La science infuse

Un robot bionique qui marche (et vibre) au poil

Guillaume Frasca — Sat, 18 May 2013 15:56:00 +0200

Les soies de Setaria viridis ont inspiré un nouveau modèle de robot capable de se mouvoir grâce à sa surface "poilue".

C'est en s'inspirant d'un jeu traditionnel de certaines régions chinoises que Yong Qin et ses collègues de l'université de Lanzhou (Chine) ont mis au point un petit robot d'un genre nouveau : dépourvu de roues mais hérissé de "poils", la petite machine est capable de se mouvoir le long de tuyaux sous l'effet de sa seule vibration.

L'idée originale des ingénieurs chinois vient de la sétaire verte (Setaria viridis), une graminée fréquente sur les bords de chemins en France comme dans toutes les régions tempérées, et objet d'un jeu apprécié par les petits Chinois des champs. Le principe est simple : tendus entre deux bâtons, deux fils de coton servent de support à deux épis de sétaire (on parle plus exactement de panicule dans le cas des graminées) disposés aux deux extrémités de la piste de jeu. Chaque concurrent fait alors avancer sa panicule le long du fil en faisant vibrer celui-ci, le but étant qu'elle reste en place au moment où les deux bolides végétaux vont se percuter à mi-parcours (le jeu vous paraîtra plus clair avec cette démonstration en images). Comment la panicule avance ? Grâce à ses fines soies, longues de 6 à 10 mm, qui sont en contact avec la surface rugueuse du fil de coton : élastiques, les soies se déforment sous l'effet de la vibration et, en se relâchant, sautent un peu plus loin le long du fil. Ce déplacement a été mis en équation, en tenant compte des propriétés élastiques de la soie et de l'angle qu'elle forme avec le fil.

La bionique, c'est fantastique !

Le mécanisme de propulsion de la sétaire a inspiré le design d'un petit robot hérissé de poils en plastique recouvrant un moteur vibrant.

Les ingénieurs chinois ont alors conçu un petit robot mimant le déplacement saltatoire de la panicule de la sétaire. Ils ont fabriqué un tube plastique couvert de longs "poils" souples et ont placé à l'intérieur un moteur électrique vibrant. Ainsi, au lieu de faire osciller le support sur lequel est posé le robot, c'est le véhicule lui-même qui fournit l'énergie, la vibration locale suffisant en réalité à déformer les poils. Ainsi propulsé, le petit robot mesurant à peine 2 cm a été testé dans différentes situations : il a réussi à se mouvoir le long d'une rigole horizontale, d"une arène circulaire et enfin d'un tuyau vertical, en se déplaçant jusqu'à une dizaine de centimètres par seconde.

Yong Qin et ses compères envisagent de nombreuses applications pour ce robot capable de se faufiler grâce à ses poils flexibles dans les canalisations, quelle que soit leur orientation : opérations de secours dans des ruines, reconnaissance militaire et même inspection de coque de vaisseaux spatiaux ! Le robot pourrait même être miniaturisé pour des applications en micro-électronique (les fameux MEMS) ou en médecine, pour amener le médicament au bon endroit le long des vaisseaux sanguins. Un bel exemple de bionique, où un jeu issu des campagnes chinoises pourrait s'exporter jusque dans les laboratoires pharmaceutiques !

D'autres inventions bioniques : Un robot imite les acrobaties du gecko et Un robot-cafard ailé.

Source : S. Bai et al., Vibration driven vehicle inspired from grass spike, Scientific Reports, 16 mai 2013.

Crédit photo : SimonQ錫濛譙 - Flickr (CC BY-NC-ND 2.0).

Le germe infectieux de l'autoritarisme

Guillaume Frasca — Thu, 02 May 2013 19:24:00 +0200

Les milices de jeunes de Robert Mugabe, suspendues en 2007, seraient-elles liées aux mauvaises conditions sanitaires du Zimbabwe ?

Pourquoi certains pays ont opté pour la démocratie quand d'autres populations subissent depuis des décennies l'oppression de régimes autoritaires ? Cette question, longtemps réservée à la sphère des politistes, apparaît sous un jour nouveau en étant abordée par des chercheurs d'autres disciplines. Suivant les traces de Jared Diamond qui, dans son essai intitulé De l'inégalité parmi les sociétés, pointait l'importance de l'environnement sur le devenir des civilisations humaines, des biologistes de l'université du Nouveau-Mexique (États-Unis) ont suggéré que des considérations écologiques pourraient entrer en ligne de compte dans le choix du régime politique d'un pays. Ils ont ainsi formulé en 2007 une curieuse hypothèse : la démocratie s'épanouirait mieux loin des maladies infectieuses ! Cette hypothèse dite du "stress parasitaire", lequel favoriserait l'autoritarisme, semble aujourd'hui confirmée par les travaux d'une équipe de l'université de la Colombie-Britannique (Canada), versant cette fois-ci dans la psychologie sociale.

Bactéries, virus et autres vers parasites ont-ils une influence sur la nature du régime politique qui se met en place dans un état ? Pour le savoir, Damian Murray et ses collègues ont comparé le destin politique de 31 pays, de l'Australie au Zimbabwe en passant par la Grèce. Pour chaque pays, les mœurs politiques ont été évaluées à partir de plusieurs indicateurs émanant notamment d'organisations américaines comme la Freedom House et la Fondation Heritage. L'originalité de cette étude est de s'être intéressée aux comportements individuels en estimant l'autoritarisme des citoyens via l'échelle du fascisme proposée par Theodor Adorno en 1950.

La peur de l'infection favorise le repli individualiste et conservateur

Mycobacterium leprae, le bacille de Hansen responsable de la lèpre, meilleur agent des dictateurs ?

