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Que reste-t-il à découvrir?
Cet article a été publié en novembre 2013 dans notre hors-série consacré à la première édition du forum des Fondamentales.
« Il n’y a plus rien à découvrir en physique aujourd’hui. Tout ce qui reste à faire, c’est d’améliorer la précision des mesures », aurait dit à la fin du XIXe siècle Lord Kelvin, un des physiciens les plus célèbres de l’époque. Ce dernier pointait toutefois du doigt deux nuages qui obscurcissaient la science de son temps : l’éther qui – pensait-on à tort – devait servir de support à la propagation de la lumière n’avait toujours pas été mis en évidence. On n’expliquait pas non plus le rayonnement émis par les corps à une température donnée. Ces deux grands vides allaient être comblés quelques années plus tard par deux théories révolutionnaires, la relativité et la physique quantique.
Aujourd’hui, comme il y a cent ans, la science est loin d’être arrivée à une fin. Les découvertes ont permis de répondre à certaines questions, mais en ont engendré de nouvelles, plus précises et plus complexes encore. Et, comme il y a un siècle, ces grands mystères actuels constituent le moteur de la recherche scientifique : loin de décourager les chercheurs, ils leur donnent une motivation et une direction pour avancer. C’est à cette frontière entre le savoir et l’ignorance que se joue le progrès scientifique. « Sans une conscience profonde de notre ignorance, il ne peut y avoir de réelle avancée en science », a ainsi écrit James Clerk Maxwell, autre grand physicien du XIXe siècle. Quelles sont donc aujourd’hui les grandes questions qui passionnent la communauté scientifique et dont les réponses permettront de faire des pas de géant dans la compréhension du monde qui nous entoure ? L’inventaire est impossible à dresser, mais nous avons demandé à quelques chercheurs de nous livrer leur point de vue dans leur domaine.
De l’origine de la vie
Commençons par l’un des mystères les plus fascinants : comment la vie est-elle apparue sur Terre ? Concernant nos origines, les scientifiques ne possèdent que quelques morceaux du puzzle. D’abord, ils suspectent fortement que les briques élémentaires du vivant se sont créées facilement sur notre planète peu de temps après sa formation, il y a environ 4,55 milliards d’années. En témoignent de nombreuses expériences en laboratoire qui, en recréant l’atmosphère terrestre primitive, sont parvenues à produire des acides aminés et d’autres molécules indispensables à la vie. Qui plus est, on sait que les comètes et les météorites ont pu, elles aussi, délivrer de tels composés organiques.
de certaines
exoplanètes, on
tente de mettre
en évidence des
signatures de vie comme l’oxygène.
Autre certitude : la vie était déjà présente sur Terre il y a quelque 3,45 milliards d’années. En attestent ces formes fossiles de bactéries datées de cette époque retrouvées dans certaines roches. Les chercheurs estiment que les organismes qui ont laissé ces traces partageaient les mêmes caractéristiques de base que les êtres vivants actuels : l’information génétique était déjà contenue dans l’ADN et ces organismes réalisaient des réactions chimiques en utilisant eux aussi des protéines.
Même si les molécules d’ADN et les protéines ont beau dépendre désormais intimement les unes des autres pour leur survie, on imagine très difficilement comment elles auraient pu apparaître simultanément dans une soupe prébiotiqueFermerMilieu aqueux dans lequel seraient apparues les premières cellules du vivant.. « L’hypothèse la plus acceptée aujourd’hui est que des formes de vie plus primitives encore s’appuyaient sur une troisième molécule, présente elle aussi chez les êtres vivants actuels : l’ARN, note Marie-Christine Maurel, du laboratoire Origine, structure et évolution de la biodiversité1, à Paris. Chez certains virus et certains viroïdesFermerAgent infectieux constitué uniquement d’un ARN, capable de se reproduire dans les cellules végétales sans produire de protéines., on sait en effet que cette molécule, une fois entrée dans la cellule d’un autre organisme, est capable de se répliquer en assurant elle-même la catalyse de certaines réactions. » De la même façon, dans une cellule primitive, l’ARN aurait garanti à lui seul la survie de cette dernière.
