La Nature – on l’a souvent répété ici – se moque bien des conventions humaines ; elle n’a que faire des soifs de justice d’homo sapiens, de ses pitiés, de ses états d’âme. La Nature est indifférente et pour y survivre une seule condition est requise : être le plus apte à se nourrir, prospérer et, bien sûr, se reproduire. C’est la sélection naturelle qui permet l’élimination progressive des individus les moins bien adaptés et est en conséquence un des moteurs principaux de l’Evolution.

      Les êtres vivants qui peuplent la Nature, tantôt victimes, tantôt prédateurs (et on est presque toujours le prédateur d’un autre) ont développé des techniques élaborées pour survivre et s’adapter au milieu ambiant : le camouflage en est une qui permet, par exemple, à l’ours blanc d’être moins repérable sur la banquise ou au phasme de se confondre avec des brindilles. Mais il existe des stratégies encore plus complexes, parfois stupéfiantes, qui permettent à certaines espèces de ressembler tellement à d’autres espèces - qui n’ont pourtant rien à voir avec elles – que tout le monde finit par s’y tromper : on parle alors de mimétisme et c’est sur cette singulière faculté à imiter l’autre que je souhaite aujourd’hui insister.

Les objectifs

      Le mimétisme est une stratégie d’adaptation, c'est-à-dire le moyen pour une espèce donnée d’acquérir un avantage supplémentaire dans sa lutte pour survivre. J’évoquais plus haut le camouflage permettant d’échapper à la vision du prédateur qu’on appelle parfois « mimétisme cryptique » bien que, stricto sensu, ce ne soit pas vraiment du mimétisme (le camouflage peut, en effet, se développer rapidement chez une espèce au gré des mutations au contraire du mimétisme qui demande une coévolution complexe regroupant plusieurs espèces, comme on le verra ensuite).

      Le mimétisme proprement dit cache des buts souvent différents qui peuvent être :

* se faire passer pour une autre espèce connue pour être dangereuse ou non comestible,

* permettre une meilleure reproduction (c’est le cas bien connu du coucou),

* cacher ses propriétés prédatrices comme chez certains poissons carnivores (blennie dévoreuse) affectant de n’être que des poissons « nettoyeurs de parasites »,

* offrir un intérêt gustatif pour un fécondateur : c’est le cas de plantes qui attirent ainsi certains insectes pour assurer leur propre reproduction,

* présenter un intérêt nutritif pour une proie : certaines plantes carnivores délivrent une odeur de putréfaction pour attirer des mouches qu’elles vont ingérer,

* proposer un danger limité pour leur proie : des espèces de poissons se parent de couleurs leur permettant de se fondre avec les algues où elles pourront surprendre leurs victimes.

      Les stratégies sont donc multiples et, pour bien les comprendre, les scientifiques ont cherché à les cataloguer, ce qu’on verra par la suite, mais évoquons d’abord les différents protagonistes en jeu.

les acteurs en présence

      Pour qu’un mimétisme existe, il faut au moins trois acteurs :

* le modèle : c’est l’individu qui va être copié parce que reconnu comme tel par

* l’individu trompé qui est le plus souvent un prédateur

* de l’imitateur qui, en copiant le modèle, va faire peur à son prédateur ou à tout le moins le désorienter suffisamment pour s’autoriser à fuir… ou à atteindre son but.

les différentes formes de mimétisme

      C’est la publication de l’ouvrage princeps de Darwin sur l’évolution des espèces qui va stimuler l’étude de ces phénomènes complexes, jusque là incompris et baptisés du nom pompeux de « merveilles de la Nature » (pour expliquer qu’on ne les comprenait pas).

           * le mimétisme selon Bates

      Des 1863, à peine 4 ans après la publication par Charles Darwin de « l’origine des espèces au moyen de la sélection naturelle », Henry Walter Bates (1823-1913), un entomologiste anglais, publie une première confirmation de la théorie darwinienne. Bates – qui explorait la vallée amazonienne – y décrit qu’une espèce de papillons a évolué de telle manière qu’elle copie exactement les couleurs d’une autre espèce toxique pour les oiseaux : le papillon imitateur est (relativement) protégé des prédateurs à moindre frais puisqu’il ne dépense aucune énergie à produire des toxines… ce qui n’est pas le cas de l’imité qui, de plus, voit parfois sa protection anéantie par des oiseaux s’étant rendu compte de la supercherie de l’imitateur !

      Ce type de mimétisme a été surtout décrit chez les insectes, notamment sociaux, comme les guêpes (certains papillons imitent leurs couleurs et leurs formes) et les fourmis. Concernant ces dernières, on peut citer le cas de certaines araignées qui imitent à la perfection leur aspect : ici, l’arachnide utilise sa paire de pattes surnuméraires en guise d’antennes qu’elle élève et fait vibrer tout comme les antennes d’une fourmi : gare alors à la proie qui se fait tromper !

      D’autres animaux ont recours à ces subterfuges comme la couleuvre faux-corail, inoffensive, qui imite le vénimeux serpent corail et tient ainsi à distance ses prédateurs.

           * le mimétisme selon Muller

      Un an après Henry Bates, en 1864, un biologiste allemand, Fritz Muller (1821-1897) publie un ouvrage « Für Darwin » (pour Darwin) où, ayant étudié tout spécialement les écrevisses, il explique combien la théorie de la sélection naturelle est juste. Il s’intéresse au mimétisme et décrit l’association originale de fourmis avec un arbre tropical, le cecropia : les insectes protègent l’arbre des plantes grimpantes et des parasites tandis que, en retour, les fourmis trouvent là un refuge et divers moyens de nutrition. Tout le monde trouve son avantage et – fait à souligner - il n’y a donc pas tromperie, contrairement au cas précédent…

      C’est Muller qui, le premier, va expliquer quelques années plus tard une forme différente de mimétisme. Dans le cas de Bates, on évoquait des espèces inoffensives qui, pour se protéger, copiaient des espèces toxiques. Muller décrit, lui, le mimétisme de deux espèces toxiques et vénéneuses entre elles (on n’en comprenait guère l’intérêt) ce qui est fort différent du mimétisme de Bates puisque, ici, répétons-le, il n’y a pas tromperie : Muller explique que le fait de posséder une même apparence permet aux deux espèces en question d’avoir des bénéfices communs ; en effet, toutes deux vont entraîner la répulsion des prédateurs à plus grande échelle, et cela permet d’améliorer la qualité de leur système de défense : on peut en effet penser que, à force de voir des formes vénéneuses à ne pas toucher, le prédateur finira par banaliser leur évitement.

           * le mimétisme selon Mertens

      On a vu des espèces inoffensives qui « copient » des espèces vénéneuses (Bates), des espèces vénéneuses qui se copient entre elles (Muller) ; reste donc un troisième cas de figure : celui d’espèces vénéneuses qui copient des espèces inoffensives. C’est un spécialiste des reptiles, Robert Mertens (1894-1975), qui rapportera cette forme très spéciale de mimétisme.

      Très spéciale, en effet, puisque, en pareil cas, l’imitateur toxique imite un sujet non toxique au risque d’être attaqué (et mangé) par le prédateur mais en entrainant ainsi sa mort : quel intérêt, me direz-vous, de tuer en mourant ? C’est que l’imitateur essaie de copier une espèce non pas mortelle mais simplement désagréable à manger pour le prédateur. De ce fait, il est protégé dans la mesure où le prédateur n’attaque plus jamais tout ce qui ressemble à l’espèce « désagréable ». Un sacré pari mais qui, semble-t-il, peut porter ses fruits.

           * l’automimétisme

      Dans ce cas, seule une partie de l’imitateur est concernée : c’est, par exemple, le cas d’un papillon, le grand paon de nuit, qui possède sur ses ailes un dessin imitant un œil (appelé ocelle). Lorsque le prédateur se présente, le papillon ouvre brusquement ses ailes et a le temps de s’enfuir face à la surprise de l’attaquant. Ailleurs, le serpent faux-corail (Anilius scytale, à ne pas confondre avec la couleuvre faux-corail déjà citée), lorsqu’il est attaqué, redresse sa queue en l’air et se met à la balancer comme s’il s’agissait de sa tête… qui, elle, est bien cachée : un serpent à deux têtes, en somme !

           * le mimétisme reproductif

      Le but est ici d’utiliser un tiers pour permettre la diffusion de la semence et ce sont surtout les plantes – mais pas toujours - qui utilisent ce mimétisme très particulier puisqu’il n’y a pas de victimes. J’avais évoqué dans un sujet précédent (cf. comportements animaux et évolution) le cas tout à fait extraordinaire de ces orchidées qui imitent à s’y méprendre le corps d’une abeille ou d’une guêpe de façon à ce que l’insecte, trompé, se barbouille de pollen qu’il exportera sur une orchidée voisine permettant ainsi la reproduction de l’espèce.

