotiques de la matière.

Points particulièrement intéressants et novateurs

- Première observation de l’instabilité de Plateau-Rayleigh dans un gaz atomique quantique : jusqu’ici jamais observée dans ce contexte, elle était limitée aux liquides classiques et à l’hélium superfluide24.

- Utilisation du laser comme guide d’ondes pour structurer la matière quantique : cette méthode permet de manipuler la forme et la dynamique des gouttelettes quantiques de manière inédite2.

- Confirmation expérimentale d’une analogie profonde entre physique classique et quantique : la découverte montre que les lois gouvernant la fragmentation des jets de liquide s’appliquent aussi à des systèmes quantiques, ce qui rapproche deux domaines traditionnellement séparés.

- Perspectives applicatives : la possibilité de créer et de contrôler des réseaux de gouttelettes quantiques ouvre des perspectives pour les technologies de l’information quantique et la conception de nouveaux matériaux.

Conclusion

La découverte de la " pluie quantique " représente une avancée majeure dans la compréhension de la matière à l’interface du monde classique et quantique. Elle offre un nouveau terrain d’exploration pour la physique fondamentale et des applications potentielles dans les technologies quantiques, tout en illustrant la puissance des analogies entre phénomènes macroscopiques et quantiques.

 

Insolite : quand les spermatozoïdes défient la troisième loi de Newton

Découvrez comment les spermatozoïdes défient les lois de la physique ! Une étude récente révèle que ces cellules microscopiques nagent à contre-courant des principes newtoniens. Plongez dans le monde captivant de la reproduction, où la nature repousse les limites de la science. Comment ces minuscules nageurs parviennent-ils à se déplacer dans des fluides visqueux ? La réponse pourrait changer la robotique et notre compréhension du vivant.

-  Le défi microscopique : nager contre vents et marées

-  Une danse complexe au cœur de la vie

-  Des implications révolutionnaires pour la science et la technologie

La troisième loi de Newton, pilier fondamental de la physique classique, se trouve bousculée par un acteur inattendu : le spermatozoïde. Cette cellule reproductrice, essentielle à la perpétuation de l'espèce, semble défier les principes établis il y a plus de trois siècles. Une équipe de chercheurs dirigée par Kenta Ishimoto de l'Université de Kyoto a récemment mis en lumière ce phénomène intrigant, ouvrant la voie à de nouvelles perspectives dans le domaine de la microrobotique et de la biologie cellulaire.

Le défi microscopique : nager contre vents et marées

Les spermatozoïdes, ces nageurs microscopiques, évoluent dans un environnement qui devrait, en théorie, les immobiliser. Pourtant, ils parviennent à se propulser efficacement grâce à leur flagelle, cette queue en forme de fouet qui les caractérise. Comment expliquent-ils cet exploit ?

La clé réside dans ce que les scientifiques appellent l'élasticité impaire. Cette propriété unique permet aux flagelles de se déformer sans perdre d'énergie dans le fluide environnant. Par voie de conséquence, les spermatozoïdes peuvent avancer sans provoquer de réaction égale et opposée de leur milieu, contournant astucieusement la troisième loi de Newton.

Voici un tableau comparatif des caractéristiques de mouvement :

Objet                      Milieu                    Comportement

Bille                        Air                         Respect de la 3e loi de Newton

Spermatozoïde      Fluide visqueux    Défi de la 3e loi de Newton

Une danse complexe au cœur de la vie

L'étude, publiée dans PRX Life ne s'est pas limitée aux spermatozoïdes humains. Les chercheurs ont également modélisé le comportement d'algues vertes unicellulaires, les Chlamydomonas. Ces organismes utilisent également des flagelles pour se déplacer, offrant de ce fait un point de comparaison intéressant.

Les scientifiques ont découvert que le mouvement ondulatoire des flagelles ne s'expliquait pas uniquement par leur élasticité impaire. Ils ont dû introduire un nouveau concept : le module élastique impair. Ce terme décrit les mécanismes internes complexes qui permettent aux flagelles de générer leur mouvement propulsif sans succomber aux forces de viscosité.

Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives pour :

- la compréhension de la fertilité humaine ;

-  le développement de microrobots biomimétiques ;

-  l'étude des comportements collectifs à l'échelle microscopique.

Des implications révolutionnaires pour la science et la technologie

La capacité des spermatozoïdes à défier la loi de Newton n'est pas qu'une curiosité scientifique. Elle pourrait avoir des répercussions majeures dans divers domaines. En médecine reproductive, une meilleure compréhension du mouvement des spermatozoïdes pourrait améliorer les techniques de fécondation in vitro et le traitement de l'infertilité masculine.

Dans le domaine de la robotique, ces découvertes inspirent déjà la conception de micro-nageurs artificiels. Ces minuscules robots pourraient un jour naviguer dans le corps humain pour délivrer des médicaments de manière ciblée ou effectuer des interventions chirurgicales microscopiques.

En addition, les modèles mathématiques développés pour cette étude pourraient s'appliquer à d'autres systèmes biologiques complexes, comme le mouvement des oiseaux en vol ou le comportement des particules dans les fluides. Par suite, cette recherche sur les spermatozoïdes pourrait paradoxalement nous aider à mieux comprendre des phénomènes à plus grande échelle.

La nature, une fois à cela s'ajoute que, nous montre qu'elle recèle encore de nombreux secrets. En défiant nos lois physiques les plus établies, les spermatozoïdes nous rappellent que la frontière entre l'impossible et le possible n'est souvent qu'une question de perspective et d'échelle.

Comment le cerveau déforme la réalité temporelle
En 1973 Benjamin Libet de l’université d’état de Californie à San Francisco, dans une série d’expériences fascinantes, a prouvé que la prise de conscience suite à un stimulus sensoriel, (stimulation électrique sur le cerveau) se produit 500 millisecondes (temps neuronal) après le stimulus.
Lors de certaines opérations du cerveau, il a obtenu l’autorisation des patients de réaliser une expérience, qui consistait à stimuler avec des électrodes la zone du cerveau à l’air libre, (la boite crânienne étant ouverte ) qui correspondait à la zone d’activité d’une piqûre au doigt. Le sujet réveillé déclare après 500 millisecondes sentir la piqûre.
C’est-à-dire que la plupart des expériences conscientes, requièrent une période minimale substantielle d’activation corticale de 350 à 500 millisecondes pour accéder à la conscience.
Ben Libet a profité de certaines opérations du cerveau où celui-ci est ouvert et où le patient est réveillé pour stimuler directement le cerveau et observer les réactions du patient. En fait, il stimulait d’abord un doigt (avec une petite décharge électrique), puis il mesurait le temps pour que le sujet ressente une piqûre au doigt. Ça donnait 25 millisecondes.
Ensuite, il stimulait directement le cerveau sur la zone correspondant à la main. Le sujet ressent bien une piqûre à la main (et non pas au cerveau), mais seulement au bout de 500 millisecondes. De plus, pour que le sujet ressente une piqûre, il fallait envoyer un train de choc, et non pas un choc unique.
Ben Libet a ensuite combiné les deux expériences : il a d’abord stimulé le doigt, puis 200 ms plus tard il stimule le cerveau avec un train de chocs. Le sujet ressent une seule piqûre, 700 ms après la stimulation du doigt. Comme les chocs électriques fait au cerveau sont plus faibles que ceux faits au doigt, et comme le sujet ne ressent qu’une faible piqûre, on sait que la piqûre qu’il a ressenti après 700 ms était la stimulation du cerveau. Celle effectuée sur le doigt est donc passée à la trappe.
Puis Libet recommence (le doigt, puis le cerveau), mais en laissant cette fois un délai de 500 ms entre les deux stimulations. Toujours rien : le sujet ne perçoit qu’une seule piqûre, 1 seconde après la première stimulation (c’est-à-dire 500 ms après la stimulation du cerveau).
Libet recommence une dernière fois, mais en laissant plus de 500 ms entre les deux stimulations. Là, le patient ressent bien 2 piqûres, la première 25 ms après la première stimulation (au doigt), et la deuxième 500 ms après la deuxième stimulation (au cerveau).
Libet a tiré plusieurs conclusions de ces expériences :
1- L’influx nerveux met 25 ms pour parvenir du doigt au cerveau.
2- Il faut 500 ms pour être conscient de quelque chose, puisque c’est le délai entre la stimulation du cerveau et la sensation afférente.
3- Une stimulation au cerveau moins de 500 ms après une première stimulation au doigt nous empêche d’être conscients d’une piqûre dont nous serions normalement conscients au bout de 25 ms.
Évidemment ça pose un problème, puisque le temps d’élaboration d’une sensation consciente est bien de 500 ms (475 ms en fait, puisqu’il faut compter le temps que l’influx nerveux arrive du doigt au cerveau). Comment se fait-il que dans la réalité, nous soyons conscients d’un stimuli après 25 ms seulement ? La solution que propose Libet est incroyable : il suggère ni plus ni moins que la conscience antidate la sensation en retournant en arrière dans le temps de 475 ms.
Cette expérience est la confirmation scientifique, que la conscience volontaire arrive beaucoup trop tard pour être à l’origine de l’action.
Et si le cerveau peut initier nos mouvements volontaires, avant même l’apparition d’une volonté consciente de faire ces mouvements, quel rôle reste-t-il pour la conscience?
Les expériences de Libet soulignent que tout ce qui se produit est d’abord inconscient, avant de devenir conscient.
Cette expérience a été vérifiée par d’autres scientifiques, et notamment Patrick Haggard qui travaille à l’Institut des neurosciences cognitives de l’University Collège de Londres, où Il dirige une équipe d’une dizaine de chercheurs.