Qu'en déduisent les psychologues canadiens ? Que l'autoritarisme d'un pays est corrélé à la prévalence d'une série de neuf pathogènes (parmi lesquels le paludisme, le typhus, la lèpre et la leishmaniose). Il en va de même pour les tendances individuelles à l'autoritarisme, qui sont également liées au niveau d'éducation moyen ou encore au PIB par habitant. Les sceptiques des corrélations auront beau jeu de rappeler que les pastafariens ont pu relier le réchauffement climatique à la disparition des flottilles de pirates et qu'il est donc difficile de déduire quoi que ce soit d'une telle observation statistique. Pour cela, les chercheurs ont poussé plus avant l'analyse de leurs données : ils ont alors établi que l'impact du "stress parasitaire" sur la forme de gouvernement est principalement dû à son influence sur l'inclinaison de chacun à l'autoritarisme. La relation de cause à effet entre prévalence infectieuse et gouvernement autoritaire semble donc médiée par les comportements individuels valorisant un tel autoritarisme, et non la situation inverse, où la nature politique pèserait sur les conduites personnelles.

En se basant sur un atlas anthropologique, le Standard Cross Cultural Sample établi en 1968, les chercheurs canadiens ont établi le même genre de corrélations chez des tribus aborigènes de plusieurs continents, renforçant encore le lien de causalité entre infection et autoritarisme du gouvernement via des considérations individuelles et non collectives, issues de modèles politiques modernes. Pour les psychologues, l'hypothèse sous-jacente à la théorie du "stress parasitaire" est que "la perception subjective du risque d'infection entraîne les individus vers des comportements plus conformistes et dociles, les poussant également à se comporter de façon plus négative envers ceux qui ne suivent pas les règles et à adopter des attitudes socio-politiques plus conservatrices". Certaines études ont de même lié le sentiment de vulnérabilité à une infection à des comportements ethnocentriques et xénophobes.

Le sixième des huit Objectifs du Millénaire pour le Développement adoptés en 2000 par l'ONU, qui vise à faire reculer les infections dans le monde, aurait non seulement de grandes conséquences sanitaires, mais pourrait ainsi favoriser une révolution démocratique dans les pays autoritaires, en contribuant au changement des mentalités. Le vaccin contre le VIH, meilleur antidote contre la dictature ?

Source : D.R. Murray et al., Pathogens and Politics: Further Evidence That Parasite Prevalence Predicts Authoritarianism, PLoS ONE, 1er mai 2013.

Crédit photo : Sokwanele - Zimbabwe - Flickr (CC BY-NC-SA 2.0) ; Public Health Image Library - Wikimedia Commons.

Un antibiotique contre le charme envoûtant des femmes

Guillaume Frasca — Sat, 20 Apr 2013 16:03:00 +0200

Cet homme, sous le charme de la porteuse d'eau, semble prêt à vider ses poches pour lui plaire.

James Bond a beau être un agent secret de premier plan, il n'en reste pas moins un homme sensible, tombant bien souvent sous le charme de belles femmes, parfois à ses dépens. Cette péripétie n'est pas qu'une astuce de scénariste en mal de rebondissements (et de belles plastiques à mettre à l'écran) : plusieurs études de psychologie expérimentales ont montré que, face à une femme séduisante, un homme avait tendance à baisser la garde et à se comporter avec moins de prudence. Heureusement, les représentants de la gent masculine pourraient bientôt se ressaisir grâce à une potion magique, ou plus exactement, un antibiotique qui aurait le pouvoir d'annuler l'effet envoûtant d'un beau visage.

Une équipe japonaise menée par Motoki Watabe et Takahiro Tako a sélectionné 98 étudiants de l'université de Kyūshū pour un jeu d'économie expérimentale, appelé jeu de confiance. Le principe est le suivant : deux joueurs reçoivent une certaine somme (ici 1 300 yens, soit environ 10 €), l'homme doit alors choisir la somme qu’il souhaite envoyer à l’autre joueur, une femme en l'occurrence. Celle-ci reçoit alors un multiple du montant envoyé (trois fois dans le cas présent) et décide si elle partage ce montant avec sa comparse (attitude coopérative) ou si elle garde tout pour elle (stratégie qualifiée de trahison par les auteurs). Variante du jeu du dictateur, ce jeu évalue la confiance que le "cobaye" attribue à son partenaire : il lui donne de l'argent, mais au risque de tout perdre. Dans cette expérience, l'étudiant ne dispose que d'une photo pour décider s'il peut se fier à sa comparse. L'expérience est reproduite avec huit étudiantes, choisies par les chercheurs nippons pour leur goût de la trahison (elles décident de garder tout l'argent pour elles). Les étudiants ne savent pas que l'issue de l'expérience est écrite – ils vont se faire plumer – ce qui permet d'observer s'ils vont placer leur confiance en une femme en se basant sur leur seule apparence physique.

Le charme féminin, une bactérie infectieuse ?

Les hommes donnent plus d'argent aux femmes qu'ils jugent attirantes, mais cet effet est annulé par la prise de la minocycline.

À côté de ce jeu, les participants ont en effet évalué la beauté des femmes, sur une échelle de 0 à 10. Il apparaît ainsi que les hommes font plus confiance aux femmes jugées séduisantes, leur octroyant (en pure perte) plus des deux-tiers de leur cagnotte, contre moins de la moitié pour les autres, moins attirantes. C'est là qu'intervient la minocycline, un antibiotique habituellement prescrit pour lutter contre certaines infections bactériennes. Une partie des étudiants a, préalablement au jeu, suivi un court traitement à base de cet antibiotique. Et, comme s'y attendaient les chercheurs, ceux-ci ont perdu toute sympathie pour les jolies filles.

La minocycline est en effet connue pour améliorer certains symptômes psychiatriques comme la dépression ou la schizophrénie. Elle affecte également les décisions économiques et sociales, et en l'occurrence diminue ce que les psychologues appellent le honeytrap (le "piège à miel" en bon français), effaçant la présomption de moralité accordée aux jolies femmes. Cette preuve psychopharmacologique de l'action de la minocycline serait liée à une inactivation de la microglie, une partie du système nerveux central impliquée principalement dans la réponse immunitaire, mais aussi dans les comportements anxieux d'après des expériences menées en 2009 sur des souris. En mettant en sourdine la microglie, l'antibiotique pourrait rendre plus raisonnable les mâles et protéger au mieux leurs intérêts face aux tentatrices.