      Nous avons également évoqué le cas du coucou qui place ses œufs dans le nid d’une autre espèce afin qu’ils y soient couvés et nourris sans le moindre effort de leurs géniteurs. Mais que penser de l’oiseau-lyre, animal vivant en Australie, qui est capable de reproduire n’importe quel bruit de son environnement ? En effet, la femelle de cette espèce est sensible au mâle qui produira le chant le plus élaboré ; dès lors, le mâle oiseau-lyre peut tout imiter : les chants de n’importe quel autre oiseau mais également le bruit de la tronçonneuse des bucherons, l'alarme d'une voiture  ou le déclic de l’appareil photo de l’ornithologue venu l’étudier ! La Nature est parfois étonnante.

      Comme toujours lorsqu’on évoque l’évolution des êtres vivants, s’il existe une caractéristique particulière d’apparence ou de comportement adoptée par une espèce, c’est que la sélection naturelle l’a retenu comme un avantage sélectif, un « plus » qui permet à son détenteur de mieux résister à la dure compétition des êtres vivants entre eux. Le mimétisme est un de ces moyens sélectionné par l’évolution. A celui qui contemple ces facultés singulières sans y avoir véritablement réfléchi, une question se pose inévitablement : comment ne pas penser qu’il y a un but, une finalité à tout cela ?

Mimétisme et évolution

      Au fond, on peut assez bien comprendre le camouflage : une mutation permet de donner à certains individus un avantage précieux d’où sa pérennisation. L’exemple bien connu du phalène du bouleau nous le démontre. Voilà un papillon de couleur claire qui peuplait la campagne anglaise d’avant la révolution industrielle. Viennent les hommes et leurs industries qui, par les suies et autres pollutions, transforment l’environnement au point que même les arbres qu’habitent ces papillons se parent de teintes sombres. Presque aussitôt, on s’aperçoit que de blancs, les phalènes sont presque tous devenus noirs : en effet, les blancs, trop visibles, ont disparu victime de la prédation.   L’Homme s’efforce de diminuer la pollution et reparaissent les papillons blancs tandis que les noirs succombent à leur tour sous la dent des prédateurs. Une simple mutation portant sur la répartition de la mélanine sépare en fait les deux formes... Il s’agit, on le voit, d’un mécanisme en définitive assez simple. Mais le mimétisme ? Le mime qui copie à la perfection pour se parer de la terreur qu’inspire son modèle ? L’orchidée qui imite une abeille au point que même un scientifique avisé pourrait s’y tromper ? N’y a-t-il pas là un phénomène bien plus complexe et, peut-être, inexplicable ?

      Dans le cas du mimétisme, on a affaire à une coévolution entre trois acteurs différents, nous l’avons dit. Mais comment ce processus si complexe est-il possible ? C’est là qu’intervient le facteur-temps, un concept bien difficile à saisir pour nos cerveaux dont la vie est si courte. C’est qu’il en faut des millions d’années (des millions alors que seulement 2000 ans nous séparent historiquement de l’Antiquité) pour qu’un tel phénomène apparaisse. Cela nécessite nombre « d’essais » de la Nature, de « retours en arrière » parfois, des impasses évolutives, etc., bref des millions de générations avant que ne survienne – progressivement - la modification salvatrice. Seule la sélection naturelle au fil du temps peut expliquer l’apparition de telles adaptations à l’environnement. Que ce dernier change et les nantis deviennent victimes tandis qu’apparaissent de nouveaux élus…

      99% des espèces ayant un jour peuplé notre sol ont aujourd’hui disparu, soit balayées par de (trop) brutaux changements de l’environnement, soit transformées en des espèces mieux adaptées. Une seule raison à cela : la modification des habitats qui n’est due qu’au hasard (volcanisme, submersions marines, tremblements de terre, glaciations, etc.). Il faut donc toujours s’adapter : devenir plus fort, plus caché ou plus malin. Le mimétisme est un de ces moyens, un parmi d’autres : un cheminement long, laborieux, compliqué dont le seul hasard est le maître d’œuvre.

Images

 1. invisible si immobile (sources :  http://flickr.com )

2. orchidée-abeille (sources : http://genevieve.lehoux.over-blog.com)

3. araignée formicomorphe (sources : http://tpe-mimetisme.e-monsite.com)

4. mylabre (sources : http://crdp.ac-bordeaux.fr)

5. grand paon de nuit (sources : http://aramel.free.fr/)

6. oiseau-lyre d'Australie (sources : http://www.kamaz.fr)

7 et 8. phalènes du bouleau (sources : http://www.futura-sciences.com)

9. couleuvre faux-corail (sources : http://library.kiwix.org)

(Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés : sélection naturelle - théorie de l'évolution - camouflage ou mimétisme cryptique - Henry Walter Bates - orchidée "trompe-insectes" - araignée formicomorphe - Fritz Müller - Robert Mertens - automimétisme - serpent faux-corail - couleuvre faux-corail - mimétisme reproductif - oiseau-lyre - phalène du bouleau

  (les mots en blanc renvoient à des sites d'informations complémentaires)

Articles connexes sur le blog

1. les mécanismes de l'évolution

2. indifférence de la Nature

3. insectes sociaux et comportements altruistes

4. reproduction sexuée et sélection naturelle

5. comportements animaux et évolution

    Observer l’Univers qui l’entoure, depuis le plus petit grain de sable jusqu’à l’étoile lointaine, a, de tout temps, passionné l’Homme. Une manière certaine de se situer, d’expliquer sa présence, d’anticiper son avenir peut-être. Mais l’observation n’est que le début : homo sapiens, grâce à son cerveau capable d’abstraction, a presque aussitôt cherché à le comprendre, cet Univers, à le décrypter, à l’interpréter. Pour cela, il devait identifier les grandes lois physiques et mathématiques qui expliquent son agencement. Durant des siècles, s’affranchissant peu à peu des obscurantismes et des préjugés, les scientifiques ont bâti des théories, accumulé des expériences, édifié des modèles, amassé patiemment certitudes et probabilités. Après Newton, c’est Albert Einstein qui, le premier, réussit à expliquer de façon convaincante l’une des quatre grandes forces de notre environnement, la gravitation, dans sa théorie de la relativité générale (voir sujet : théorie de la relativité générale). Les trois autres forces fondamentales (interaction faible, interaction forte et électromagnétisme : voir sujet : les constituants de la matière) furent unifiées par la mécanique quantique (voir sujet : mécanique quantique) quelques années plus tard. Tout est donc parfait ? Hélas non car ces deux théories, la relativité einsteinienne et la physique des quantas, sont complètement incompatibles... Or, si l’on veut vraiment connaître les mécanismes régissant l’Univers dont nous faisons partie, il est indispensable d’avoir une explication physique globale : il est en effet peu probable que l’Univers réponde à des lois différentes selon l’endroit ou les niveaux d’où on l’observe. Vers la fin du siècle dernier, un certain nombre de théories unificatrices ont vu le jour et la plus prometteuse d’entre elles semble être la théorie des cordes.

Genèse de la théorie des cordes

     Vers 1950, il n’était toujours pas possible de comprendre vraiment la physique des particules plus petites que l’atome, particules que l’on appelle des hadrons (il s’agit en fait de particules élémentaires comme les quarks constituant protons et neutrons eux-mêmes formant le noyau des atomes, les gluons responsables de l’interaction forte entre les quarks, etc.). Tout ce petit monde fort complexe est bien régi par la mécanique quantique mais sans que l’on ait d’explication véritable sur leurs interactions. Il faudra attendre 1973 et l’arrivée d’une nouvelle théorie, la chromodynamique quantique, pour y voir un peu plus clair mais de façon encore partielle.

     C’est environ 10 ans plus tard que l’on entend réellement parler de la théorie des cordes qui se propose – puisque les particules restent en grande partie mystérieuses – de les penser autrement : dans cette théorie, les entités basiques de la physique, ces fameuses particules subatomiques, ne sont plus considérées comme des objets ponctuels mais comme des cordes infinitésimales formant des boucles qui vibreraient en possédant une tension, tout comme un élastique dont la tension s’accroit au fur et à mesure qu’on l’étire. Rappelons-nous que chaque particule subatomique est identifiée par son spin, c'est-à-dire une caractéristique particulière qui lui est propre (comme, également, la charge électrique ou la masse) représentant ici l’énergie cinétique de la particule tournant sur elle-même autour d’un axe. La théorie des cordes prétend que ce sont ces vibrations à des fréquences diverses qui expliquent les variations de spins observées et donc les différentes particules. Du coup, les divers types de cordes et leurs vibrations multiples seraient à l’origine de toutes les particules élémentaires de notre univers. Bien entendu, la théorie s’appuie sur de savantes équations mathématiques (notamment la théorie des surfaces de Riemann) que je serais bien en peine ici d'expliquer… Quoi qu’il en soit, il s’agit là d’une remise en cause complète, et de notre perception, et de notre compréhension de la physique subatomique.

