Jacques Reisse - Université Bordeaux 1
Jacques Reisse - Université Bordeaux 1
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En hommage à Guy Ourisson
La longue histoire de la matière<br />
<strong>Jacques</strong> <strong>Reisse</strong><br />
Université Libre de Bruxelles<br />
Académie<br />
Royale de Belgique<br />
jreisse@ulb.ac.be
Les “débuts” de l’évolution<br />
de la<br />
matière<br />
baryonique<br />
• Big Bang: (“vrai(<br />
vrai” début: t 0 )<br />
• t 0 + qq 10 5 ans: “flamboyance<br />
initiale”<br />
• t 0 + (0,x Ga):<br />
accrétion<br />
des premières<br />
res<br />
étoiles<br />
et premières<br />
res nucléosynth<br />
osynthèsesses<br />
stellaires
Aspects factuels de l’histoire<br />
de la<br />
matière<br />
• Formation des premières<br />
res étoiles<br />
et galaxies<br />
• Ejection de matière<br />
par ces étoiles<br />
en fin de vie<br />
• Formation de nuages interstellaires<br />
• Accrétion<br />
de nouveaux systèmes<br />
stellaires<br />
dont le système<br />
solaire à t 0 + 9 Ga<br />
(t 0 + 9 Ga = 4,5685 Ga BP: âge des CAI’s)
Aspects factuels de l’histoire<br />
de la<br />
matière<br />
Formation des CAI’s: : 4,57 Ga BP<br />
4,5.. Ga<br />
4,49-4,39<br />
4,39 Ga<br />
4,1-3,8<br />
Ga<br />
3,8 Ga<br />
2,7 Ga<br />
: formation de la Terre<br />
: premiers océans<br />
: fin du bombardement intense<br />
: premières res traces de vie?<br />
: présence<br />
de vie indiscutable
Aspects factuels de l’histoire<br />
de la<br />
matière<br />
• 2,2: présence<br />
confirmée de cyanobactéries<br />
• 1,7: premiers eucaryotes<br />
• 1,0: premiers pluricellulaires<br />
• 0,56 : premiers organismes de grandes tailles<br />
• 60 millions: fin des dinosaures<br />
• 7 millions: premiers préhominid<br />
hominidés<br />
• 200-100 mille: premiers Homo sapiens
Aspects factuels de l’histoire<br />
de la<br />
matière<br />
Durant ces derniers 15 à 10000 ans:<br />
• Agriculture, élevage<br />
(OGM)<br />
• Poterie, métallurgie, verrerie, cimenterie<br />
• Alchimie et chimie<br />
• Physique nucléaire<br />
• Génie<br />
génétique
Pourquoi la matière<br />
évolue-t-elle?<br />
• En raison de l’expansion<br />
et du<br />
refroidissement de l’Univers<br />
• En raison de l’existence<br />
d’interactions<br />
attractives matiére<br />
re-matiére<br />
• En raison de la croissance de l’entropie<br />
de<br />
l’Univers<br />
(qui n’exclut<br />
pas des<br />
décroissances<br />
locales)<br />
• En raison de l’ingéniosité de H.S.
Evolution de la matière<br />
et<br />
refroidissement de l’Univers<br />
• Des quarks et gluons aux protons et<br />
neutrons<br />
• Des protons et neutrons aux noyaux 4 He,<br />
2 H, …<br />
• Des noyaux et électrons<br />
aux atomes H, He<br />
et quelques autres éléments<br />
légers<br />
Sans gravitation, fin de l’histoire!