Vous voulez une preuve moderne de l’évolution ? Regardez les éléphants du Mozambique

L’évolution est souvent perçue comme un phénomène lent et graduel qui a pris des millions d’années pour façonner la vie sur Terre. Cependant, certains événements peuvent accélérer ce processus de manière spectaculaire comme l’illustre l’évolution des éléphants dans le parc national de Gorongosa, au Mozambique.

Qu’est-ce que la sélection naturelle ?

La sélection naturelle est un mécanisme fondamental de l’évolution qui a été décrit pour la première fois par Charles Darwin au dix-neuvième siècle. Ce processus repose sur plusieurs principes clés. Tout d’abord, dans chaque population d’êtres vivants, il existe des variations entre les individus. Ces variations peuvent surgir à la suite d’erreurs lors de la réplication de l’ADN, ce qui conduit à des modifications génétiques aléatoires. Ces changements, qu’ils soient bénéfiques, neutres ou nuisibles, sont essentiels, car ils sont transmis aux descendants qui héritent des caractéristiques de leurs parents.

Dans un environnement donné, certains traits peuvent alors conférer un avantage aux individus. Ces derniers ont alors plus de chances de survivre et donc de se reproduire pour transmettre leurs traits avantageux à la prochaine génération. Au fil du temps, ces traits favorables deviennent plus fréquents dans la population. Ainsi, la sélection naturelle agit comme un processus dynamique qui favorise les caractéristiques bénéfiques pour la survie et la reproduction, permettant aux espèces de s’adapter continuellement à leur environnement.

Toutefois, l’évolution est généralement perçue comme un processus lent qui s’étale sur de nombreuses générations et où de petites modifications s’accumulent au fil du temps, souvent trop subtiles pour être remarquées au cours d’une seule vie humaine. Néanmoins, dans des situations exceptionnelles, les effets de la sélection naturelle peuvent se manifester en seulement quelques années. C’est précisément ce qui s’est produit chez les éléphants du Mozambique.

L’impact de la guerre civile sur les éléphants de Gorongosa

Entre 1977 et 1992, le Mozambique a été dévasté par une guerre civile qui a entraîné la mort de près d’un million de personnes et une forte diminution de la biodiversité dans la région. Le parc national de Gorongosa, autrefois riche en faune, a notamment subi des pertes dramatiques de ses populations d’animaux, en particulier les éléphants. Ces derniers étaient en effet chassés pour leur ivoire qui pouvait être vendu sur le marché noir pour financer les factions en guerre. Les conséquences ont été dévastatrices : la population d’éléphants a chuté de plus de 90 % à cette époque.