Source : M. Watabe et al., Minocycline, a microglial inhibitor, reduces ‘honey trap’ risk in human economic exchange, Scientific Reports, 18 avril 2013.

Crédit photo : Eugen de Blaas - Wikimedia Commons.

Magnétisme et cellules souches font bon ménage

Guillaume Frasca — Sun, 31 Mar 2013 17:59:00 +0200

Quoi de mieux pour piéger des cellules qu'un bon vieil aimant ?

Alors que le président Barack Obama a levé dès mars 2009 l'interdiction du financement public des recherches sur les cellules souches embryonnaires, ces derniers jours, les députés UMP ont empêché l'examen d'une proposition de loi, adoptée en première lecture par le Sénat le 4 décembre 2012, autorisant en France la recherche médicale sur ces mêmes cellules. Il existe toutefois d'autres "sources", ne déchaînant pas les mêmes passions éthiques, qui permettent à des chercheurs français d'exploiter les propriétés uniques de différenciation des cellules souches, notamment dans un domaine qui a émergé au début des années 1990 : l'ingénierie tissulaire, également appelé médecine régénérative (un article précédent parlait de cette technique appliquée... à la fabrication de dents). Ainsi, pendant trois ans, j'ai pu travailler sur des cellules souches mésenchymateuses, issues principalement de la moelle de la crête iliaque (le bord supérieur de l'os du bassin), avec l'idée de fabriquer in vitro du cartilage. J'ai aujourd'hui le plaisir de vous annoncer que les efforts ont été payants, puisque mes anciennes collègues (et directrices de thèse) du laboratoire Matière et systèmes complexes (MSC) de l'université Paris-Diderot (France), viennent de publier dans la revue Advanced Materials un article présentant les progrès accomplis tout particulièrement par la dorénavant docteur Delphine Fayol qui m'a succédé dans l'équipe.

Depuis de nombreuses années, les biologistes étudient la formation des différentes familles cellulaires à partir des cellules souches dans le but de reproduire ce phénomène en laboratoire. Dans notre cas, nous cherchions à obtenir des chondrocytes, cellules qui produisent notamment le collagène, élément essentiel du tissu cartilagineux. La spécificité de ce mécanisme de différenciation, appelé chrondrogenèse, est qu'il ne s'opère que lorsque les cellules souches sont dans un état compact, proche de celui dans lequel elles sont à l'état embryonnaire. Pour compacter les cellules souches, les biologistes utilisent principalement la technique de centrifugation, mais celle-ci n'est pas très contrôlable et ne permet que de produire de petits morceaux de cartilage, inférieur au millimètre. Difficile alors d'imaginer reconstruire une cloison nasale 100 % bio ! C'est ici que l'apport de notre labo (plutôt dédié à la physique) intervient : nous avons utilisé des forces magnétiques pour compacter les cellules. Mais, me direz-vous, comment un champ magnétique peut-il forcer des cellules à former une boule compacte ? Rien de plus simple, rendons la cellule... magnétique !

Petit à petit, le cartilage fait son nid (de collagène)

En formant au niveau de chaque aimant un agrégat capable de se différencier, puis en les faisant fusionner, on peut former un morceau de cartilage de plusieurs millimètres.

L'étape préalable à notre technique de compaction magnétique est donc de rendre magnétiques les cellules souches. Pour cela, nous leur faisons absorber de minuscules aimants, en l'espèce des nanoparticules d'oxyde de fer formant un ferrofluide. Cette étape se fait naturellement, par un phénomène appelé endocytose, développé par l'ensemble des types cellulaires pour internaliser des molécules ou des particules présentes dans leur environnement. Ainsi emplies de particules magnétiques, les cellules peuvent être attirées par un aimant placé sous la boîte de culture afin de former un tas – disons, de façon plus élégante, un agrégat cellulaire – contenant plusieurs centaines de milliers de cellules. La différenciation peut alors s'opérer, avec l'appui de certaines molécules bien choisies ; la présence de ces aimants à l'intérieur des cellules n'a heureusement pas d'impact quantifiable, même à plus long terme (la différenciation prend tout de même 4 semaines).

Les agrégats, une fois formés, peuvent être manipulés par d'autres attracteurs magnétiques au cours de la chondrogenèse : c'est ainsi que mon équipe est parvenue à obtenir de plus grands amas de cellules souches grâce à la fusion de plusieurs agrégats. Un tel assemblage de cellules ne peut être obtenu directement par centrifugation : en effet, si l'amas initial est trop important, les cellules emprisonnées au cœur du sphéroïde n'ont pas accès aux nutriments ainsi qu'aux molécules induisant la chondrogenèse, et finissent par mourir sans pouvoir se différencier. Par une suite de manipulations, mes collègues ont pu former un "carré" de 16 agrégats, comprenant un total de 4 millions de cellules souches. Et le résultat s'avère concluant : les cellules se différencient et fabriquent une matrice abondante de collagène. Prochaine étape : l'implantation chez un modèle animal, pour vérifier l'innocuité de ce cartilage "vivant", en espérant qu'il parvienne facilement à fusionner avec le tissu déjà présent. Mais cette fois, je ne devrais plus figurer parmi les auteurs, me permettant de recouvrer pleinement ma neutralité journalistique !

Source : D. Fayol et al., Use of Magnetic Forces to Promote Stem Cell Aggregation During Differentiation, and Cartilage Tissue Modeling, Advanced Materials, 22 mars 2013.

T'as de beaux yeux, l'tarsier !

Guillaume Frasca — Thu, 28 Mar 2013 18:58:00 +0100

Les yeux du tarsier nous renseignent sur l'évolution du système visuel chez les primates anthropoïdes.