Rôle déterminant<br />
de la gravitation<br />
Sans elle, rien ne serait arrivé!<br />
Pas d’étoiles, , pas de carbone, , pas de Terre, pas<br />
de lapin!<br />
Avec elle seule, rien ne serait arrivé!<br />
La stabilité nucléaire<br />
dépend<br />
des interactions<br />
électromagnétiques, , des interactions fortes et<br />
faibles<br />
La stabilité des atomes, , des matériaux<br />
constitutifs<br />
de la Terre, des lapins dépend<br />
des interactions<br />
électromagnétiquestiques
Les interactions matière<br />
re-matière<br />
• Interactions gravitationnelles (10 -40<br />
)<br />
• Interactions électromagnétiquestiques (10 -2 )<br />
• Interactions fortes intranucléaires<br />
aires (1)<br />
• Interactions faibles intranucléaires<br />
aires (10<br />
(à T ordinaire)<br />
(10 -13<br />
13 )
Les interactions électromagnétiquestiques<br />
• A longues distances<br />
• Attractives mais aussi répulsives<br />
• Identiques qu’il<br />
s’agisse<br />
d’interactions<br />
intramoléculaires<br />
ou intermoléculaires<br />
(le contenu d’un<br />
verre d’eau<br />
n’est<br />
rien<br />
d’autre<br />
qu’une<br />
une très grosse molécule<br />
cule!)
Unification des interactions<br />
électromagnétiquestiques et faibles<br />
• Violation de P au niveau des interactions<br />
faibles (et donc aussi électromagnétiques)<br />
Conséquence<br />
quence: deux énantiomères<br />
n’ont<br />
pas même énergie<br />
(∆E/ E/kT<br />
voisin de 10 -15<br />
à T ordinaire)<br />
• Importance du théor<br />
orème<br />
CPT
La nucléosynth<br />
osynthèsese stellaire: étape<br />
majeure de l’histoire<br />
de la matière<br />
• Sans interactions gravitationnelles, , pas d’étoiles.<br />
• Sans étoiles, , pas de nucléosynth<br />
osynthèsese stellaire<br />
• Sans nucléosynth<br />
osynthèse, , pas de C, N, O,<br />
P, Na, K, Ca….<br />
“Nous<br />
sommes des enfants des étoiles<br />
….mais<br />
aussi du Big Bang”
Pourquoi la fusion est-elle<br />
elle<br />
endoénerg<br />
nergétique<br />
à partir de Fe-56?<br />
• La répulsion<br />
coulombienne n’est<br />
plus<br />
compensée par les interactions fortes à<br />
très courte portée<br />
(int. P – P = int. N – N = int. P – N)<br />
• La capture de neutrons suivie de l’éjection<br />
d’un<br />
électron<br />
permet la nucléosynth<br />
osynthèsese<br />
des éléments<br />
plus lourds
Transformations et lois de<br />
conservation<br />
n → p + + e - + antineutrino<br />
charges électriques, leptoniques et<br />
baryonique sont conservées<br />
es<br />
l’énergie<br />
est conservée, pas la masse<br />
M(neutron) ) > M(proton) ) + M(électron<br />
lectron)
A chaque loi de conservation est<br />
associée une symétrie<br />
(E. Noether)<br />
• Conservation du moment de translation:<br />
homogénéit<br />
ité de l’espace<br />
• Conservation du moment angulaire:<br />
isotropie de l’espace<br />
• Conservation de l’énergie:<br />
indépendance<br />
du processus vis-à-vis<br />
d’une<br />
translation dans le temps
Structuration de la matière<br />
dans un<br />
Univers qui évolue<br />
spontanément<br />
• L’Univers<br />
est un système<br />
isolé<br />
• Tout changement au sein d’un<br />
système<br />
isolé s’accompagne<br />
d’une<br />
augmentation<br />
d’entropie<br />
(seconde<br />
loi)<br />
• L’entropie<br />
de l’Univers<br />
croît depuis le BB<br />
• Malgré cela, il existe des lapins!