Cependant, cette période difficile aura également ouvert la voie à une évolution rapide. Une étude publiée en 2021 a en effet révélé que la fréquence des éléphants femelles nées sans défenses avait considérablement augmenté. Avant la guerre, seulement 18,5 % des éléphants femelles n’avaient pas d’ivoire ; après le conflit, ce chiffre a grimpé à 50,9 %.

 L’évolution en action

Ce phénomène s’explique simplement par le processus de sélection naturelle. Les éléphants sans défenses avaient de meilleures chances de survie. Et pour cause, en l’absence d’ivoire, ils n’étaient pas ciblés par les braconniers, ce qui leur permettait de vivre plus longtemps et de se reproduire. Ces éléphants sans défenses ont donc eu l’opportunité de transmettre leurs gènes à leurs descendants. Ainsi, la proportion d’éléphants sans défenses a rapidement augmenté au sein de la population.

Les processus par lesquels aucun éléphant mâle sans défenses n’a été observé dans la population de Gorongosa ne sont pour l’heure toujours pas clairs. Cependant, cela pourrait être lié à un gène spécifique impliqué dans le développement des défenses connu sous le nom d’AMELX. Il est en effet associé à un trait létal dominant lié au chromosome X pour les mâles. En d’autres termes, les fœtus mâles qui portent cette mutation ont peu de chances de survivre à la grossesse, car contrairement aux femelles, ils ne disposent pas d’un second chromosome X qui pourrait atténuer les effets du gène AMELX.

En somme, l’exemple des éléphants de Gorongosa souligne à quel point les actions humaines peuvent influencer l’évolution d’autres espèces. Les guerres, le braconnage et la destruction des habitats créent en effet des pressions de sélection qui peuvent entraîner des changements rapides dans les populations animales.



 

Des millions d’années dans l’ombre : la vraie raison pour laquelle les mammifères sont restés petits

La fascination des humains pour les dinosaures géants ne cesse de grandir, mais pourquoi nos mammifères modernes semblent-ils si minuscules en comparaison ? Les titanesques sauropodes pouvaient atteindre plus de 20 mètres de haut et peser jusqu'à 80 tonnes, tandis que nos plus grands mammifères terrestres actuels culminent à peine à 5 mètres. Cette disparité de taille, loin d'être anodine, s'explique par des différences fondamentales d'anatomie, de physiologie et d'écologie.

Les fossiles de dinosaures continuent de nous impressionner par leurs dimensions colossales. Les recherches menées jusqu'en ce début 2025 révèlent pourquoi nos mammifères contemporains - même les plus imposants comme l'éléphant d'Afrique ou la girafe - ne peuvent rivaliser avec ces géants disparus. Plusieurs facteurs biologiques et environnementaux expliquent cette incapacité des mammifères à atteindre des tailles comparables, malgré des millions d'années d'évolution.

La reproduction et ses limites incontournables

Le premier frein majeur au gigantisme des mammifères réside dans leur mode de reproduction. Contrairement aux dinosaures qui pondaient plusieurs œufs simultanément, les mammifères portent leurs petits. Cette contrainte anatomique impose des limites physiques considérables.

La gestation des mammifères mobilise une quantité phénoménale d'énergie et de ressources. Plus troublant encore, la taille du canal pelvien constitue un véritable goulot d'étranglement évolutif. Au-delà d'une certaine dimension, le bassin ne peut plus permettre le passage des nouveau-nés sans compromettre la capacité de locomotion de la mère.

Les dinosaures, quant à eux, bénéficiaient d'un avantage reproductif déterminant. La ponte leur permettait de se reproduire plus fréquemment sans s'alourdir pendant de longues périodes. Cette caractéristique leur offrait la possibilité de grandir sans la contrainte anatomique imposée par la nécessité de donner naissance à des petits vivants.

Une physiologie qui détermine la taille maximal

L'architecture corporelle des mammifères impose également des restrictions fondamentales à leur croissance. Le système respiratoire des dinosaures, similaire à celui des oiseaux modernes, comportait des sacs aériens infiltrant leur squelette. Cette adaptation leur conférait une légèreté structurelle exceptionnelle.