Parmi les prodiges polymathes qui ont marqué l'histoire des sciences, on pense plus volontiers à Léonard de Vinci qu'à l'anglais Thomas Young (1773-1829). Ce dernier a pourtant participé au déchiffrement de la pierre de Rosette, inventé les fentes (d'Young) qui lui ont permis de mettre en évidence l'interférence des ondes lumineuses et découvert le phénomène qui nous intéresse ici : la présence dans la rétine de trois familles de cellules nerveuses, chacune sensible à une couleur différente (rouge, vert et bleu). Il a fallu attendre un siècle et demi pour qu'en 1956, le neurophysiologiste Gunnar Svaetichin observe expérimentalement ces trois types de cellules photoréceptrices, appelées cônes. On a depuis appris que si nous partagions avec les primates ce système dit trichromatique, la plupart des mammifères sont eux dichromates alors que poissons, oiseaux et autres reptiles ont une vision tétrachromatique. D'où nous vient cette particularité ? La réponse pourrait venir du tarsier, un curieux petit primate habitant les forêts d'Asie du Sud-Est, connu pour ses grands pieds mais aussi pour ses yeux énormes : le neurologue croate Stephen Polyak le considère comme l'animal ayant les plus gros yeux relativement à la taille de son corps, chaque œil étant aussi gros que son cerveau (la comparaison en images avec l'homme est impressionnante).

La famille des tarsiers a très tôt divergé des autres primates (pour en savoir plus sur l'arbre phylogénétique des primates, n'hésitez pas à consulter le site onezoom.org), d'où l'intérêt suscité par ces petits singes pour remonter aux origines des primates anthropoïdes. Particularité des tarsiers modernes par rapport à leurs cousins primates simiiformes : ils sont tous dichromates, phénomène que les zoologues associent, comme la taille démesurée de leurs yeux, à la vie nocturne. Mais en comparant chez plusieurs espèces la séquence du gène codant l'opsine, la protéine qui réagit à la lumière au niveau du cône, des biologistes du Darmouth College (États-Unis) et de l'université de Tokyo (Japon) ont montré que leurs ancêtres auraient pu distinguer trois couleurs, remettant en cause l'évolution supposée du système visuel chez les primates selon laquelle la distinction de trois couleurs est associée à une vie diurne.

Peut-on distinguer trois couleurs et vivre dans le noir ?

L'arbre phylogénétique des tarsiers montre qu'un ancêtre commun pouvait présenter une vision trichromatique, alors qu'il possédait déjà des yeux imposants adaptés à une très faible luminosité.

Alors que certains, comme le tarsier des Philippines (Tarsius syrichta) ou le tarsier spectre (Tarsius tarsier), présent à Célèbes (Indonésie), sont plutôt sensibles au rouge (λ = 553 nm), d'autres, comme le tarsier de Horsfield (Tarsius bancanus), fréquent à Bornéo, détectent le vert (λ = 538 nm). Ces différences de photosensibilité dépendent de quelques nucléotides sur le gène codant l'opsine, aboutissant à une opsine L sensible au rouge et à une opsine M sensible au vert. En reconstituant l'histoire des mutations ayant abouti aux trois séquences actuelles, les chercheurs ont montré qu'une forme primitive du gène de l'opsine existait chez un ancêtre commun (on parle de groupe-couronne), une forme hybride notée opsine L/M qui pouvait aboutir dans certains cas à une vision trichromatique, sensible à la fois au rouge et au vert. Or au Miocène supérieur, époque supposée de la divergence génétique ayant abouti aux espèces actuelles de tarsiers dichromates, les fossiles présentaient déjà des orbites impressionnantes, ce trait apparaissant dès l'Éocène moyen, soit environ 30 millions d'années plus tôt.

C'est cette concomitance de caractères jugés jusqu'alors incompatibles qui a intrigué Amanda Melin et ses collègues. En effet, "ce tandem paradoxal entre une vision trichromatique et des yeux hypertrophiés est déroutante ; elle indique qu'une lumière faible plutôt qu'un mode de vie diurne a été un facteur important dans l'évolution des tarsiers". En d'autres termes, les gros yeux du tarsier, que l'on pensait associés à une vie nocturne, pourraient également être adaptés à la tombée de la nuit, de même que la vision trichromatique, qui était jusqu'alors synonyme de mode de vie diurne.

Alors que la théorie actuelle était que les premiers primates anthropoïdes étaient trichromates et diurnes, et que le comportement nocturne des tarsiers constituait un "retour en arrière" spécifique à cette branche, ayant abouti à la perte de sensibilité pour une couleur, les chercheurs montrent dans cette étude que l'ancêtre originel des haplorrhiniens se situait plutôt à mi-chemin entre les deux comportements observés aujourd'hui. Les primates ayant donné tarsiers, singes et hominidés avait sans doute une vision trichromatique et mésopique, c'est-à-dire adaptée à la faible lumière de la tombée de la nuit. Alors que les autres primates choisissaient de plus en plus de se déplacer au grand jour, les tarsiers privilégiaient eux un mode de vie essentiellement nocturne. Pour les chercheurs, cette évolution des petits primates sud-asiatiques aurait pu être contrainte par une baisse des précipitations dans cette région : ne pouvant plus profiter de la pluie pour approcher de façon furtive les insectes dont il se nourrit, le tarsier a commencé à chasser de nuit, développant alors une sensibilité unique pour les ultrasons pour évoluer dans le noir. Que de prouesses pour un si petit gremlin !

Source : A.D. Melin et al., Inferred L/M cone opsin polymorphism of ancestral tarsiers sheds dim light on the origin of anthropoid primates, Proceedings of the Royal Society B, 27 mars 2013.

Crédit photo : Wikimedia Commons - Sakurai Midori (CC BY-SA 3.0).

La crucifixion tape sur les nerfs

Guillaume Frasca — Thu, 21 Mar 2013 23:17:00 +0100

Sur de nombreuses représentations artistiques (comme ce tableau de Franz Christoph Janneck), le Christ sur la croix semble faire le signe de la bénédiction.