Origine de la seconde loi de la<br />
thermodynamique<br />
• Au BB, l’entropie<br />
de l’Univers<br />
était<br />
très<br />
faible; ; explication ultime viendra d’une<br />
théorie<br />
quantique de la gravité<br />
• Depuis BB, l’entropie<br />
croît au niveau<br />
global
Décroissance<br />
locale de l’entropie<br />
• Au sein de systèmes<br />
fermés ou ouverts,<br />
via les échanges<br />
avec le monde extérieur<br />
• Par couplage entre une transformation<br />
productrice d’entropie<br />
et une<br />
transformation associée à une diminution<br />
d’entropie
L’eau<br />
comme marieuse moléculaire
Association en solution aqueuse<br />
A (nH 2 O) + B (mH 2 O) → A--B B (qH 2 O)<br />
+ (m+n–q) H 2 O<br />
avec (m+n)>q<br />
(si<br />
surf.A--<br />
--B B < surf. A + surf.B)<br />
(m+n-q) molécules<br />
d’eau<br />
sont “libérées”
L’association dans l’eau: l<br />
un couplage entre deux réactionsr<br />
1) A + B → A--B<br />
2)m(H 2 O) liée + n(H 2 O) liée → q(H 2 O) liée +<br />
(m + n – q)(H 2 O)<br />
P = P 1 + P 2 > 0 même si P 1 < 0<br />
parce que P 2 > 0<br />
avec │P 2 │>│P 1 │<br />
O) libre
Interaction « entropy driven »<br />
ADN + ARN-polym<br />
polymérase<br />
K = 2 10 11 M -1 (25°C)<br />
et pourtant ∆H° = + 229 kJ/mole<br />
mais<br />
T∆S° = + 294 kJ/mole<br />
et donc ∆G° = - 65 kJ/mole
Virus de la mosaïque du tabac
Auto-organisation organisation spontanée e et<br />
émergence<br />
Virus de la mosaïque du tabac<br />
• Une molécule d’ARN d<br />
entourée e de 2130<br />
protéines en enroulement hélicoh<br />
licoïdal<br />
(M protéine: 40000; 16.3 protéines par tour)<br />
• Auto-assemblage en 8 - 24 heures<br />
Complémentarit<br />
mentarité des composants et<br />
hydrophobie
De la non-vie<br />
à la vie<br />
Avant la vie: l’évolution<br />
de la matière<br />
est régie<br />
par<br />
les lois de la physique et de la chimie<br />
Après l’apparition<br />
de la vie: l’évolution<br />
de la<br />
“matière<br />
vivante” est régie<br />
par ces mêmes lois<br />
et par la sélection<br />
naturelle associée au hasard<br />
Entre “l’avant” et “l’après”?<br />
Que sait-on du monde prébiotique<br />
biotique?
Que sait-on du monde prébiotique<br />
biotique?<br />
• Démarche<br />
ascendante: : des composants<br />
élémentaires<br />
vers l’hypothétiquetique premier<br />
système<br />
vivant<br />
• Démarche<br />
descendante: : des organismes<br />
actuels vers LUCA<br />
• Problème<br />
majeur: : LUCA n’était<br />
certainement pas le premier système<br />
vivant
A propos de la démarche<br />
descendante ( S.J. Gould)<br />
Results rarely specify their causes<br />
unambiguously. If we have no direct<br />
evidences of fossils or human chronicles, if<br />
we are forced to infer a process only from<br />
its modern results, then we are usually<br />
reduced to speculation about probabilities.<br />
For many roads lead to almost any Rome!
Des systèmes<br />
vivants aux systèmes<br />
non-vivants<br />
“ La nature procède<br />
par petits pas, des<br />
choses sans vie jusqu’à<br />
la vie, de telle<br />
manière<br />
qu’il<br />
est impossible de déterminer<br />
la ligne de démarcation<br />
ni de quel côté<br />
doit se trouver une forme intermédiaire<br />
diaire….<br />
Ainsi la nature passe des objets sans vie<br />
aux animaux selon une séquence<br />
sans<br />
failles..<br />
..”<br />
Aristotle
Darwin et le concept d’espèces<br />
“ The view commonly entertained by naturalists<br />
is that species when intercrossed, have been<br />
specially endowed with sterility in order to<br />
prevent their confusion”<br />
“I I look at the term species as one arbitrarily<br />
given, for the sake of convenience, to a set of<br />
individuals closely resembling each other”
La définition<br />
de l’espèce<br />
selon E. Mayr<br />
“A A species is a reproductive community of<br />
populations (reproductively isolated from<br />
others) that occupies a specific niche in<br />
nature”<br />
mais<br />
“Evidently, the last word has not yet been<br />
said about the species concept in<br />
uniparentally reproducing organisms,<br />
particularly prokaryotes”
Les axiomes fondamentaux de la<br />
logique d’Aristote<br />
• Loi de contradiction<br />
A ne peut pas être simultanément<br />
ment B et “non B” B<br />
• Loi du tiers exclu<br />
A doit être B ou “non B” B<br />
• Loi d’identité<br />
A reste A<br />
Ces axiomes sont considérés comme self-évidents
Logique floue<br />
Zadeh (1965) et le concept d’ensemble<br />
flou<br />
A n’est<br />
pas nécessairement<br />
B ou “non B” B mais<br />
peut être caractéris<br />
risé par un descripteur<br />
numérique<br />
compris entre:<br />
1 (ensemble “B”)<br />
0 (ensemble “non B”) B<br />
La loi du tiers exclu n’existe<br />
plus!