Les os creux des dinosaures réduisaient considérablement leur poids tout en maintenant une résistance mécanique suffisante. Cette caractéristique anatomique permettait une meilleure oxygénation et une résistance accrue à l'écrasement par leur propre masse. Les mammifères, avec leurs os pleins et denses, atteignent plus rapidement les limites bioméchaniques.

La thermorégulation joue également un rôle crucial dans cette équation. Les mammifères, en tant qu'endothermes, produisent leur propre chaleur interne. Cette capacité exige une consommation énergétique dix fois supérieure à celle d'un reptile ou d'un dinosaure de taille équivalente. Ces derniers, probablement mésothermes, économisaient considérablement d'énergie, la redirigeant vers leur croissance plutôt que vers le maintien de leur température corporelle.

L'environnement et ses contraintes évolutives

Les conditions environnementales déterminent fortement les possibilités d'émergence du gigantisme. Une étude publiée dans Science en 2023, intitulée A macroevolutionary pathway to megaherbivory, souligne l'importance des vastes étendues sans barrière naturelle pour favoriser l'apparition d'animaux géants.

Les forêts luxuriantes du Mésozoïque offraient des ressources abondantes et constantes, indispensables au maintien d'animaux de plusieurs dizaines de tonnes. L'évolution des écosystèmes vers des environnements plus fragmentés et moins productifs a considérablement limité les possibilités d'émergence de nouveaux géants terrestres.

L'impact humain constitue désormais un facteur supplémentaire. Comme le souligne le paléontologue Geerat Vermeij, les activités humaines ont éliminé environ 90 % des grands animaux terrestres. Cette pression sélective artificielle empêche toute possibilité d'évolution vers des formes plus grandes dans les conditions actuelles.

Les titans des océans, derniers géants de notre Planète

Si les mammifères terrestres semblent condamnés à rester relativement petits, les mammifères marins échappent partiellement à cette règle. La poussée d'Archimède en milieu aquatique permet de contourner certaines contraintes gravitationnelles.

Le rorqual bleu, pouvant atteindre 30 mètres et 200 tonnes, représente l'animal le plus massif ayant jamais existé sur Terre. Cette exception confirme paradoxalement la règle : sur terre, le poids devient rapidement un obstacle infranchissable. Un cachalot ou une baleine bleue échoués meurent rapidement, incapables de supporter leur propre masse hors de l'eau.

Les dinosaures, avec leurs adaptations spécifiques, ont su conquérir cette niche écologique du gigantisme terrestre que les mammifères ne pourront jamais occuper, malgré des millions d'années d'évolution et d'adaptation.

La fécondation de l'ovule par le spermatozoïde, filmée pour la première fois

Une fois arrivé à l'ovule, le spermatozoïde ne peut déclencher la fécondation que si son flagelle bat à la bonne cadence. Une découverte, réalisée par un doctorant français, qui montre que la fécondation est loin d'avoir livré tous ses secrets.

(photo Un spermatozoïde de souris en interaction avec un ovule six minutes après le contact initial (microscope confocal - grossissement x40)

En mars 2016, Benjamin Ravaux, un étudiant diplômé de physique à l'École Normale Supérieure de Paris, sous la direction de Christine Gourier, est parvenu à filmer, pour la première fois, la fusion entre un spermatozoïde et un ovule (chez la souris), grâce à une technique inédite. Grâce à ses vidéos, il scrute le moindre détail de cet instant crucial où le spermatozoïde atteint enfin sa cible puis fusionne avec elle. L'une de ses découvertes majeures sur la fécondation, qui a fait l'objet d'une publication dans la revue Scientific Reports, concerne le battement du flagelle du spermatozoïde. Ce dernier ne sert pas seulement à amener le spermatozoïde jusqu'à l'ovule, il permet aussi de déclencher la fécondation après l'entrée en contact, mais pour cela, encore faut-il qu'il trouve la bonne cadence !