Et ce n’est qu’une fois ce monde ARN franchi que la vie aurait pris un cours plus proche de celui qu’on connaît actuellement : favorisés par la sélection naturelle, l’ADN et les protéines, beaucoup plus efficaces que l’ARN dans leurs rôles respectifs, auraient pris le dessus. Des expériences en laboratoire et des recherches sur le terrain tentent actuellement de confirmer ce scénario.
Bien sûr, les scientifiques voudraient également savoir si la vie a pu se développer ailleurs que sur notre planète. Sur Mars, où l’on sait que l’eau a coulé dans le passé – un prérequis à l’apparition de la vie, pense-t-on –, le robot de la Nasa Curiosity, sur lequel travaillent de nombreux scientifiques du CNRS, recherche depuis plus d’un an des traces d’organismes aujourd’hui disparus, peut-être encore présents dans le sous-sol. Dans l’atmosphère de certaines exoplanètes, on tente également de mettre en évidence des signatures de vie comme l’oxygène. Si jamais de telles preuves étaient un jour découvertes, cela suggérerait que la vie est commune dans l’Univers. Une incroyable révélation !
Les clés du vivant
Autre grande énigme du vivant : comment la multitude des processus à l’œuvre dans nos cellules nous permet-elle de fonctionner ? Sur cette question, l’identification, il y a plus de soixante ans, de la molécule d’ADN comme le support physique de l’hérédité a permis de faire des progrès énormes. Mais un chemin gigantesque reste encore à parcourir pour comprendre le fonctionnement des êtres vivants dans leur intimité. « Pour un organisme, nous savons certes faire l’inventaire des gènes à partir de la séquence de son génome, mais nous ne connaissons que la fonction codée par une partie seulement de ces gènes, confie Jean Weissenbach, médaille d’or du CNRS en 2008, à la tête de l’Institut de génomique de la Direction des sciences du vivant du CEA. Nous ne savons également que peu de chose sur les interactions entre les gènes, les protéines et les autres molécules à l’intérieur d’une cellule. »
de chose sur
les interactions
entre les gènes,
les protéines et les autres molécules
à l’intérieur
d’une cellule.
Chez les généticiens, le constat est le même : notre génome et celui des autres organismes vivants sont bien plus complexes qu’on ne le pensait jusqu’ici. Rejetée la vieille idée qu’à un gène est associée une seule protéine. Il est clair aujourd’hui que bon nombre de gènes peuvent conduire à la synthèse de plusieurs protéines : l’ARN, des protéines spécifiques, des parties non codantes de l’ADN (c’est-à-dire non traduites en protéines) et même des modifications chimiques ou structurales du génome… Ce sont tous ces éléments qui contrôlent comment, où et quand les gènes sont exprimés. Comprendre comment ils travaillent ensemble est l’un des challenges majeurs que les biologistes tentent actuellement de relever.
Et, pour pousser plus loin encore notre compréhension du vivant, toutes les techniques sont bonnes. Certains chercheurs essayent ainsi de fabriquer, par voie synthétique, des organismes biologiques qui n’existent pas à l’état naturel. En copiant le vivant, ils espèrent ainsi décrypter les phénomènes clés qui le gouvernent. Une autre approche récente, baptisée biologie des systèmes, sur laquelle collaborent des biologistes, physiciens, mathématiciens et informaticiens, a pour ambition de décrire comment les innombrables interactions moléculaires s’emboîtent les unes dans les autres à tous les niveaux, depuis les cellules jusqu’à l’organisme entier en passant par ses organes.
Bien entendu, l’étude du fonctionnement des êtres vivants dans ses aspects les plus fondamentaux devrait avoir des retombées majeures sur la compréhension des maladies, qu’elles soient génétiques ou non. « Les progrès à accomplir dans ce domaine sont énormes, juge Jean Weissenbach. Car, si l’on sait à l’heure actuelle diagnostiquer un bon nombre de maladies, on ne sait malheureusement pas, dans la majorité des cas, comment les soigner. »
Dans les arcanes du cerveau
Organe le plus sophistiqué de la nature, avec ses 100 milliards de neurones et leurs innombrables connexions, le cerveau est bien loin, lui aussi, d’avoir révélé tous ses secrets. Les efforts à déployer pour appréhender sa structure et son fonctionnement sont colossaux. Mais le jeu en vaut la chandelle : le déchiffrement de son mode d’emploi permettrait de percer les mystères des processus intimes à l’origine de la mémoire, de la motricité, de la pensée ou encore de la conscience de soi.