Problème<br />
de logique floue:<br />
entre la “non vie” et la vie<br />
• Systèmes<br />
caractéris<br />
risés par un “indice<br />
de<br />
vie” supéreur<br />
à 0 et inférieur<br />
à 1<br />
-protobiontes<br />
-virus<br />
-robots<br />
-spores<br />
• En logique floue: : coexistence de plusieurs<br />
échelles<br />
d’indices<br />
selon les critères<br />
res
Ainsi donc:<br />
• La biologie n’a pas de définition<br />
précise<br />
de l’être<br />
vivant ni de l’espèce<br />
• C’est<br />
sans doute mieux ainsi!<br />
“As the complexity of a system increases, our<br />
ability to make precise and yet significant<br />
statements about its behavior diminishes until a<br />
threshold is reached beyond which precision and<br />
significance (or relevance) become almost<br />
exclusive characteristics”<br />
L.A. Zadeh
La biologie est dans la même<br />
situation que la physique!<br />
• L’énergie<br />
et le temps y jouent un rôle<br />
fondamental et pourtant, selon Feynmann:<br />
• “it is important to realize that in physics<br />
today, we have no knowledge of what<br />
energy is”<br />
• “we face the fact that time is one things<br />
we probably cannot define (in the<br />
dictionary sense)”
Mais ce n’est<br />
pas grave!<br />
“In the world of human thought generally<br />
and in physical science in particular, the<br />
most important and most fruitful concepts<br />
are those to witch it is impossible to<br />
attach a well-defined meaning”<br />
Hendrik. . A. Kramers
“as far as the propositions of mathematics<br />
refer to reality, they are not certain; and<br />
as far as they are certain, they do not<br />
refer to reality”<br />
Albert Einstein
Malheureusement……<br />
« Physiciens ou physico-chimistes, chimistes, nous<br />
avons très s mal joué l’interdisciplinarité en<br />
faisant preuve d’arrogance d<br />
vis-à-vis de la<br />
biologie »<br />
Pierre-Gilles de Gennes (2005)
Exemple d’arrogance!<br />
d<br />
« A great deal of the universe does not need<br />
any explanation. Elephants for instance.<br />
Once molecules have learnt to compete and<br />
to create other molecules in their own<br />
image, elephants and things resembling<br />
elephants, will in due course be found<br />
roaming in the countryside »<br />
P. W Atkins (1981)
Heureusement:<br />
Il existe une communauté très s active et<br />
soudée, faite de scientifiques sans<br />
arrogance……<br />
……celle des exobiologistes
La longue histoire de la matière<br />
re:<br />
nécessité et hasard<br />
• “Nécessité”:: des nucléons<br />
aux noyaux, , des<br />
noyaux et électrons<br />
aux atomes, , des atomes aux<br />
molécules<br />
cules, , des molécules<br />
aux systèmes<br />
supramoléculaires<br />
(minéraux, agrégats<br />
gats, liquides,<br />
micelles, vésicules,….)<br />
• “Nécessité et (ou(<br />
ou) hasard”:<br />
Apparition des premieres cellules vivantes, , des<br />
premiers pluricellulaires, , de l’Homo<br />
sapiens
Un grand merci à …….<br />
G. Ourisson, , H. Chantrenne, , K. Mislow<br />
J. Lhomme, , J. Cronin, M. Arnould<br />
F. Albarède<br />
de, , H. Bersini, , K. Bartik,<br />
Ph. Claeys, , M. Gargaud, , R. Lefever,<br />
P. Lopez-Garcia, H. Martin, T. Montmerle
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