"Si l’on empêche la bonne cadence, la fécondation n'a pas lieu"

Comme on le découvre dans la vidéo ci-dessous, issue de l'étude, une fois arrivée à l'ovule, la tête du spermatozoïde doit exercer un "pompage" de la membrane de sa cible, 1 000 fois plus grande, pendant deux minutes. Cette action, générée par le mouvement du flagelle, est une réussite si et seulement si ce dernier "arrive à maintenir une cadence de 2 battements par seconde et une amplitude d’une vingtaine de degrés dans un plan perpendiculaire à la surface de l’ovocyte", nous explique Benjamin Ravaux. Les spermatozoïdes animés d’un battement plus vigoureux, moins ample, ou encore dans un plan non perpendiculaire à l’ovocyte, sont voués à ne jamais fusionner. "Si l’on empêche la bonne cadence, la fécondation n'a pas lieu", résume le doctorant. 

Après 2 minutes de rythme intense, le mouvement du flagelle s’arrête brusquement et dans la minute qui suit, les membranes des deux cellules fusionnent pour n’en former plus qu’une. La tête du spermatozoïde, qui renferme le matériel génétique du père sous forme d’une pelote compacte d’ADN, va entamer un lent plongeon de 45 minutes dans l’ovule en s’inclinant progressivement par rapport à sa position initiale. Au cours de ce plongeon, la membrane qui délimitait le volume occupé par l’ADN paternel se détériore petit à petit, mais pourtant l’ADN reste pelotonné. Ce n’est qu’au bout de 45 minutes que l’ADN se relâche pour occuper un volume beaucoup plus important. "J'espère que ces découvertes aboutiront à des méthodes efficaces pour diagnostiquer les causes de l'infertilité et améliorer les techniques de procréation médicalement assistée", conclut Benjamin Ravaux.

Une technique pour observer la fécondation

Pourquoi était-il si difficile d'observer la fusion entre un spermatozoïde et un ovule s'avère complexe ? "Car la forte mobilité des spermatozoïdes et la grande taille des ovocytes rendent imprévisible le lieu de rencontre, explique Benjamin Ravaux. Même muni des techniques d’imagerie optiques les plus performantes, l'observateur ne saurait où positionner son objectif pour filmer la rencontre fusionnelle avec la résolution requise pour en appréhender les mécanismes et pour en déterminer la chronologie détaillée." C'est pourquoi le doctorant a conçu un dispositif lui permettant de contrôler avec précision l'emplacement de la membrane où une cellule sexuelle mâle fusionne avec un ovule : une puce en silicone étanche est disposée sur une lame de verre, un spermatozoïde est placé sur la partie inférieure de la puce et l'ovule à l'opposé, à l'intérieur d'un "coquetier" miniature. Une petite ouverture de 30 microns (millionièmes de mètres de large) se trouve en bas du "coquetier", formant une connexion avec la partie inférieure de la puce. Lorsque le spermatozoïde est inséré sur la puce, celui-ci nage à travers l'ouverture et fusionne avec l'ovule. Cette "puce-FIV" a l'avantage d'être compatible avec les technologies d'imagerie optique comme la microscopie confocale, permettant d'obtenir des images en haute résolution.