Une théorie séduisante mais pas encore démontrée

     Les spécialistes de la question le disent et on les croit : pour permettre l’unification des deux grandes physiques, la théorie des cordes doit satisfaire à trois conditions principales :

          1. toutes les particules subatomiques sans exception doivent entrer dans le cadre de la théorie ;

          2. la théorie doit parfaitement décrire la gravitation

     3. ce qui entraîne le fait qu’il doit s’agir d’une théorie géométrique, seul moyen de prendre en compte  cette gravitation.

     Que disent les équations de la théorie des cordes ? Que les trois conditions qu’on vient de voir lui sont tout à fait accessibles… à la condition qu’on considère un espace-temps à au moins dix dimensions ! Ce qui pose problème puisque dans notre univers (en tout cas pour sa partie visible) il n’existe que quatre dimensions ! L’ennui est que lorsqu’on revient à quatre dimensions, l’unicité de la théorie si intéressante disparaît… La cohérence mathématique de la théorie exige donc plus de dimensions qu’il ne semble y en avoir dans notre monde : ses partisans nous affirment que, en réalité, ces dimensions supplémentaires existent bel et bien mais qu’elles sont enroulées au niveau microscopique, un niveau des millions de fois inférieur à celui de l’atome. Cette affirmation doit être évidemment prouvée avant de valider la théorie : le retour (mathématique) à un espace-temps à quatre dimensions est donc le grand défi que s’efforcent de vaincre les chercheurs actuels de la théorie des cordes.

Une théorie unificatrice et ses conséquences

     Une chose est en tout cas certaine : la théorie des cordes (qui est en fait l’amalgame de plusieurs théories prenant en compte des cordes de natures différentes) semble être l’entreprise conceptuelle actuellement la plus à même d’associer la gravitation à la mécanique quantique et il est donc normal que cette aventure – extraordinairement théorique – passionne non seulement les chercheurs de physique fondamentale mais également les mathématiciens… et les astronomes.

     D’ailleurs, comme le lecteur l’aura certainement remarqué, j’ai fait figurer ce sujet non pas en physique (comme la mécanique quantique, par exemple) mais dans la catégorie des sujets d’astronomie et il y a de bonnes raisons à cela : de grandes interrogations existent toujours sur des phénomènes astronomiques importants tout simplement parce qu’on ne sait pas associer mécanique quantique et relativité générale.

          *  C’est par exemple, le cas des trous noirs. Voilà des objets dont on connait l’existence et dont on peut même mettre en évidence la réalité (du moins de façon indirecte puisque, par sa seule présence, un trou noir modifie la partie d’univers qui l’entoure) mais qu’on ne sait pas expliquer complètement (voir sujet : trous noirs).

      Pour mémoire, je rappelle qu’un trou noir est le stade évolutif terminal de très grosses étoiles : en effet, si la masse d’une étoile dépasse quarante fois celle de notre Soleil (MS), son noyau résiduel dégénéré peut dépasser les trois MS. En pareil cas, les forces de répulsion des composants atomiques dégénérés (neutrons et protons) ne peuvent plus s'opposer à la compression des forces gravitationnelles et la matière s’écrase sur elle-même sans que plus rien ne s’y oppose : on aboutit alors à la formation d’un trou noir dont la principale caractéristique est qu’aucune matière – pas même la lumière – ne peut s’en échapper. Avant l’anéantissement, on peut observer le disque d’accrétion, sorte de dernier ballet de la matière appelée à disparaître et qui dessine les abords du trou noir par l’échauffement gigantesque qu’elle subit (ce qui permet de repérer le phénomène). Puis, cette matière est absorbée par le trou noir, sans espoir de retour, et le moment où elle bascule vers l’inconnu se situe à ce que l’on nomme l’horizon du trou noir, dernière ligne encore visible avant le néant. Que devient-elle ensuite ? Ni la physique quantique, ni bien sûr la relativité ne peuvent répondre. Voilà donc un domaine où la théorie des cordes pourrait nous rendre de sérieux services…

          * Un autre sujet – et non des moindres – qui passionne les astronomes, notamment ceux qui s’intéressent à la cosmologie, est le Big-Bang. Ou, pour être encore plus général, le début de notre univers. Dans le sujet dédié (voir : Big bang et origine de l’Univers), nous avions vu que, en remontant le temps jusqu’aux origines, à partir d’un certain moment appelé temps de Planck, très précisément à 10^-43 seconde après le début, les quatre forces fondamentales que nous avons évoquées plus haut sont fusionnées en une force unique, la supergravité. A cet instant, très court mais si important, les lois de la physique classique ne s’appliquent plus (ou pas encore). La théorie des cordes serait elle susceptible de nous aider à comprendre comment tout a commencé ?

     D’autres problèmes d’astronomie restent – si j’ose dire – en souffrance et on aimerait bien une théorie (en fait un ensemble de lois mathématiques conduisant à un modèle qu’il serait possible d’expérimenter par la suite) nous permettant de les expliquer…

La théorie des cordes a-t-elle un intérêt autre que… théorique ?

     La réponse est à l’évidence oui ! S’acharner à unifier des théories physiques compliquées en une théorie encore plus complexe ne relève pas d’un simple jeu mathématique pour quelques initiés, fussent-ils géniaux. Les retombées d’une telle entreprise, si elle devait aboutir, seraient considérables. Evidemment, comme on vient de le voir, ou pourrait en apprendre énormément sur notre Univers (et donc sur nous-mêmes) mais pas seulement. Il suffit de se rappeler combien la physique quantique a été décriée à ses débuts : certains scientifiques criaient à la mystification, ne pouvant comprendre comment on pouvait tirer des lois à partir du pur hasard ; d’autres riaient à la lecture de qu’ils considéraient comme un salmigondis. D’autres encore, plus sages peut-être comme le grand Einstein lui-même, préféraient attendre dans une prudente réserve teintée de scepticisme. Et pourtant ! Sans mécanique quantique, pas de contrôle de l’électron et donc ni transistors, ni informatique. Pas non plus de supraconduction et d’imagerie médicale de type résonnance magnétique nucléaire (IRM). Sans elle, on ne saurait toujours pas contrôler la lumière pour réaliser les faisceaux laser de nos lecteurs de DVD. Même chose pour les centrales nucléaires… La mécanique quantique, si mal comprise car si imprévisible et apparemment si contraire à notre logique, a transformé notre monde.

      Si l’on arrive à écrire des équations universelles de la théorie des cordes et à formaliser la théorie unificatrice, les conséquences pratiques – impossibles évidemment à imaginer aujourd’hui - en seront certainement considérables. Au-delà de la satisfaction d’avoir compris un peu plus notre univers, les transformations de notre quotidien seront telles qu’il faut souhaiter de l’intuition, beaucoup de patience et peut-être un peu de chance à ces chercheurs si particuliers.

Images

1. galaxie NGC 4945 (sources : http://www.eso.org)

2. constituants de l'atome (sources : http://abyss.uoregon.edu)

3. cordes (sources : http://hypersite.free.fr/)

4. univers multidimensionnel (sources : http://techno-science.net) 

5. dessin d'un trou noir (sources ; http://paturage.files.wordpress.com)

6. simulation des premiers instants de l'Univers (sources : http://irfu.cea.fr/)

7. homecinema (sources : http://le-showroom.ecranlounge.com)

  (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés :  relativité générale - mécanique quantique - hadron - quark - gluon - chromodynamique quantique - trou noir - Big bang - supergravité  - temps de Planck - théorie unificatrice de la physique - théorie des cordes (compléments)

  (les mots en blanc renvoient à des sites d'informations complémentaires)

Articles connexes sur le blog :

* Big bang et origine de l'Univers

* théorie de le relativité générale

* mécanique quantique

Pour admirer les étoiles, la recette est simple : il faut choisir une belle nuit sans Lune et sans nuages et s’installer confortablement dans un coin sombre, à l’abri des lueurs dérangeantes de la civilisation. Durant cinq à six minutes environ on laisse alors ses yeux s’habituer peu à peu à l’obscurité. De cette noirceur où flottaient difficilement quelques étoiles émergent progressivement des millions de points lumineux comme autant de diamants scintillants… Des millions ? Non, seulement quelques milliers, même pour l’œil le mieux aguerri, mais l’impression de foisonnement de ces minuscules lumières est si impressionnante que l’on se sent incroyablement petit sur notre coin de Terre.