À l'occasion, des médecins tentent de reconstituer le dossier médical de patients depuis longtemps disparus, faisant alors s'entrecroiser histoire et sciences. Ainsi, une récente étude a montré que l'athérosclérose, maladie artérielle que l'on pensait associée à notre régime hypercalorique contemporain, frappait déjà les Égyptiens momifiés il y a 4 000 ans. Un examen attentif du rapport d'autopsie de Vladimir Ilitch Oulianov, plus connu sous le nom de Lénine, fait dire aujourd'hui à des médecins californiens que le leader de la Révolution d'Octobre aurait été emporté prématurément, à l'âge de 53 ans, par une maladie génétique rare. De même, de nombreux médecins ont tenté de percer le mystère de la maladie qui a poussé Vincent Van Gogh à se couper l'oreille. Suivant cette tradition, une équipe de neurologues s'est penchée sur une singularité observée dans de nombreuses œuvres d'art représentant le Christ sur la croix : la posture particulière de ses mains clouées. Faut-il y voir un message religieux ou le signe d'un trouble neurologique ?

Apparue dans l'Empire perse au cinquième siècle avant notre ère, le crucifiement s'est progressivement répandu dans tout le pourtour méditerranéen, sous l'impulsion d'Alexandre le Grand. Ce châtiment est ensuite devenu sous l'Empire romain un mode d'exécution répandu pour punir esclaves, pirates, prisonniers de guerre et autres criminels étrangers, avant d'être interdit par l'empereur Constantin I^er en 337. Cette méthode particulièrement cruelle est restée "célèbre" comme le mode d'exécution de Jésus de Nazareth. Le Christ en croix est depuis lors l'une des figures les plus fréquentes de l'iconographie chrétienne. Parmi les innombrables représentations du crucifiement de Jésus, un détail, retrouvé dans un grand nombre d’œuvres d'époques, de cultures et de styles différents, a intrigué Jacqueline Regan, de l'hôpital Inova Fairfax de Falls Church, en Virginie (États-Unis) et ses collègues : les mains du Christ adoptent une position particulière, l'auriculaire et l'annulaire complètement pliés, le majeur l'étant partiellement contrairement à l'index et au pouce, tendus.

Tout est une histoire de nerfs

Le nerf ulnaire aboutit dans l'annulaire et l'auriculaire, alors que le nerf médian innerve pouce, index. Le majeur possède quant à lui deux terminaisons nerveuses.

Cette posture singulière des doigts de la main serait une conséquence directe de la crucifixion, selon les neurologues américains. La position du corps adoptée sur la croix (les deux bras en l'air, les épaules formant un angle d'environ 135°) cause une forte contrainte mécanique sur un nerf traversant le bras jusqu'aux extrémités de certains doigts : le nerf médian. Cette pression sur le nerf médian peut compromettre la circulation sanguine, comme cela a été montré chez des rats et des lapins ; cette ischémie, si elle est prolongée, dégrade à son tour la fonction de certains nerfs périphériques et entraîne in fine la dénervation de certains muscles de l'avant-bras. Ces défauts nerveux, causés non pas directement par le clou, planté dans la chair entre les os métacarpiens, mais par la position contrainte du corps sur la croix, se traduisent par l'incapacité de fléchir le pouce, l'index et le majeur. En revanche, le fonctionnement du nerf ulnaire n'est pas entravé par la crucifixion : le crucifié garde le contrôle de ses annulaire et auriculaire. Le majeur, innervé à la fois par le nerf ulnaire et le nerf médian, ne conserve lui qu'une capacité de flexion partielle. Le tableau neurologique dressé par les médecins américains permet de retrouver très exactement la posture de la main qu'adopte Jésus sur ces tableaux.

Les neurologues américains ne sont pas les premiers à s'intéresser de près à la crucifixion. Leurs travaux s'inscrivent dans une longue suite de recherches, parmi lesquelles celles de Frederick Zugibe, qui n'a pas hésité en 1989 à accrocher des cobayes humains sur une croix pour comprendre la cause finale de la mort : asphyxie, arrêt cardiaque ? L'expert de médecine légale penchant finalement pour la "théorie du choc". Jacqueline Regan et ses collègues ont semble-t-il été tentés de suivre la même voie expérimentale pour confirmer leur hypothèse neurologique mais "des considérations éthiques rendent cette option déraisonnable". Loués soient-ils !

Source : J.M. Regan et al., Crucifixion and median neuropathy, Brain and Behavior, 18 mars 2013.

Crédit photo : Wikimedia Commons.

Les statistiques à l'assaut du manuscrit Voynich

Guillaume Frasca — Tue, 05 Mar 2013 19:15:00 +0100

Le manuscrit Voynich (ici, le soixante-dix-huitième feuillet) résiste encore aux linguistes, dont certains doutent qu'il s'agisse d'un texte authentique.

Il est passé entre les mains de Rodolphe II, empereur du Saint-Empire romain germanique, de Georg Baresch, alchimiste pragois, et des Jésuites italiens de la Villa Mondragone de Frascati avant d'atterrir en 1912 chez le collectionneur polonais Wilfrid Michael Voynich – qui lui a laissé son nom – et de finir sa course à la Bibliothèque Beinecke de l’université Yale, aux États-Unis. Outre un parcours tortueux, pourquoi le manuscrit Voynich et ses 234 pages de vélin finement illustrées à la plume d'oie (vous pouvez le feuilleter sur le site de la bibliothèque américaine), datant selon de récentes analyses au carbone 14 du début du XV^e siècle, intrigue autant ? Car plus de cent ans après sa redécouverte, les linguistes restent incapables de dire en quelle langue a été rédigé ce bréviaire semblant évoquer la botanique, l'astronomie ou encore des recettes de cuisine. Trois hypothèses se font face : le manuscrit est un faux, sans aucune signification ; le texte, écrit dans une langue connue, est crypté ; le manuscrit est rédigé dans une langue inconnue à ce jour. Pour trancher ce débat, des chercheurs de l'Institut de physique de São Carlos (Brésil), épaulés par des compatriotes travaillant en Allemagne, ont passé le manuscrit Voynich à la moulinette statistique afin de connaître la vraie nature de ce mystère linguistique.