Origine de la vie: la pièce manquante détectée dans une "comète artificielle"
Pour la première fois, des chercheurs montrent que le ribose, un sucre à la base du matériel génétique des organismes vivants, a pu se former dans les glaces cométaires. Pour parvenir à ce résultat, des scientifiques de l'Institut de chimie de Nice (CNRS/Université Nice Sophia Antipolis) ont analysé très précisément une comète artificielle créée par leurs collègues de l'Institut d'astrophysique spatiale (CNRS/Université Paris-Sud). Ils présentent ainsi, en collaboration avec d'autres équipes dont une du synchrotron SOLEIL, le premier scénario réaliste de formation de ce composé essentiel, encore jamais détecté dans des météorites ou dans des glaces cométaires. Étape importante dans la compréhension de l'émergence de la vie sur Terre, ces résultats sont publiés dans la revue Science le 8 avril 2016.
Le traitement ultraviolet des glaces pré-cométaires (à gauche) reproduit l'évolution naturelle des glaces interstellaires observées dans un nuage moléculaire (à droite, les piliers de la création), conduisant à la formation de molécules de sucre.Image de gauche © Louis Le Sergeant d'Hendecourt (CNRS).Image de droite © NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Tous les organismes vivants sur Terre, ainsi que les virus, ont un patrimoine génétique fait d'acides nucléiques - ADN ou ARN. L'ARN, considéré comme plus primitif, aurait été l'une des premières molécules caractéristiques de la vie à apparaitre sur Terre. Les scientifiques s'interrogent depuis longtemps sur l'origine de ces molécules biologiques. Selon certains, la Terre aurait été "ensemencée" par des comètes ou astéroïdes contenant les briques de base nécessaires à leur construction. Et effectivement, plusieurs acides aminés (constituants des protéines) et bases azotées (l'un des constituants des acides nucléiques) ont déjà été trouvés dans des météorites, ainsi que dans des comètes artificielles, reproduites en laboratoire. Mais le ribose, l'autre constituant-clé de l'ARN, n'avait encore jamais été détecté dans du matériel extraterrestre, ni produit en laboratoire dans des conditions "astrophysiques". En simulant l'évolution de la glace interstellaire composant les comètes, des équipes de recherche françaises ont réussi à former du ribose - étape importante pour comprendre l'origine de l'ARN et donc les origines de la vie.
Le ribose (et des molécules de sucres apparentées, comme l'arabinose, le lyxose et le xylose) ont été détectés dans des analogues de glaces pré-cométaires grâce à la chromatographie multidimensionnelle en phase gazeuse. Le ribose forme le "squelette" de l'acide ribonucléique (ARN), considéré comme le matériel génétique des premiers organismes vivants.© Cornelia Meinert (CNRS)
Dans un premier temps, une "comète artificielle" a été produite à l'Institut d'astrophysique spatiale: en plaçant dans une chambre à vide et à ? 200 °C un mélange représentatif d'eau (H2O), de méthanol (CH3OH) et d'ammoniac (NH3), les astrophysiciens ont simulé la formation de grains de poussières enrobés de glaces, la matière première des comètes. Ce matériau a été irradié par des UV - comme dans les nébuleuses où se forment ces grains. Puis, l'échantillon a été porté à température ambiante - comme lorsque les comètes s'approchent du Soleil. Sa composition a ensuite été analysée à l'Institut de chimie de Nice grâce à l'optimisation d'une technique très sensible et très précise (la chromatographie multidimensionnelle en phase gazeuse, couplée à la spectrométrie de masse à temps de vol). Plusieurs sucres ont été détectés, parmi lesquels le ribose. Leur diversité et leurs abondances relatives suggèrent qu'ils ont été formés à partir de formaldéhyde (une molécule présente dans l'espace et sur les comètes, qui se forme en grande quantité à partir de méthanol et d'eau).
Le ribose se forme dans le manteau de glace des grains de poussière, à partir de molécules précurseurs simples (eau, méthanol et ammoniac) et sous l'effet de radiations intenses.© Cornelia Meinert (CNRS) & Andy Christie (Slimfilms.com)
S'il reste à confirmer l'existence de ribose dans les comètes réelles, cette découverte complète la liste des "briques moléculaires" de la vie qui peuvent être formées dans la glace interstellaire. Elle apporte un argument supplémentaire à la théorie des comètes comme source de molécules organiques qui ont rendu la vie possible sur Terre... et peut-être ailleurs dans l'Univers.
Ces travaux ont bénéficié du soutien financier de l'Agence nationale de la recherche et du CNES.

La découverte d'une extraordinaire symbiose marine résout l'un des grands mystères de l'océan

Une équipe dirigée par l'Institut Max Planck de microbiologie marine a mis au jour la symbiose entre une bactérie Rhizobium et une algue marine du groupe des diatomées. Ce couple d'organismes permettrait d'expliquer une grande partie de la fixation de l'azote dans l'océan – un processus crucial.

C'était l'un des grands mystères dont les biologistes marins cherchaient encore la clé : comment, en dehors des régions océaniques riches en cyanobactéries, les végétaux marins obtiennent-ils de l'azote sous une forme qu'ils sont capables d'assimiler ?