Jusqu’à présent, une grande partie des connaissances acquises sur le cerveau l’ont été grâce à l’observation de ce qui se passe lorsque certaines régions sont endommagées ou encore grâce aux techniques d’imagerie, comme l’IRM fonctionnelle, qui montrent quelles zones sont actives, mais qui disent peu de chose, en revanche, sur les relations entre ces dernières.
pas saisir le
fonctionnement
du cerveau sans
décrire finement
les interactions
entre ses différentes régions.
Or tous les neurobiologistes sont aujourd’hui d’accord sur ce point : on ne pourra pas saisir le fonctionnement du cerveau sans décrire finement les interactions entre ses différentes régions. « Reste que nous ne comprendrons jamais pourquoi et comment l’ensemble des réseaux neuronaux discutent entre eux si nous ne décryptons pas au préalable la manière dont fonctionne individuellement un neurone, estime le neurobiologiste Bernard Bioulac, conseiller scientifique à l’Institut des sciences biologiques du CNRS. C’est à toutes les échelles que nous devons travailler, que ce soit à l’échelle moléculaire, cellulaire, ou à celle du réseau dans sa globalité. »
Pour réaliser cet objectif, toutes les spécialités au sein des neurosciences sont mises à contribution. Mais également des statisticiens, des informaticiens et des mathématiciens, dont le but est de construire des modèles numériques du cerveau. Cette approche, de l’élémentaire vers le global, commence déjà à porter ses fruits. « Que ce soit pour la compréhension des grandes fonctions du système nerveux central ou pour l’identification des bases neuronales et/ou génétiques de certaines maladies cérébrales », se réjouit Bernard Bioulac.
Quels liens entre les espèces ?
Outre la complexité des êtres vivants, les liens intimes qu’ils ont tissés entre eux n’en finissent pas non plus de questionner les chercheurs. « Le fonctionnement des écosystèmes reste encore largement mystérieux », avoue Françoise Gaill, aujourd’hui présidente du conseil stratégique et scientifique de la Flotte océanographique française, après avoir été directrice de l’Institut écologie et environnement du CNRS. Pourquoi, à certains endroits sur Terre et dans les océans, des centaines d’espèces existent alors que, dans d’autres endroits, très peu se sont développées ? Les interactions entre l’environnement et les organismes vivants et entre les organismes eux-mêmes jouent forcément un rôle primordial pour favoriser ou au contraire limiter la biodiversité. Mais les écologues ont bien du mal à comprendre comment ces forces et d’autres agissent exactement.
Le défi est d’autant plus grand que les données sont encore partielles. Par exemple, on ne sait pas exactement combien d’espèces de plantes et d’animaux sont présentes sur la planète, et on ne sait même pas estimer combien d’organismes totalise le monde microbien. Et plus encore que les terres émergées, ce sont les océans – représentant pourtant 90 % de la biosphère – qui restent largement méconnus.
qui représentent
pourtant 90 %
de la biosphère,
restent largement méconnus.
Malgré tout, le travail d’inventaire sur le terrain et les expériences en laboratoire apportent aujourd’hui des réponses. « On constate de plus en plus à quel point l’association entre les espèces est cruciale pour leur survie, explique Françoise Gaill. Récemment, on a découvert qu’un grand nombre d’espèces de plancton vivaient en symbiose avec des bactéries, elles-mêmes en association avec des virus. Et on pense que, sans ce ménage à trois, le plancton ne pourrait pas fabriquer de matière organique à partir du carbone présent dans les océans. »
Cette découverte n’est pas anodine. On sait en effet que, par son volume, le plancton joue un rôle clé dans le climat – en recyclant le carbone – et constitue le principal poumon de notre planète – en rejetant de l’oxygène par photosynthèse. « Mieux comprendre le fonctionnement des écosystèmes, et surtout des écosystèmes marins, c’est donc aussi mieux appréhender la dynamique de notre planète », insiste la scientifique.