Depuis de nombreuses années, la littérature constitue l'un des terrains de jeu favoris des physiciens statisticiens (n'hésitez pas à lire à ce sujet le passionnant article de David Louapre sur les propriétés statistiques exceptionnelles de Moby Dick). Outre la fameuse loi de Zipf selon laquelle le vocabulaire employé dans tous les livres suit une même règle générale, relative à la fréquence des mots utilisés (et qui se vérifie pour le manuscrit Voynich), de nombreuses autres mesures permettent de distinguer un texte signifiant d'une suite stochastique de lettres. Luciano Costa et ses collègues ont ainsi défini une série de 29 grandeurs statistiques calculables pour un texte, comme la taille du lexique utilisé, l'intermittence des mots (les articles définis "le" ou "la" reviennent régulièrement, alors qu'un mot-clé, normalement rare, va se faire plus fréquent dans la portion du texte consacré à ce thème) ou encore la répétition d'un couple de mots dans le même ordre (certains couples vont réapparaître plus souvent que si les mots étaient répartis aléatoirement, car leur sens est associé).

L'empreinte du sens

Comparé au Nouveau Testament (la cloche rouge), le manuscrit Voynich (en tirets) présente un plus grand nombre de mots revenant par à-coups dans le texte.

Ces grandeurs ont été calculées pour plusieurs textes rédigés en anglais et en portugais, ainsi que pour 15 traductions différentes du Nouveau Testament, puis comparées à celles correspondant à des copies aléatoires de ces mêmes textes. Les chercheurs ont sélectionné celles dont les valeurs étaient sensiblement différentes dans les deux cas pour construire un test robuste permettant de distinguer un texte sensé d'une suite des mêmes mots distribuée au hasard.

Les tests statistiques révèlent selon les physiciens brésiliens que "le manuscrit Voynich n'est pas compatible avec des textes dont les mots ont été mélangés, et ainsi rendus dépourvus de sens", mettant à bas la thèse d'un faussaire ayant garni à partir d'un alphabet construit de toutes pièces des pages entières de mots sans signification. De plus, les différentes grandeurs calculées à partir du manuscrit mystérieux sont assez voisines de celles obtenues pour le Nouveau Testament, à l'exception de l'intermittence qui est plus élevée que dans le texte biblique. Pour les chercheurs, cela est sans doute lié à la nature du manuscrit Voynich, qui s'apparente à un abrégé évoquant différents thèmes, d'où la surabondance de mots qui reviennent régulièrement. Le manuscrit serait néanmoins compatible avec une langue naturelle et ne serait donc pas écrit dans une langue construite comme l'espéranto.

Enfin, cette analyse statistique du manuscrit Voynich est même parvenue à repérer les mots probablement les plus signifiants du texte, en isolant les mots-clés (ceux qui reviennent à intervalle régulier dans une fraction du texte) les plus fréquents, équivalents des Pilate, Hérode et Marie du Nouveau Testament. Reste à savoir ce que peuvent bien signifier cthy, qokeedy ou encore lkaiin pour que les linguistes parviennent enfin à bout de cette version récalcitrante.

Source : D.R. Amancio et al., Probing the statistical properties of unknown texts: application to the Voynich Manuscript, arXiV, 5 mars 2013.

Crédit photo : Wikimedia Commons.

Suricates et sécurité routière : le cruel compromis

Guillaume Frasca — Tue, 19 Feb 2013 10:48:00 +0100

Ces suricates survivront-ils à l'enfer du bitume sud-africain ?

Dans un précédent article, nous avions abordé le mécanisme original choisi par pucerons et coccinelles pour échapper à la mastication prédatrice des chèvres. De la même façon, de nombreuses espèces ont coévolué et appris à coexister pour forger des interactions biologiques complexes, parfois symbiotiques, sinon neutralistes. Mais qu'advient-il lorsque l'une de ces espèces est Homo sapiens, dont l'apparition, récente à l'échelle de l'histoire de l'évolution, s'avère pourtant déjà lourde de conséquences sur son environnement ? Les espèces appartenant aux mêmes écosystèmes ont-elles pu s'adapter rapidement à la présence de leurs voisins les hommes ? Deux chercheurs zurichois, Nicolas Perony et Simon Townsend, se sont ainsi penchés sur la façon dont les suricates (Suricata suricatta) du désert du Kalahari, en Afrique du Sud, se sont familiarisés avec les routes qui traversent depuis quelques décennies leur habitat ancestral.

Ces travaux s'inscrivent dans le Kalahari Meerkat Project, un projet de recherche consacré à l'étude aux comportements sociaux de ces petits mammifères africains, et ce depuis 1993 (n'hésitez pas de faire un tour dans la galerie photo du KMP). Le site, proche de la frontière botswanaise, est installé dans une région certes désertique mais entrecoupée de nombreuses routes reliant les différentes destinations touristiques comme les Chutes d'Augrabies. Les chercheurs en ont profité pour observer plusieurs groupes de suricates lors de leur traversée de la route la plus proche du camp. Au sein des groupes, les chercheurs se sont plus particulièrement intéressés au sort de la femelle dominante, qui structure la vie sociale de la colonie. En suivant la dynamique du groupe lors de la traversée, ils ont pu constater que "bien qu'elle mènent plus souvent, les femelles dominantes restent devant le groupe et traversent en premier moins souvent que les subordonnés", auxquels elles laissent leur place à l'approche de l'obstacle. D'où provient cette différence de comportement face au danger ?

Simuler la dynamique sociale des suricates

La femelle dominante (en rouge) mène le reste du groupe jusqu'au moment où ils s'approchent de la route.