Il aura fallu une grande expédition océanographique depuis la côte allemande jusqu'aux zones tropicales de l'Atlantique Nord, et quatre années d'analyses ADN, pour résoudre l'énigme. La réponse, dévoilée dans une étude publiée par la revue Nature (9 mai 2024), tient en un mot : la symbiose.

Cette association très intime entre deux êtres vivants a façonné la planète telle que nous la connaissons aujourd'hui, depuis les récifs coralliens (symbiose entre le corail et l'algue zooxanthelle) jusqu'à la mycorhize,  fine dentelle qui fait vivre nos sols (symbiose entre des champignons et les racines des plantes). Et trouve désormais une nouvelle illustration.

Un travail de détective

Partie de la côte allemande à bord de deux navires direction les tropiques en 2020, l'équipe dirigée par des chercheurs de l'Institut Max Planck de microbiologie marine a recueilli plusieurs centaines de litres d'eau de mer. Dans cet échantillon massif, il leur a d'abord fallu repérer le gène codant pour une enzyme impliquée dans la fixation biologique de l'azote, pour ensuite reconstituer pas à pas le reste du génome de l'organisme inconnu qui s'avérait capable d'effectuer cette transformation chimique.

"Il s'est agi d'un travail de détective long et minutieux", confie Bernhard Tschitschko, premier auteur de l'étude et expert en bio-informatique (communiqué), "mais en fin de compte, le génome a résolu de nombreux mystères. Nous savions que le gène de la nitrogénase provenait d'une bactérie apparentée (au genre) Vibrio, mais de manière inattendue, l'organisme lui-même était étroitement lié aux (bactéries) Rhizobia qui vivent en symbiose avec les légumineuses."

En effet, sur la terre ferme, les bactéries du genre Rhizobium se trouvent en symbiose avec les racines des plantes légumineuses, telles que les haricots ou les pois, au niveau de petits renflements appelés "nodosités". En échange d'azote assimilable par ses propres cellules, le végétal fournit à son minuscule symbiote de l'énergie ainsi qu'un milieu pauvre en oxygène, propice à son activité.

Mais dans l'océan, quel hôte pouvait bien héberger ces précieux fixateurs d'azote ? À l'aide d'un marquage fluorescent appliqué à ces bactéries, les auteurs de l'étude ont constaté que celles-ci se nichaient à l'intérieur de diatomées – des algues microscopiques faisant partie de la composition du plancton. Il s'agit selon eux de la " première symbiose connue entre une diatomée et un fixateur d'azote autre qu'une cyanobactérie. " 

Le stade précoce d'une fusion ?

La bactérie symbiotique, qui a reçu le nom (provisoire) de Can­did­atus Tecti­glo­bus di­at­omi­c­ola, reçoit du carbone de la part de l'algue en échange d'une forme d'azote assimilable par celle-ci… et pas qu'un peu, d'ailleurs !

" Pour soutenir la croissance de la diatomée, la bactérie fixe 100 fois plus d'azote qu'elle n'en a besoin pour elle-même ", détaille Wiebke Mohr, co-auteur de l'étude.

En retournant en mer, les scientifiques ont repéré cette nouvelle symbiose un peu partout dans le monde, en particulier dans des zones pauvres en cyanobactéries. Ce qui tend à confirmer le rôle crucial joué par cette intime alliance dans le fonctionnement de l'écosystème marin, lequel absorbe la moitié du dioxyde de carbone émis par les activités humaines, limitant ainsi en partie le réchauffement climatique.

Par ailleurs, les auteurs notent que cette symbiose bactérie-diatomée pourrait constituer le stade précoce d'une fusion entre deux organismes pour n'en former qu'un, le plus petit étant amené à devenir un simple organite, ou compartiment cellulaire, au sein du plus grand. Un processus qui s'est déjà produit au cours de l'évolution, donnant naissance aux mitochondries, les " usines à énergie " de nos cellules, ainsi qu'aux chloroplastes, sièges de la photosynthèse chez les végétaux.