Dans un autre registre, le fonctionnement des sociétés humaines ne cesse pas non plus d’interpeller les chercheurs. Au centre de leurs questionnements : le constat que les êtres humains sont vulnérables dans toutes leurs dimensions, que ce soit face à l’environnement, au climat ou encore à l’économie. « Cette prise de conscience est relativement nouvelle, souligne Sandra Laugier, directrice adjointe scientifique de l’Institut des sciences humaines et sociales du CNRS. Elle a été précipitée par les désastres récents, comme la catastrophe nucléaire de Fukushima ou la crise financière, ainsi que par les inquiétudes actuelles liées à l’épuisement à venir des ressources marines ou géologiques. »
Résultat : « On voit se développer aujourd’hui de nouvelles exigences dans les pays développés comme dans le reste du monde, note Sandra Laugier. Les gens veulent être protégés des catastrophes, avoir un travail correctement rémunéré et une vie digne d’être vécue. Est en train d’émerger la notion de conditions minimales de sécurité et de dignité humaines. » Pour répondre à ces attentes et mieux évaluer les risques afin d’éviter d’autres désastres dans le futur, le travail de décryptage du genre humain et de la société par les scientifiques sera plus que jamais indispensable.
Une planète mystérieuse
Du côté de l’étude de notre planète, les géologues tentent actuellement de mieux comprendre les mécanismes profonds qui permettent à la Terre d’être active. Sous sa surface en effet, bien des secrets demeurent encore. Certes, les scientifiques sont parvenus à dévoiler les entrailles terrestres grâce aux ondes sismiques qui s’y propagent. Ils savent ainsi que, sous la croûte se cache un manteau rocheux de 2 900 kilomètres d’épaisseur – divisé en deux à une profondeur de 670 kilomètres – puis en dessous, un noyau de fer – liquide à l’extérieur et solide au centre – de 3 500 kilomètres de rayon.
Les chercheurs savent également que ce sont les bouillonnements du manteau qui sont à l’origine de la tectonique des plaques : ce dernier délivre des roches chaudes au niveau des dorsales océaniques, fabriquant ainsi de la croûte, et accepte d’anciens morceaux de plaques dans les zones de subduction, où plongent ces dernières. Mais le fonctionnement exact de cette machinerie reste encore très mal compris. « On ne sait pas si ces mouvements de matière concernent l’ensemble du manteau ou s’ils ont lieu seulement à partir de cette limite de 670 kilomètres », explique la géophysicienne Barbara Romanowicz, du Collège de France, à Paris.
à découvrir un
jumeau du système
solaire qui nous
éclairera à coup
sûr sur nos
propres origines.
Pour avancer sur cette question, l’imagerie sismique sera capitale. Déjà, des progrès énormes ont été faits dans ce domaine, les scientifiques étant capables avec les données de faire la différence entre les effets de la température et ceux de la composition des roches. « Mais, pour avoir une vision plus précise encore des structures internes de la Terre, il faudra installer davantage de stations sismiques, surtout au fond des océans », estime Barbara Romanowicz.
Et, pour compléter le portrait de notre planète, les scientifiques cherchent actuellement à comprendre comment celle-ci et les planètes en général se sont formées autour du Soleil à partir de poussières, de glace et de gaz. Pour avancer sur cette question, l’étude des systèmes planétaires en orbite autour d’autres étoiles sera cruciale. Depuis la découverte de la première exoplanète en 1995, les astronomes ont déjà tiré de nombreuses leçons : les planètes ne sont pas rares – un millier environ d’identifiées à ce jour – et sont souvent très différentes par leur taille et leur orbite de celles du système solaire. Reste encore à découvrir un jumeau du système solaire qui nous éclairera à coup sûr sur nos propres origines.