Pour le savoir, les chercheurs se sont déplacés du désert sud-africain... à une salle informatique. Ils ont en effet modélisé le déplacement d'un groupe de huit suricates à partir d'équations mathématiques simples. Ce modèle minimaliste, proposé par le physicien hongrois Tamás Vicsek en 1995, est aujourd'hui largement utilisé pour l'étude des mouvements collectifs. Dans ce cas, la route est assimilée à ce que les physiciens appellent une barrière de potentiel : si une particule vient la percuter avec une faible énergie, elle est défléchie (un simulateur très ludique explique ce concept dans le cas des ondes). Pour nos suricates, cela signifie que l'animal ne traverse pas la route s'il s'en approche avec trop peu d'élan.

Pour retrouver le comportement différent des femelles dominantes et des animaux subordonnés, les simulations numériques doivent intégrer une barrière de potentiel de hauteur variable. Si la femelle dominante freine au moment de traverser la route et laisser passer devant elle les subordonnés, c'est que la barrière est plus haute pour elle et qu'elle franchit donc l'obstacle plus difficilement que les autres membres du groupe. Traduit en termes comportementaux, cette barrière plus haute signifie une plus grande aversion au risque, d'environ 40 %, des femelles dominantes par rapport aux subordonnés.

Cette attitude n'est pas partagée par tous les animaux sociaux : ainsi, une étude datant de 2006 montrait qu'en pareille situation, le chimpanzé (Pan troglodytes) dominant assure une position protectrice vis-à-vis de sa communauté, en prenant la tête du groupe au moment de traverser la route. Comment expliquer alors ce comportement égoïste des femelles dominantes, qui laissent en première ligne les individus de second rang de la colonie, au lieu de se sacrifier pour le bien de la communauté ? Si elles cherchent à se protéger, ce serait peut-être pour préserver la stabilité du groupe, les zoologistes du KMP ayant constaté que les groupes se dispersent parfois à la mort de la femelle dominante. Quelle que soit la cause de ce comportement, il est évident que les suricates se sont adaptés à l'apparition des routes dans leur environnement et ont fait évoluer leurs règles collectives en accord avec ces nouvelles menaces. Pour Nicolas Perony et Simon Townsend, "ces résultats constituent une lueur d'espoir et suggèrent que les animaux peuvent s'adapter et coexister avec succès avec l'homme, en dépit de son intrusion toujours plus forte".

Source : N. Perony et S.W. Townsend, Why Did the Meerkat Cross the Road? Flexible Adaptation of Phylogenetically-Old Behavioural Strategies to Modern-Day Threats, PLoS ONE, 18 février 2013.

Crédit photo : Ashleigh Thompson - Wikimedia Commons (CC BY 2.0).

"22, v'là les chèvres !" s'écrient les coccinelles

Guillaume Frasca — Wed, 13 Feb 2013 19:11:00 +0100

Que peut faire une innocente coccinelle à l'approche d'une chèvre, bien décidée à brouter la plante qui héberge l'insecte ?

A priori, un carnivore n'a rien à craindre d'un herbivore... Tout dépend de la taille de ce dernier. Ainsi, la coccinelle (Coccinella septempunctata), animal aphidiphage - qui se nourrit de pucerons - peut redouter la mâchoire d'une paisible chèvre, qui ne cherche pourtant qu'à paître tranquillement dans le champ où le malencontreux insecte a élu domicile. Deux biologistes de l'université de Haïfa (Israël) se sont demandé comment les insectes parviennent à échapper à la menace des mammifères herbivores qui peuvent accidentellement faire un écart à leur régime alimentaire pour croquer un peu de chair fraîche.

Les chercheurs israéliens ont choisi trois spécimens de coccinelles, recueillies dans un parc de Haïfa, et les ont soumises à plusieurs expériences. D'un côté, une épreuve "grandeur nature" où les coccinelles étaient relâchées sur des plants de luzerne dans un enclos hébergeant... une chèvre. De l'autre, des tests en laboratoire lors desquels ils leur ont imposé une série de stimuli de différentes natures sensés mimer la présence d'un mammifère à proximité. Dans tous les cas, le comportement des coccinelles, qu'elles soient adultes ou encore des larves, était observé à l'issue de l'expérience : s'étaient-elles envolées, laissées choir sur le sol, ou bien faites dévorer ?

La coccinelle largue les amarres lorsque la bise caprine est proche

La coccinelle qui chassait le puceron sur ce brin d'herbe a-t-elle eu le temps de se jeter au sol avant de se faire mordiller par la chèvre ?

Plus de 90 % des coccinelles survivent à l'épreuve de la chèvre, les larves faisant presque aussi bien que les adultes (80 % de survivants). À la surprise des biologistes, aucune coccinelle n'utilise ses ailes pour fuir le capriné : elles préfèrent toutes se laisser tomber sur le sol. Mais comment savent-elles qu'un herbivore les menace ? Les biologistes ont testé plusieurs hypothèses pour expliquer la réaction de l'insecte : la vibration de la plante sous l'effet de la mastication, un contact direct avec l'herbivore, ou encore le souffle de l'animal, repéré par sa chaleur et son humidité ou par le dioxyde de carbone expiré. Le seul stimulus capable de décrocher les coccinelles de leur plante est un souffle chaud et humide, produit expérimentalement par une machine ou directement par l'un des auteurs de l'étude qui a respiré sur les insectes. Il s'agit donc bien d'une fuite active face à la présence supposée d'un mammifère herbivore, la coccinelle ne lâchant pas prise lorsqu'une vibration est imposée à la plante.

Pourquoi les insectes utilisent ce moyen pour détecter la présence d'un herbivore ? Les biologistes israéliens avancent plusieurs arguments. Les variations soudaines d'humidité et de chaleur liées au souffle de l'animal ne peuvent être confondues avec des fluctuations saisonnières de l'environnement, et elles présentent l'avantage de ne pas dépendre de l'espèce incriminée. De plus, si ce stimulus n'est détectable que lorsque la menace est imminente, il l'est de nuit.