Beaucoup d’anciens pensaient d’ailleurs qu’une sphère de velours sombre entourait notre planète en un écrin constellé de pléiades de pierres précieuses auxquelles, par leur proximité apparente, ils appliquaient des géométries compliquées en rapport avec leurs croyances d’éternité. On sait aujourd’hui que ces figures, les constellations, ne sont que des constructions imaginaires uniquement reliées par leurs luminosités relatives… Mais le bestiaire cosmique ainsi inventé est si riche que, encore de nos jours, on y fait souvent référence.

Si, au moyen d’un outil amplificateur comme, par exemple, une paire de jumelles, on tente d’explorer un par un ces astres lointains, il nous apparaît subjectivement qu’ils ne sont pas tous identiques  et que leur éclat semble variable. Et, en fait, leurs aspects sont dissemblables car, c’est vrai, les étoiles nous parlent : elles chantent et leurs mots sont en couleur.

Des interrogations anciennes

Deux siècles avant J.C. les savants grecs se posaient déjà des questions sur la répartition des astres dans le ciel. C’est à Hipparque (vers 190 av. J.C. - 120 av. J.C.) que revint le mérite de chercher à classer les étoiles en 6 grandeurs par ordre d’éclat décroissant (étoiles de première grandeur pour les plus brillantes jusqu’à la sixième grandeur pour les moins lumineuses). Toutefois, ce classement pouvait prêter à confusion puisque se rapportant à la taille de l’étoile. On abandonna donc cette approche pour parler de magnitude apparente, des magnitudes séparées par un écart de brillance d’un échelon de 2,5. En d’autres termes, une étoile de magnitude 2 est 2,5 fois plus brillante qu’une étoile de magnitude 3 ce qui revient à dire que plus la magnitude d’une étoile est élevée, moins elle est brillante.

Ce système de magnitude apparente est trompeur car il ne correspond pas à la luminosité véritable de l’astre étudié en raison de sa distance qui est variable par rapport à la Terre : un astre peu lumineux peut, en réalité, l’être beaucoup mais c’est son éloignement qui le rend difficile à discerner. On introduisit en conséquence la notion de magnitude absolue en imaginant l’éclat de l’étoile observée si, comparée à ses sœurs, elle se trouvait à la même distance de la Terre que toutes les autres. On décida de retenir le chiffre de 10 parsecs (32,61 années-lumière) comme étalon standard de distance.

C’était assurément un progrès mais on décida de compléter le calcul avec celui de la couleur des étoiles qui donne, comme on le verra, une indication sur la chaleur de leur surface. On obtint ainsi les caractéristiques spectrales de chaque groupe d’astres, une classification encore en usage aujourd’hui, classification codifiée au début du XXème siècle par deux astronomes américains de l’observatoire d’Harvard, Antonia Maury (1866-1952) et Annie Cannon (1863-1941). Ajoutons que, pour tenir compte des différences de luminosité et de taille, les astronomes décidèrent de classer les astres selon leur éclat dans chacun des groupes identifiés.

Aujourd’hui, on sait donc plutôt bien « classer » réellement les étoiles d’après leurs caractéristiques : taille, éloignement, éclat et couleur. Mais justement pourquoi nos amies les étoiles peuvent-elles être de couleurs différentes ?

La couleur des étoiles

De la même façon que les étoiles sont de taille variable, elles ne sont pas toutes de la même couleur et cette couleur dépend de leur température et de leur âge. Au premier abord, c’est vrai, elles semblent blanches mais, comme nous le remarquions précédemment, si l’on observe plus attentivement chacune d’entre elles, on retrouve des teintes très souvent différentes : bleu, blanc, rouge, orangé, blanc-vert parfois et, d’une façon plus générale, nombre de nuances intermédiaires. Longtemps, cette disparité est restée sans explication et ce n’est qu’au début du XXème siècle qu’on a pu mieux la comprendre en définissant la physique du corps noir. Qu’est-ce qu’un corps noir, me direz vous ? Il s’agit en fait d’un objet idéal qui absorbe toute l’énergie électromagnétique sans n’en rien retransmettre : puisque la lumière est une onde électromagnétique, elle sera donc totalement absorbée par un corps noir. Considérons à présent une étoile comme un corps noir (un corps noir – c’est parfois difficile à saisir – n’est pas forcément noir mais seulement un objet qui ne réfléchit rien) : les courbes lumineuses émises par l’étoile elle-même lui sont donc propres, intégralement créées par elle. Puisque que l’on a remarqué que le spectre des étoiles était très semblable aux courbes de radiations d’un corps noir porté à différentes températures, la conclusion s’impose d’elle-même : les variations de couleur des étoiles sont la conséquence directe de leur température de surface et uniquement de cette température.

Plus une étoile sera chaude, plus elle aura un spectre important dans le bleu. A l’inverse, une étoile plus froide émettra dans le rouge et sera perçue comme telle.

Revenons un instant sur ces questions basiques d’optique physique : le spectre « continu visible » s’étend de 400 nm à 800 nm (nm signifiant nanomètre soit le milliardième du mètre). Vers 400 nm, on observe une couleur bleue (en dessous, c’est l’ultraviolet, non visible par l’œil humain mais accessible à l’œil de l’abeille) tandis que vers 800 nm on est dans la couleur rouge (et, au-delà dans l’infrarouge non visible). L’étude du spectre stellaire donnera donc une longueur d’onde dominante associée à la couleur et caractérisant la température de l’étoile étudiée. Prenons quelques exemples :

* Bételgeuse (alpha orionis) est une supergéante rouge de magnitude 1, située dans la constellation d’Orion à environ 500 années-lumière de la Terre, et accessoirement la 9^ème plus brillante étoile du ciel. Mille fois plus grosse que le Soleil, elle rayonne comme 100 000 Soleils réunis. Bien que jeune, elle est en fin de vie et explosera dans quelques milliers d’années en supernova. Son cœur s’effondre lentement, provoquant une gigantesque expansion de son rayon et donc la baisse de sa température de surface ce qui explique sa couleur rouge.

* Rigel (beta orionis) est une supergéante bleue qui fait également partie de la constellation d’Orion et est située à plus de 900 années-lumière de la Terre (ce qui, au passage, démontre l’absurdité de la notion de constellation). Septième étoile la plus brillante du ciel, elle est bien plus petite que Bételgeuse (84 fois la taille du Soleil) ce qui explique sa chaleur de surface notoirement plus élevée et donc sa belle couleur bleue. Pour l’anecdote, remarquons que cette supergéante fait partie d’un système ternaire puisque deux autres étoiles, Rigel B et Rigel C, gravitent avec elle en un système compliqué. Elle aussi a une espérance de vie courte et explosera probablement en un trou noir.

* le Soleil : la dominante spectrale de notre Soleil se situe vers 500 nm et donc dans le vert. Toutefois, l’ensemble de son spectre lui confère la couleur jaune qu’on lui connait, intermédiaire en quelque sorte entre les deux géantes que nous venons d’évoquer…

Les astronomes se sont donc retrouvés face à un véritable kaléidoscope de couleurs et, dès le XXème siècle, ils ont cherché à y mettre un peu d'ordre. Première méthode logique retenue : classer les étoiles selon les éléments chimiques identifiés à leurs surfaces. Ils ont ainsi répertorié sept groupes distincts qu'ils ont ensuite décliné en ordre décroissant de température et désigné par les lettres O, B, A, F, G, K et M. Difficile de s'en rappeler ? Les scientifiques américains ont proposé l'amusant petit moyen mnémotechnique suivant : " Oh Be A Fine Girl, Kiss Me ! "...

De ce fait, une étoile comme Lambda d'Orion, une géante bleue dont la température de surface atteint les 35 000°, est classée dans le groupe O tandis que le Soleil (naine jaune à la température de surface égale à 5 000°) est de classe G et les étoiles rouges comme Antarès (3 600°) sont rassemblées dans le groupe M.

Toutefois - rien n'est jamais simple - tout cela était encore un peu imprécis et, du coup, chaque groupe a été subdivisé en 9 sous-groupes de telle façon que le Soleil est en fait une étoile classée de type G2 (plus froide qu'une G1 mais plus chaude qu'une G3)... Comme on va le voir, cette classification, certes pratique, n'est pas la seule.

Le fait de connaître la couleur (et donc la chaleur) d’une étoile corrélée à sa taille permet de connaître sa durée de vie, le stade où elle se trouve et, bien sûr, la manière dont elle mourra.

La vie des étoiles

On peut également classer les étoiles selon les différents stades de leurs existences. Dans un sujet précédent (voir : mort d'une étoile), j’avais décrit les différents types d’étoiles et leur avenir : en voici les principales lignes (pour plus de détails, on se reportera au texte indiqué).