Les ingrédients de l’Univers
À une échelle plus vaste encore, l’Univers apparaît toujours plus mystérieux aux yeux des scientifiques. Après avoir découvert dans les années 1920 que le cosmos était en expansion – un constat qui faisait voler en éclats l’idée d’un Univers éternel et immuable –, les astronomes se sont rendu compte peu à peu, au cours des dernières décennies seulement, que la matière ordinaire qui compose les étoiles, les galaxies et les êtres vivants ne représentait que 5 % de tout ce qui existe. Pour le reste, notre Univers serait composé à 25 % de matière noire, une forme de matière invisible qui exerce une force gravitationnelle supplémentaire sur les étoiles, et à 70 % d’énergie noire, une composante plus mystérieuse encore qui accélère l’expansion de l’Univers.
de la matière et
de l’énergie noires
reste totalement
inconnue aujourd’hui.
De nombreuses observations de phénomènes astronomiques de nature différente sont venues confirmer cette image intrigante du cosmos. À commencer par le satellite Planck, qui a fourni au début de l’année, avec une précision inégalée, la proportion de matière et d’énergie noires dans l’Univers. « Malgré tout, la nature précise de ces deux composantes reste totalement inconnue aujourd’hui, souligne Gabriel Chardin, directeur adjoint scientifique de l’Institut national de physique nucléaire et de physique des particules du CNRS. Pour avancer sur ces deux énigmes, les grands programmes d’observation devront accumuler encore plus de données, et ce avec une précision accrue. »
D’ores et déjà, les chercheurs se sont lancés dans la traque de la matière noire. Dans des détecteurs enfouis profondément sous la terre et braqués en direction de l’espace, ils espèrent pouvoir un jour observer les très rares chocs entre les particules hypothétiques dont serait faite cette mystérieuse entité.
Autre possibilité : ces nouvelles particules pourraient être produites au cœur du LHC, le Grand collisionneur de hadrons du Cern, situé près de Genève. Pour le moment, l’accélérateur de particules le plus puissant au monde, qui a mis au jour le fameux boson de Higgs en 2012, n’a identifié aucun signe de la présence de matière noire. « Mais le LHC n’a pas dit son dernier mot, affirme Fabiola Gianotti, physicienne au Cern et ancienne responsable de l’expérience Atlas, un des deux détecteurs du LHC. D’ici à deux ans, les faisceaux de protons qui y entrent en collision atteindront un niveau d’énergie pratiquement deux fois plus élevé qu’en 2012 et on pourrait alors peut-être découvrir des particules de cette matière mystérieuse. »
À dire vrai, la matière noire n’est pas la seule ombre au tableau. Pour décrire le monde, les physiciens disposent d’une théorie, le modèle standard, qui décrit toutes les particules élémentaires et les forces par lesquelles elles interagissent entre elles. « Mais ce modèle n’est pas complet, note Fabiola Gianotti. Ce que l’on cherche à construire désormais, c’est une théorie plus large qui permettrait de répondre aux questions ouvertes, notamment d’expliquer la matière noire et la disproportion entre la matière et l’antimatière. »
Dans ce but, plusieurs pistes sont suivies par les physiciens, comme la supersymétrie. Cette théorie prévoit une multitude de nouvelles particules, dont l’une d’entre elles, le neutralino, est aujourd’hui la meilleure candidate pour la matière noire. Dans le futur, le LHC cherchera à découvrir des preuves de cette nouvelle physique. L’exploration de ces terres inconnues nécessitera probablement une révolution majeure dans nos théories, comparable à celle d’il y a un siècle. Mais des découvertes capitales viendront peut-être aussi de ces chercheurs qui rêvent de mettre au point un ordinateur quantique aux propriétés extraordinaires. Ou encore des explorateurs du nanomonde, qui essaient notamment de mettre au point de véritables machines composées… d’une seule molécule. Ou encore de ces scientifiques confrontés à de vastes défis technologiques sur la route des énergies renouvelables, ou de ces mathématiciens qui tentent de mettre le monde en équation. Une seule chose est sûre : comme il y a cent ans, la science est bien loin d’être arrivée en bout de course.
- 1. Unité CNRS/MNHN.
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Auteur
Julien Bourdet, né en 1980, est journaliste scientifique indépendant. Il a notamment travaillé pour Le Figaro et pour le magazine d’astronomie Ciel et Espace. Il collabore également régulièrement avec le magazine La Recherche.