La même équipe avait observé en 2010 ce même phénomène de fuite en réponse au souffle d'un herbivore chez certains pucerons dont se nourrissent les coccinelles. Ce comportement est donc répandu au sein du "Peuple de l'herbe", aussi bien chez les larves que chez les insectes adultes, ce qui indique l'importance de la menace des mammifères herbivores. Comme le précisent les auteurs, "la décision de se laisser tomber, malgré son coût potentiel, montre l'importance de la possible pression sélective que les mammifères herbivores exercent sur les insectes vivant sur les plantes". Les espèces ont donc coévolué, aboutissant à des réseaux trophiques plus complexes que l'on pouvait l'attendre.

Source : M. Ben-Ari et M. Inbar, When Herbivores Eat Predators: Predatory Insects Effectively Avoid Incidental Ingestion by Mammalian Herbivores, PLoS ONE, 12 février 2013.

Crédit photo : Trachemys - Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0) ; Natesh Ramasamy - Flickr (CC BY 2.0).

Quand les antennes-relais remplacent les pluviomètres

Guillaume Frasca — Tue, 05 Feb 2013 19:14:00 +0100

Les antennes du réseau de téléphonie mobile peuvent renseigner sur les précipitations traversées par les micro-ondes qu'elles relaient.

Le déclin nous guette dans tous les domaines. Dans un récent article, trois ingénieurs météorologues hollandais nous alertent en effet sur la disparition... des pluviomètres. Ainsi, la France ne comptait plus en 2012 que 3 516 postes pluviométriques (vous pouvez consulter leur répartition sur cette carte), soit 700 de moins qu'en 2001. À l'échelle globale, le Global Precipitation Climatology Centre (GPCC), piloté par le service météorologique allemand, a perdu la moitié de ces pluviomètres entre 1989 et 2006. Or ces données pluviométriques sont essentielles pour l'agriculture et la prédiction du climat. Comment pallier ce manque d'infrastructures pour mesurer les précipitations ? Si les radars prennent le relais, comme le réseau français ARAMIS qui couvre grâce à 24 radars météo 95 % du territoire métropolitain, ils représentent toutefois des investissements lourds. Les ingénieurs hollandais menés par Aart Overeem ont donc cherché à mesurer en temps réel les précipitations dans "l'autre pays du fromage" en exploitant d'autres infrastructures existantes : le réseau d'antennes-relais de la téléphonie mobile.

Comment les antennes peuvent-elles nous renseigner sur la pluie qui s'abat sur elles ? La présence de gouttes sur le trajet des ondes transmises entre deux antennes modifie le signal reçu en l'atténuant via deux phénomènes distincts : d'une part, l'absorption par l'eau d'une partie de l'énergie transmise par les ondes, de l'autre, la réflexion de l'onde sur les gouttes, qui va entraîner sa diffusion multiple et la détourner de son chemin initial. Ainsi, la présence de gouttes entre deux antennes va diminuer le signal reçu selon des équations bien calibrées par l'Union internationale des télécommunications en fonction de la fréquence utilisée. La déviation par rapport à un jour sec servant de référence permet ainsi de relier la perte de signal au niveau de précipitations.

Exploiter les antennes qui pullulent

L'utilisation des données du réseau de téléphonie mobile (à gauche) permet de retrouver la dynamique des précipitations observée par le réseau néerlandais de radars météorologiques (à droite).

L'équipe hollandaise s'est appuyée dans son étude sur une partie de l'un des trois réseaux mobiles du pays, en l’occurrence T-Mobile NL. Leurs calculs se sont ainsi fondés sur environ 2 400 des 8 000 liaisons bi-latérales du pays. La compagnie T-Mobile leur a communiqué pour chaque liaison des informations réactualisées toutes les 15 minutes, quand l'Institut royal de météorologie des Pays-Bas (Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut) ne dispose que de 32 pluviomètres relevant les précipitations à un intervalle régulier de 10 minutes...

L'algorithme de calcul des précipitations a été calibré en comparant les estimations basés sur l'atténuation du signal micro-onde avec les données obtenues par l'observation radar, d'une meilleure résolution spatiale (de l'ordre du kilomètre carré). Enfin, afin d'obtenir une carte continue des précipitations sur l'ensemble du pays (malgré une présence plus éparse des antennes à la campagne qu'en milieu urbain), les météorologues ont utilisé la méthode dite de krigeage (du nom de l'ingénieur minier sud-africain Daniel Gerhardus Krige) pour aboutir à une interpolation spatiale objective du millier d'estimations localisées.

Le résultat est certes moins précis que celui découlant du réseau de radars météorologiques, mais il permet de retrouver la dynamique régionale des précipitations. Pour les auteurs de l'étude, cette carte des précipitations en temps réel, obtenue à partir des seules données recueillies par les antennes-relais, montre l'intérêt de cette technique dans les régions dépourvues de radar et/ou de pluviomètres, alors que 20 % des surfaces émergées sont aujourd'hui dotées d'un réseau mobile, couvrant 90 % de la population mondiale (la couverture mondiale est accessible sur le site opensignal.com).

S'inscrivant dans une tendance globale visant à utiliser les capteurs au-delà de leurs spécifications d'origine pour des mesures environnementales, les auteurs concluent en attirant l'attention sur l'importance de l'open data pour pouvoir donner une seconde vie aux données récoltées par ces capteurs : "Nous espérons que ces travaux contribueront à persuader les compagnies de téléphonie mobile du monde entier à fournir les données de niveau de signal reçu (RSL) sans frais à des fins de recherches et à d'autres applications d'utilité sociétale". Espérons qu'Orange, SFR et Bouygues entendent le message.

Source : A. Overeem et al., Country-wide rainfall maps from cellular communication networks, PNAS, 5 février 2013.

Crédit photo : Juan de Vojníkov - Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0).