* les étoiles peuvent être (sommairement) classées de la façon suivante :

a. les naines rouges, soit environ 80% des étoiles : elles sont relativement petites (moins de 0,8 masse solaire) et d’une grande longévité ; si grande même que, depuis le Big bang elles n’ont pas encore eu le temps de mourir. Leur chaleur est faible ce qui explique leur couleur. A titre d’exemple, Proxima du Centaure, notre plus proche voisine, est l’une de ces naines rouges.

b. les naines jaunes (10% des étoiles) : plus chaudes que les précédentes, leur masse est comprise entre une et huit masses solaires et c’est typiquement le cas de notre Soleil. Leur espérance de vie est encore respectable, environ 10 milliards d’années. Lorsque tout leur carburant nucléaire sera épuisé, elles se transformeront en

c. géantes rouges : la dilatation considérable à ce stade des couches externes de l’étoile combinée à l’effondrement de son cœur explique la couleur rouge de l’enveloppe stellaire, plus froide car à distance du centre.  Le stade ultime de l’évolution de ce type d’étoile, lorsque que ne restera plus que son cœur nu (l’enveloppe s’étant dispersée dans l’espace) est celui d’une

d. naine blanche : de la taille d’une planète, cet astre est composé de manière dégénérée hyperdense, incapable d’entretenir la moindre réaction thermonucléaire. Il s’agit donc déjà d’un cadavre d’étoile qui va progressivement s’éteindre au fil de millions d’années pour devenir une

e. naine noire : ces restes d’étoiles sont probablement nombreux dans l’univers mais, par définition, ils ne sont pas visibles.

f. les supergéantes bleues sont des étoiles jeunes massives (plus de 10 masses solaires) et extraordinairement lumineuses. Compte tenu de leur taille, leur espérance de vie est courte ; elles finissent par épuiser rapidement leur carburant nucléaire pour devenir des

g. supergéantes rouges (toujours par le même mécanisme d’expansion qui refroidit leurs couches externes) et explosent en supernovas (voir le sujet novas et supernovas), voire même en trous noirs (voir le sujet trous noirs) pour les plus massives d’entre elles Elles ne représentent que quelques pourcents de l’ensemble.

On peut donc réunir ces différentes populations d’étoiles dans un diagramme spécifique (diagramme HR) bien qu’il soit parfois difficile de déterminer précisément les caractéristiques de chacune, ne serait-ce que parce que les observations sont rendues malaisées lorsqu’existent des systèmes multiples d’étoiles (environ 50% des cas).

* Le diagramme HR dit de Hertzsprung-Russel permet de corréler luminosité et chaleur des étoiles et donc de définir leurs différentes populations et établir ainsi l’évolution stellaire. On peut alors constater que la majorité des étoiles se situe sur une ligne du diagramme appelée séquence principale où ces astres passeront la plus grande partie de leur vie tandis que ne s’en échappent que les atypiques comme les supergéantes ou ceux qui sont en fin de vie.

Evolution stellaire

Les étoiles, comme toutes choses en ce bas monde, ont une évolution – on pourrait dire une vie – parfaitement prévisible. Leur aspect renseigne ceux qui se donnent la peine de les observer. Leurs mots sont en couleur, disais-je en préambule, et ces mots nous expliquent l’univers dans lequel nous vivons. Ils nous font notamment comprendre combien le Soleil, qui est une étoile bien banale mais si particulière pour nous, est important puisqu’il autorise la vie – notre vie - sur cette planète.

Images :

 1. l'amas ouvert NGC 3603 (sources : philippe.boeuf.pagesperso-orange.fr )

2. Hipparque (sources : www.dimensions-math.org)

3. Aldébaran et Sirius (sources : www.webastro.net) 

4. Bételgeuse et Rigel (sources : www.webastro.net) 

5. la Croix du Sud (sources : http://antwrp.gsfc.nasa.gov )

6. Beta Cephi, une binaire bleue (sources : http://a.gerard4.free.fr)

7. diagramme de Hertzsprung-Russell (sources : http://fr.wikipedia.org)

  (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Brêve : la couleur des étoiles

     Dans l'hémisphère boréal, les nuits de juin sont les plus courtes. Le Soleil rasant l'horizon nord, le crépuscule s'étend dans la soirée, et les étoiles se font attendre...

     Les plus brillantes, Arcturus du Bouvier, l'Epi de la Vierge et Véga de la Lyre, apparaissent entre 22h30 et 23 heures. C'est entre chien et loup, lorsque le bleu du ciel s'assombrit, qu'il est le plus facile d'observer la couleur des étoiles. A l'oeil nu, Véga apparaît d'un blanc éclatant, Arcturus franchement orangée et l'Epi légérement bleuté. Si leur couleur diffère, c'est parce que leur surface de gaz n'est pas porté à la même température : de 4600°C pour Arcturus, la plus froide, donc la plus rouge, à 20000°C pour l'Epi.

(Science & Vie, n° 1125, juin 2011, p. 149)

Mots-clés : Hipparque - magnitude - corps noir - Bételgeuse - Rigel - naine rouge - naine jaune - géante rouge - naine blanche - naine noire - supernova - trou noir - supergéante rouge - supergéante bleue - digramme de Hertzsprung-Russell

(les mots en blanc renvoient à des sites d'informations complémentaires)

Articles connexes sur le blog :

* mort d'une étoile

* la mort du système solaire

* céphéides

* novas et supernovas

Mise à jour : 7 juin 2011

     Lorsqu’on regarde un chat jouer avec un chien Yorkshire, on sait implicitement qu’il s’agit d’animaux d’espèces distinctes mais même s’il arrive un Saint Bernard, là encore, on comprend immédiatement que le grand chien et le Yorkshire sont totalement de la même espèce qui est complètement différente de celle du chat ; cependant, par la taille, la morphologie et la vitesse des mouvements, le chat et le Yorkshire se ressemblent bien plus que chacun d’entre eux ne ressemble au Saint Bernard. Comment peut-on si facilement faire cette distinction ? Est-ce uniquement un acquis culturel ? Existe-t-il des animaux ou des plantes pour lesquels il serait facile de faire des confusions entre espèces différentes ? Au fond, qu’est-ce qu’une espèce d’êtres vivants ?

          La perception des espèces avant Darwin

     C’est Charles Darwin qui, au terme d’années d’observations et après une très longue réflexion, introduisit la notion d’évolution, c'est-à-dire le fait que les espèces se transforment au fil du temps, certaines d’entre elles s’éteignant à jamais. Avant lui, le monde était fixiste : jusque là, même pour les esprits instruits, les espèces étaient immuables et créées une fois pour toutes. Les fossiles ? Pour certains, ils avaient été placés tels quels dans les sédiments par un Dieu créateur dont les desseins restaient impénétrables ; pour d’autres, il s’agissait des restes d’espèces disparues lors de cataclysmes anciens (comme, par exemple, le Déluge biblique) d’où les théories dites « catastrophistes » qui prévalaient alors (voir le sujet : le rythme de l'évolution des espèces).

     Depuis la plus haute antiquité, on savait bien que des espèces différentes peuplent notre globe : il existait donc forcément une notion intuitive de la biodiversité mais sans qu’on aille plus loin. A l’aube de l’ère contemporaine, Linné (1707-1778), le fondateur de la systématique moderne, propose une définition fondée sur la ressemblance : pour lui, une espèce est « un ensemble d’individus qui engendrent par la reproduction d’autres individus semblables à eux-mêmes ». Toutefois, quand on l’interroge sur le mécanisme qui entraîne cette ressemblance, il est plus laconique en précisant : « Nous comptons aujourd’hui autant d’espèces qu’il y eut au commencement de formes diverses créées. » Il s’agit d’une approche théologique qui situe le problème hors d’un cadre scientifique.

     Cette approche est partagée par l’ensemble des savants de l’époque. Cuvier (1773-1838), par exemple, précise quant à lui que « l’espèce est la réunion des individus descendus l’un de l’autre et de parents communs. » Buffon (1707-1788) est sensiblement du même avis même s’il introduit la notion de capacité de reproduction en constatant que certains individus qui se ressemblent en apparence comme l’âne et le cheval ne peuvent donner que des descendants inféconds ce qui semble démontrer qu’il s’agit en pareil cas d’espèces différentes.

     Avant la théorie de l’évolution, il est donc clair qu’il n’existe aucune réponse scientifique à la question : on peut reconnaître les différentes espèces mais elles n’existent que comme des entités distinctes et immuables.

          La révolution darwinienne ou la notion d’espèces repensée

     Disons-le d’emblée : la recherche de la définition la plus exacte de la notion d’espèces a fait l’objet de milliers de publications scientifiques, livres, conférences, débats contradictoires, etc. et ses détails sont encore âprement disputés dans les cercles concernés. Sans entrer dans les polémiques savantes, nous allons donc nous efforcer de résumer ce qui semble être un consensus de base, le plus petit dénominateur commun en quelque sorte… Plusieurs approches – heureusement complémentaires – permettent de cerner de manière plus scientifique ce que nous appelions en préambule le « savoir implicite » de ce que sont les espèces.

          * délimitation sur la ressemblance : la taxinomie

     La taxinomie (ou taxonomie) est la science dont le but est de décrire les êtres vivants et de les regrouper en entités appelées taxons. Le taxinomiste s’appuie sur les caractères morphologiques des individus et son but est de les identifier, de les nommer puis de les classer. Cette science complète donc la systématique qui, elle, organise le classement des taxons et les relations existant entre eux. Par exemple, on peut identifier un taxon " chien-loup-renard " (approche taxinomique) qui fait partie de la " famille " des canidés, elle-même incluse dans " l’ordre " des carnivores appartenant à la " classe " des mammifères, etc. (abord par la systématique).

     Il s’agit là d’une approche classique et le problème est celui des critères retenus pour caractériser les membres d’un même taxon : on s’est rapidement aperçu que certains taxons étaient « approximatifs » car recourant à des concepts usuels (vernaculaires) mais peu scientifiques. Que recouvre, par exemple, le taxon « reptile » ?  Des individus plus ou moins proches… et plus ou moins éloignés !

          * détermination d’une ascendance commune : la phylogénétique

     Il fallait aller plus loin que la simple taxinomie. La phylogénétique aborde l’étude des êtres vivants et de leur évolution dans le temps de façon différente. Ici, on ne cherche pas tant les éventuelles ressemblances entre individus que leurs liens de parenté. Les membres d’un même taxon phylogénétique sont donc génétiquement proches ; on peut dire les choses autrement : les membres d’un taxon sont toujours plus proches génétiquement que chacun d’entre eux par rapport à un individu situé hors du taxon. Or cela ne veut pas dire qu’ils se ressemblent forcément : il peut y avoir des différences importantes (repensons au chien Yorkshire et à son peu de ressemblance avec le loup qui appartient au même taxon). A l’inverse, il existe parfois des ressemblances qui sont dues au hasard de l’évolution qui « trouve » des astuces évolutives voisines chez des individus n’ayant rien à voir les uns avec les autres (on parle alors de convergence évolutive). Par exemple, le loup de Tasmanie, dont l’espèce est aujourd’hui éteinte à cause de l’Homme, ressemblait étrangement à certains chiens : c’était pourtant un marsupial !

     Héritières de cette approche, deux disciplines très spécialisées permettent d’aller plus loin dans l’étude des individus : la cladistique (le clade est un taxon qui ne regroupe que les individus dont on est certain qu’ils ont en commun un caractère directement hérité de leur ancêtre) et la phénétique (basée sur l’idée que le degré de ressemblance est corrélé au degré de parenté, discipline d’autant plus intéressante qu’on compare un grand nombre statistique de caractères). Nous entrons ici dans un domaine fort complexe qui n’est pas de notre propos.

          * l’interfécondité : le critère biologique

     En 1942, le biologiste Ernst Mayr (1904-2005) réintroduisit le concept d’interfécondité en expliquant que « les espèces sont des groupes de populations naturelles, effectivement ou potentiellement interfécondes, qui sont génétiquement isolées d’autres groupes similaires…/… et devant pouvoir engendrer une progéniture viable et féconde. ». Le concept de l’espèce repose donc ici sur ce que l’on appelle l’isolement reproductif, à savoir l’ensemble des barrières biologiques qui empêchent les membres de deux espèces distinctes d’engendrer une descendance viable. Ce concept biologique explique parfaitement la naissance d’espèces différentes lors, par exemple, d’un isolement géographique mais se heurte lui aussi à des limites : comment déterminer cet isolement reproductif chez les fossiles ? Et chez les organismes asexués comme les bactéries ? On sait par ailleurs que, dans la nature, certaines plantes peuvent se croiser sans que les taxinomistes ne les considèrent comme appartenant à la même espèce…

          * la notion d’espèces en pratique

     On comprend donc qu’il n’est pas si facile de définir avec exactitude ce qui fait l’originalité d’une espèce. Le concept morphologique des ressemblances (ou dissemblances) est pratique mais certainement subjectif (possibilité de désaccords sur les critères retenus) tandis que le concept biologique, s’il va assez bien au monde animal, est bien moins évident dans le monde végétal (hybridations)

     Essayons de proposer une définition la plus simple possible mais pas forcément définitive, on en conviendra aisément. Cette définition pourrait être : une espèce est un groupe d'êtres vivants pouvant se reproduire entre eux (interfécondité) et dont la descendance est fertile. Elle est l'entité fondamentale des classifications qui réunit les êtres vivants présentant un ensemble de caractéristiques morphologiques, anatomiques, physiologiques, biochimiques et génétiques, communes.

          Autour de la notion d’espèces

     Pour terminer ce bref aperçu d’un problème bien moins simple qu’il n’y paraît de prime abord, posons-nous quelques questions – souvent évoquées par le grand public – étant entendu que nous ne saurions évidemment être exhaustifs (que le lecteur n’hésite d’ailleurs pas à en poser d’autres dans les commentaires de cet article).

     * Qu’est-ce qu’une sous-espèce ?

     On voit parfois cette appellation dans des articles spécialisés ou lors de documentaires animaliers mais qu’est-ce qu’une sous-espèce puisque, stricto sensu, soit les animaux ne peuvent pas se reproduire entre eux et ils sont d’espèces différentes, soit ils le peuvent et ils sont forcément de la même espèce ?

     Nous évoquions plus haut la formation d’espèces nouvelles par l’isolement géographique : de quoi s’agit-il ? Lorsque deux populations d’une même espèce se trouvent isolées (par exemple, par la formation d’une île, l’apparition d’un fleuve ou d’une montagne, etc.), ces populations n’étant plus en contact vont progressivement diverger génétiquement (dérive génétique)… jusqu’à devenir des espèces distinctes ne pouvant plus se reproduire entre elles : c'est ce que l'on appelle  une spéciation (dite, en pareil cas, allopatrique ou portant sur le territoire). Toutefois, cela prend du temps, un temps durant lequel ces populations n’ont effectivement plus de contact mais pourraient encore se reproduire entre elles si l’île ou le fleuve de l’exemple précédent venaient à disparaître. On désigne ces populations du nom de sous-espèces puisqu’elles sont isolées l’une de l’autre, qu’elles évoluent différemment et donneront des espèces distinctes mais qu’elles peuvent encore prétendre à une descendance commune si l’occasion s’en présente.

     * la notion de races est-elle valide ?

     Voilà une question à laquelle il ne semble pas difficile de répondre : chaque éleveur de chiens sait bien qu’il existe de nombreuses races différentes chez nos amis à quatre pattes mais qu’en est-il au juste ? La description d’une race de chiens passe par un certain nombre de critères fixés une fois pour toutes et cherchant à décrire un « individu type » appartenant à la race étudiée. On peut donc identifier des caractéristiques, toujours présentes, qui déterminent la race retenue, ici de chiens : on comprendra néanmoins que ces critères sont relativement subjectifs même s’ils s’appuient sur des faits historiques. Bien entendu, puisque tous les chiens appartiennent à la même espèce, ils peuvent se reproduire entre eux (sauf impossibilité physique comme le Yorkshire femelle avec le Saint Bernard) et donner naissance à des individus métis, « sans race ». La « valeur » de telle ou telle race pour l’éleveur ou le propriétaire échappe bien sûr au domaine scientifique pour relever des domaines culturels ou commerciaux.

     Chaque groupe d’animaux peut présenter un plus ou moins grand nombre de races : la variabilité est différente selon les espèces, plus importante chez, par exemple, les chiens que chez les chats. Plus floue aussi en botanique ou même la notion d’espèce est sujette à caution…

     Et chez l’Homme (qui est un animal) ? Il est difficile de contester le fait qu’il existe des races d’hommes (en tant que médecin, je sais par exemple que certaines affections sont bien plus fréquentes dans une race que dans une autre) mais cette notion reste pour beaucoup du domaine du subjectif et du culturel, voire du politiquement correct, aussi laisserai-je à chacun le soin de tirer sa propre conclusion.

     * combien a-t-il existé d’espèces différentes par le passé ?

     J’ai écrit à plusieurs reprises que 90% des espèces ayant un jour peuplé la Terre sont aujourd’hui éteintes. Concernant celles vivant sur notre planète actuellement, on estime qu’il en a été décrit scientifiquement environ deux millions, peut-être un peu moins, mais qu’il en reste à identifier… plusieurs dizaines de millions, la plus grande partie d’entre elles concernant les insectes. Par ailleurs, la récente campagne internationale d’étude des espèces vivant dans les fonds marins a été une surprise puisqu’elle a identifié des milliers d’espèces inconnues, notamment dans les grands fonds… Pour résumer, avançons le chiffre – moyen - de cinquante millions d’espèces partageant avec nous notre bonne vieille Terre…  et qui représente donc moins de 10% de toutes les espèces ayant vécu sur Terre : le nombre total d’espèces ayant existé (je dis bien d’espèces et non d’individus !) est pharamineux…

     * combien en reste-t-il encore à découvrir ?

     On vient de le dire : il en reste beaucoup ! Non pas tant pour les gros animaux dont la possible découverte s’évalue en unités mais pour ceux, plus petits, qui vivent loin de l’emprise de l’Homme comme ces milliards d’insectes proliférant dans les canopées des forêts tropicales. La plupart des spécialistes estime que les espèces qui nous sont aujourd’hui encore inconnues représentent au moins cinquante fois la somme de toutes celles que nous avons aujourd’hui décrites or nous n’en découvrons que moins de 20 000 en moyenne chaque année, c’est dire le travail qui reste à faire… d’autant que beaucoup d’entre elles auront disparu avant d’être caractérisées !

     * combien d’espèces menacées d’extinction aujourd’hui ?

     Effectivement, la domination sans partage de l’espèce humaine, son appétit insatiable pour de nouveaux territoires, obligés ou non, et son esprit de lucre universel entraînent la destruction de nombreux habitats où vivent (survivent ?) nombre de nos compagnons terrestres ; du fait, bien des espèces ont déjà disparu et d’autres sont en grand danger. Certains exemples sont très connus : le Dodo de l’Ile de la Réunion, le loup de Tasmanie déjà évoqué… mais pour combien de disparitions « en silence » ou avec la complicité de quelques grands humanistes trop occupés par l’amélioration ( ?) des conditions d’existence de l’espèce humaine ? Difficile à dire. Les scientifiques évoquent la fourchette suivante : le taux de disparition, depuis deux siècles, est de dix à cent fois supérieur au taux « naturel », c'est-à-dire à celui des âges d’avant la révolution industrielle. Le rythme s’accroit continuellement et les spécialistes les plus optimistes tablent sur une multiplication par 10 dans les prochaines années (soit 1000 à 10 000 fois plus que par la seule Nature). Un constat sans appel.

Sources :

* les mondes darwiniens (ouvrage collectif, éditions Syllepse, 2009)

* Wikipedia France et Wikipedia org (USA)

* Encyclopedia Britannica

* Futura France

Images :

 1. la grande galerie de l'évolution du Museum d'Histoire Naturelle, à Paris

(sources : http://fr.academic.ru )

2. chien et chat (sources : http://dakota.d.a.pic.centerblog.net)

3. les journées de la biodiversité, chaque 22 mai, depuis 8 ans

(sources : http://www.cauxcorico.com)

4 cladistique stellare (sources : http://www-laog.obs.ujf-grenoble.fr)

5. Ernst Mayr (sources : commons.wikimedia.org )

6. races de chiens (sources : http://www.qctop.com)

7. loup de Tasmanie (sources :   http://www.dinosoria.com)

(Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés : Charles Darwin – fixisme – catastrophisme – biodiversité – Carl von Linné – classification systématique – Georges Cuvier – Georges-Louis Leclerc de Buffon – taxinomie – taxon – phylogénétique – convergence évolutive – cladistique – phénétique – Ernst Mayr – isolement reproductif – isolement géographique – sous-espèces – spéciation - races – extinctions d’espèces

 (les mots en blanc renvoient à des sites d'informations complémentaires)

Sujets apparentés sur le blog

1. les extinctions de masse

2. les mécanismes de l'Evolution

3. le rythme de l'évolution des espèces

4. placentaires et marsupiaux, successeurs des dinosaures

5. la théorie des équilibres ponctués

Mise à jour : 9 janvier 2012

« Il est donc d'innombrables soleils et un nombre infini de terres tournant autour de ces soleils, à l'instar des sept "terres" [la Terre, la Lune, les cinq planètes alors connues : Mercure, Vénus, Mars, Jupiter, Saturne] que nous voyons tourner autour du Soleil qui nous est proche. » (Giordano Bruno, L'Infini, l'Univers et les Mondes, 1584).

Giordano Bruno était un moine dominicain qui, à la suite des travaux de Copernic, s’était persuadé que l’Univers était infini et peuplé d’une multitude de soleils comme le nôtre, des étoiles entourées de planètes recelant peut-être la Vie. Déclaré hérétique par l’Inquisition, il fut, au terme d’un procès de huit ans, condamné à être brûlé vif en place publique le 17 février 1600. Il n’avait qu’un seul tort : celui d’avoir eu raison trop tôt car, depuis la première découverte de 1995, on sait aujourd’hui que des planètes extérieures au système solaire, il y en a beaucoup : peut-être plus que d’étoiles qui se comptent pourtant en milliards de milliards… Le problème est qu’il est effectivement difficile, même pour l’astronomie moderne, de les observer. On en déjà répertorié près de cinq cents à ce jour.

Méthodes d’observation

Observer une étoile plus ou moins lointaine est facile avec les télescopes modernes même s’il ne s’agit que de celles de notre propre galaxie. Identifier le minuscule point sombre susceptible de se projeter sur la sphère aveuglante d’un soleil même peu intense est une autre paire de manches : c’est là tout le défi que se sont fixés certains astronomes recherchant systématiquement la présence indirecte de ces minuscules objets (par rapport à leurs étoiles) et cette quête a fini par payer. Comment s’y sont-ils pris ?

Identifier une planète extrasolaire est, on vient de le dire, extrêmement ardu car la distance qui nous sépare de l’étoile observée est infiniment plus grande que celle qui existe entre l’éventuelle planète et son soleil. Le pouvoir séparateur de nos instruments ne permet guère de telles observations (il faut se souvenir qu’une planète n’émet pas de lumière…). Il est donc nécessaire d’avoir recours à des méthodes indirectes qui sont principalement au nombre de quatre.

*  l’analyse de la vitesse radiale

Un système de planètes tourne autour du centre de gravité de son étoile et induit ainsi des variations infinitésimales de la vitesse radiale de l’astre par rapport à celle qui serait calculée si celui-ci était solitaire. Cette méthode – souvent difficile d’accès – sera d’autant plus performante que la vitesse radiale est élevée (planète proche de l’étoile) et la planète massive.

   *  les méthodes de transit

. soit indirecte ou transit primaire : elle est basée sur la variation de luminosité de l’étoile lorsque la planète passe devant elle. Outre le fait que cette variation est infime, encore faut-il que l’étoile soit vue par la tranche ce qui est peu souvent le cas : cette méthode, facile pour un télescope, n’a en définitive que peu identifié d’exoplanètes.

. soit semi-directe : lorsque la planète passe derrière son étoile, on peut théoriquement détecter la lumière qui provient de sa face alors éclairée qui se superpose à celle de l’étoile elle-même (on parle alors de transit secondaire)  et c’est avec le télescope spatial Hubble que cette technique a, pour la première fois, donné des résultats.

   *  l’observation directe

Comme l’astrométrie, méthode encore balbutiante, qui observe les éventuelles perturbations de la trajectoire d’une étoile sous l’effet de son système planétaire, l’observation directe par optique adaptative (corrections en temps réel) et coronographie (masques récréant des sortes d’éclipses artificielles) reste du domaine du futur (bien qu’elle ait eu déjà quelques succès) car elle exige encore bien des efforts pour le traitement des images.

   *  les lentilles gravitationnelles

Une lentille gravitationnelle (ou mirage gravitationnel) est un phénomène induit par la présence entre un observateur et la source observée d’un objet massif qui dévie les rayons lumineux : nous l’avons déjà évoqué (voir le sujet : relativité générale) car il s’agit là de l’illustration parfaite de la théorie d’Einstein sur la courbure de l’espace. Si une lentille (c'est-à-dire une étoile) passe devant une autre, la courbe de lumière de l’étoile en arrière-plan croît et décroît selon les lois très précises de l’optique gravitationnelle. Supposons alors qu’une seconde « lentille » (la planète extrasolaire) se trouve dans le même champ, la courbe change d’apparence : une minuscule anomalie lumineuse va apparaître en surimpression. L’étude précise du temps de transit devant l’étoile et celle de la courbe lumineuse en résultant va permettre de reconstituer les caractéristiques de cette planète : sa distance à son soleil,  sa masse et la durée de son orbite, autant d’éléments qui permettront de dire si l’on a affaire à une planète géante gazeuse ou à une planète tellurique (comme la Terre), cette dernière éventualité étant, on l’imagine, bien plus passionnante.

Toutes ces méthodes d’observation, à des degrés divers et parfois combinées, ont permis de cataloguer avec certitude un demi-millier de planètes extrasolaires, le plus souvent massives et gazeuses (comme Jupiter) mais pas toujours comme on va le voir.

Un peu d’histoire…

C’est le 6 octobre 1995 que des astronomes de l’observatoire de Haute-Provence ont pour la première fois annoncé la découverte d’une planète en dehors du système solaire : elle tourne autour d’une étoile située dans la constellation de Pégase (Pegasi 51), à 48 années-lumière de nous, et a été mise en évidence par la méthode des vitesses radiales. Cette planète, gazeuse, de la moitié de la taille de notre Jupiter, présente la particularité d’être située très près de son étoile dont elle fait le tour en quatre jours (cette particularité poussa les astronomes à revoir leur conception de la formation des planètes gazeuses mais il s’agit là d’un autre problème). On la nomma Pegasi b selon un nouvel usage attribuant les lettres de l’alphabet en minuscule à ces planètes. Ce fut, évidemment, une « bombe » dans le petit univers de l’astronomie mais pas seulement car je me souviens très bien que les médias du monde entier en parlèrent abondamment.

D’autres découvertes suivirent très vite : celle de nombreuses géantes gazeuses, puis d’un « système » de plusieurs planètes comme celui d’Upsilon d’Andromède, située à 44 années-lumière (en fait un système binaire associant une naine jaune de type solaire et une petite naine rouge).

La première planète tellurique (c’est-à dire comparable à la Terre) est repérée en janvier 2006 : il s’agit de OGLE-2005-BLG-390L b, dans la constellation du Scorpion. Située à près de 21 000 années-lumière, elle fait environ 6 masses terrestres et se trouve à une distance de son étoile qui la situerait dans notre système entre Mars et Jupiter. Cette planète tourne autour de son soleil en 10 ans (car son étoile est très certainement une naine rouge moins massive que le Soleil) et elle est probablement composée de roches et de glaces. On se rapproche de plus en plus de l’aspect de notre planète…

… et un peu d’imagination

Nos observations n’en sont encore qu’au début mais on peut déjà imaginer ce que pourraient être quelques unes de ces planètes lointaines dont on ne savait rien il y a encore 15 ans. Voici quelques exemples.

*  Pollux b (HD 62509) : une planète proche de sa mort

Située à 34 années-lumière d’ici, dans la constellation des Gémeaux, l’étoile de cette planète, Pollux, est mourante : il s’agit d’une géante rouge qui, dans un ou deux millions d’années, va étendre son enveloppe gazeuse par bouffées successives jusqu’à vaporiser son système planétaire. Pollux b, planète géante gazeuse d’une taille trois fois supérieure à Jupiter, subira le sort qui est réservé à notre propre globe (voir : mort du système solaire) dans beaucoup plus longtemps…

*  HD 188753 A b, la planète aux trois soleils

Située dans la constellation du Cygne, à environ 150 années-lumière de nous, cette géante gazeuse tourne très près de son étoile, une naine jaune analogue au Soleil. Mais, fait plus surprenant, deux autres étoiles orangées liées en couple tournent également autour de l’étoile centrale. Un observateur présent sur HD 188753 A b verrait donc trois soleils se lever à l’horizon ! Son découvreur l’a baptisée Tatooine, faisant ainsi allusion à la planète (fictive) qui a vu l’enfance de Luke Skywalker dans la saga de la Guerre des Etoiles.

*  Gliese 876 d : une planète en incandescence

Située trop près de son étoile, dans la constellation du Verseau, cette planète, une des plus petites découvertes à ce jour, subit très vraisemblablement une température infernale (1500 à 2000°). Elle tourne autour de son soleil en 2 jours seulement ! A la chaleur doivent certainement s’ajouter des vents d’une puissance extraordinaire : on n’a pas vraiment envie d’y aller…

*  OGLE-05-390 L b : une autre Terre

Il s’agit d’une planète de type terrestre (nous l’avons déjà évoquée) qui tourne à 315 millions de km d’une naine rouge située dans la constellation du Scorpion. Rapportée à notre propre système, cela la placerait entre Mars et Jupiter et comme il s’agit d’une planète tellurique faite de roches et de glaces, peut-être nimbée d’une fragile atmosphère, on pourrait penser qu’il s’agit là d’une autre Terre… Hélas, son étoile, on l’a dit, est une naine rouge qui ne diffuse que bien peu de chaleur. Du coup, OGLE-05-390 L b est un monde glacé dont la température se situe autour de – 200°.  On peut donc imaginer des montagnes et des vallées désolées, gelées, perpétuellement plongées dans une lumière crépusculaire…

*  HD 69830 b, c et d : les trois planètes d’un soleil moribond

On a pu mettre en évidence autour de cette étoile en fin de vie de la constellation de la Poupe un véritable système solaire : au moins trois planètes et une ceinture d’astéroïdes… Situées à 41 années-lumière de nous, deux de ces planètes sont de type terrestre quoique beaucoup plus grosses que notre globe. Elles possèdent chacune une atmosphère épaisse (toutefois probablement sans oxygène) mais, situées trop près de leur étoile, ces planètes rocheuses sont de véritables enfers carbonisés où la Vie n’a guère la chance de se développer.

*  PSR 1257+12 b, c et d : le système d’un soleil mort

Située à plus de 100 années-lumière de la Terre, l’étoile de ce système est une étoile à neutrons, c’est-à dire le cadavre d’une ancienne étoile géante explosée en supernova (voir le sujet : mort d’une étoile). Autour de ces restes stellaires tournent trois planètes, l’une très proche et de la taille de notre Lune, deux autres plus massives mais aussi plus éloignées. Ces objets ont-ils survécu à l’explosion de la supernova ou ont-ils, par un processus encore ignoré, été créés secondairement ? Impossible de l’affirmer avec certitude. Ce qui est sûr, c’est que le ciel de ces planètes doit être étrange et effrayant puisque l’étoile à neutrons centrale ne mesure que 10 km de diamètre, ses planètes étant donc bien plus grosses qu’elle. L’étoile est hyperdense et si petite : peut-on seulement l’apercevoir distinctement depuis une des deux planètes lointaines ou se confond-elle avec les autres astres de cette nuit éternelle ?

Au fur et à mesure que progresseront nos observations, nous pourrons ainsi découvrir des mondes étranges et extraordinaires. Et, sans doute - mais il faut du temps  - de nouvelles Terres….

Des milliards de milliards de planètes

L'Univers recèle tant d'étoiles (pour mémoire, une galaxie moyenne contient de 150 à 200 milliards d’étoiles et il existe des milliards de galaxies) qu’on doit y trouver un nombre inimaginable de planètes orbitant autour d’elles. La plupart sont très certainement impropres à la Vie (du moins telle que nous la connaissons) mais certainement pas toutes… Voilà qui ravive le « débat statistique de la Vie » d’Isaac Asimov auquel je faisais allusion dans le sujet : vie extra-terrestre, deuxième partie.

Ces planètes lointaines, ces étranges merveilles, sont actuellement (et pour longtemps) hors de notre portée mais savoir qu’elles existent nous permet de nous resituer dans ce monde gigantesque dont certains pensent qu’il nous appartient parce qu’il aurait été créé pour nous. Encore un fois, savoir être modeste relève de la seule et pure raison.

Images

 1. galaxie du sombrero M 104 (sources : www.chez-gerard.org)

2. Giordano Bruno (sources : 2.bp.blogspot.com)

3. méthode de transit indirecte ou primaire (sources : r.academic.ru)

4. explication d'une lentille gravitationnelle (sources : http://www.futura-sciences.com/)

5. "Jupiter" chaude (sources : www.innovationlejournal.com)

6. depuis le satellite d'une géante gazeuse (sources : http://my-blackberry.net)

7. planète d'un système multiple (sources : http://www.futura-sciences.com)

8. une planète gelée, ici Titan (sources : http://www.blog.francis-leguen.com/)

9. la Terre (sources : http://www-obs.univ-lyon1.fr)

       (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés : Giordano Bruno - vitesse radiale - transit primaire - transit secondaire - astrométrie - optique adaptative - coronographie - lentille gravitationnelle - planète gazeuse - planète tellurique - géante rouge - étoiles multiples - étoile à neutrons - supernova

(les mots en blanc renvoient à des sites d'informations complémentaires)