ITER sur les rails

La grande nouvelle du week-end, ce n’est pas le résultat d’un match de foot ou d’un autre. C’est la signature de l’accord pour la construction et le financement d’ITER, le réacteur thermonucléaire expérimental, à Cadarache, après plus de vingt ans de discussions.

Je n’ai pas l’intention de revenir sur les polémiques sur la perte de temps due aux négociations sur l’emplacement de l’expérience, ni sur celles critiquant les coûts disproportionnés face aux probabilités d’échec, Wikipédia y répond très bien. Science parle d’un « pari à 12 milliards de dollars », soit 10 milliards d’euros environ, dans l’espoir de maîtriser cette énergie du futur[1], assez propre et presque inépuisable.

Je suis assez impressionné par le projet ITER. Il ne s’agit de rien de moins que le deuxième plus grand projet scientifique de l’Histoire et coût et en nombre de chercheurs après la Station Spatiale Internationale, et si le « pari » réussit, il aura bien plus d’impact sur la société que la malheureuse ISS. Je suis aussi impressionné par la complexité d’un projet, et le niveau poussé de coopération et de synchronisation auquel ont dû parvenir 4000 chercheurs de sept pays différents, qui, ce n’est peut-être pas inutile de le rappeler, ne sont pas plus payés pour ça. Quand je vois ça, je me dis que tout n’est pas pourri en royaume de Science.

Pour résumer le processus, il s’agit de produire de l’énergie via la fusion de noyau de deutérium et de tritium (la toujours indispensable Wikipédia vous donnera toutes les explications de base dont vous pourriez avoir besoin, si vous n’êtes pas up-to-date en physique atomique). Les conditions de pression et de température nécessaires à cette réaction sont remplies dans le Soleil, mais comme il est difficile d’atteindre la même pression sur Terre, il faut réussir à chauffer les réactifs à une température bien plus élevée. Comme aucun matériau ne pourrait résister au plasma qui est obtenu, ce dernier est confiné par un champ magnétique puissant dans une forme approximativement toroïdale. Ces champs magnétiques sont obtenus par la montée d’un courant dans les énormes bobines qui entoure le réacteur (appelé Tokamak, c’est un joli nom je trouve). Evidement, cette montée ne peut pas se faire à l’infini : les tokamaks fonctionnent donc par séquences, ou impulsions, successives.

ITER doit répondre à trois grands défis pour valider le principe d’un réacteur thermonucléaire. Tous les tokamaks précédents n’étudiaient qu’une partie de la question : seul ITER permettra l’étude des interactions entre tous les problèmes connus, la découverte du fonctionnement « à taille réelle », et le test de solutions expérimentales en conditions d’application.

Les expériences précédentes ont confirmé la possibilité de confiner le plasma, mais avec de grandes difficultés. Science recense toute une population d’instabilités, qui, espère-t-on, seront diminués par la grande taille du tokamak ITER. Une instabilité, c’est quand le plasma se déforme, et tente de sortir de son confinement magnétique, ou que l’énergie est produite par saccades : à de tels niveaux de température, on imagine le souci.

Le deuxième problème est le choix du matériau des parois du réacteur. Il doit être résistant à la température et ne pas s’effriter en particules pouvant déstabiliser le plasma. Le candidat idéal serait le carbone, mais il présente des risques de pollution. Il semble que le candidat du compromis soit un mélange entre titane, carbone et béryllium.

Enfin, il s’agit de produire de l’énergie en continu. Le produit de la réaction de fusion est un noyau d’hélium (appelé particule alpha) et un neutron. Comme la fusion est très exoénergétique, ces deux particules vont très vite, bien plus que les atomes initiaux. Et n’oubliez pas que la température est reliée à la vitesse des particules. La particule alpha, chargée électriquement, continue sa route dans le plasma : au gré des chocs, sa grande vélocité contribue à maintenir une température et une pression élevée, ce qui permet l’auto-entretien de la réaction. Le neutron, lui, n’est pas prisonnier du champ magnétique, et va percuter les parois du réacteur. Il les réchauffe, et c’est ainsi que de l’électricité pourra être produite, par le procédé habituel d’entrainement d’une turbine par de la vapeur d’eau. ITER ne réalisera pas cette phase, cependant. Le problème est ici de réussir à produire plus d’énergie que ce qui a été injecté dans le réacteur, et ce, en continu, pas seulement par brèves impulsions. Des rendements positifs, et de longues durées de fonctionnement, ont été obtenus dans les certaines expériences précédentes, mais jamais en même temps : voilà le test principal que devra réussir ITER.

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[1] Les mauvaises langues ajoutent « pour toujours ».

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Question de compétence

Des visiteurs avertis ont peut-être été agacés par des approximations, des imprécisions, voire des erreurs factuelles que j’ai pu commettre, et que j’ai certainement commises, dans certains de mes billets. Le visiteur compétent serait alors fondé à souligner que le ton général du blog me faisait passer pour un expert éclairant ses visiteurs de ses lumières, une tromperie manifeste au vu de mes erreurs.

Je ne sais pas si un tel inquisiteur existe, ou s’il est juste un produit de mon imagination. Mais en tout cas, qu’il se détrompe : je ne prétends avoir aucune compétence particulière sur les sujets de mes billets. Je dis cela sans fausse modestie, et je tiens tout particulièrement à en avertir aussi le lecteur moins compétent sur les sujets dont je parle que l’inquisiteur.

Pour tout vous avouer, j’ai été un peu déstabilisé après avoir visité le blog de Tom Roud, qui m’avait été indiqué en commentaires de quelques billets sur Darwin et l’évolution. Ce sujet m’intéresse beaucoup, mais je n’ai tout de même aucune autre connaissance sur le sujet que ce que j’ai pu lire dans des livres ou sur internet, alors qu’il travaille dessus. Ses billets sont bien plus détaillés que les miens, avec des exemples bien plus précis. Quelle légitimité ais-je donc pour en parler, alors que je suis loin d’être aussi qualifié que lui ? Et, d’une façon générale, dois-je me limiter aux sujets pour lesquels j’ai une certaine compétence ?

J’ai tourné cette question dans ma tête un certain temps. La plupart du temps, j’écris sur des sujets ayant attiré mon attention sur internet ou dans un journal scientifique, et je n’ai pas de connaissances particulières dans le domaine en question. Je profite certes du « background » scientifique que j’ai la chance d’avoir acquis lors de mes études, mais je passe néanmoins un certain temps sur wikipédia ou google pour trouver des informations et des explications, ne serait-ce pour ne pas raconter trop de bêtises ! Dès lors, ce que je m’efforce d’apporter à mes lecteurs, ce ne sont pas mes connaissances, mais un certain « decryptage » des notions scientifiques en jeu. Et, surtout, j’essaie de transmettre mon intérêt pour la science et le plaisir que je prends à découvrir de nouveaux sujets.

Ce billet est donc un disclaimer, pour qu’il n’y ait pas de malentendu : je ne suis pas un expert. Sur les sujets qui m’intéressent, comme sur les débats qui agitent la société comme les OGM ou les nanotechnologies, je me renseigne, je cherche des informations et des avis, je construis ma culture et mon avis. Et je le donne.

La blogosphère scientifique française est suffisamment petite[1] pour qu’il y ait encore beaucoup (trop) de place pour des avis, peut-être pas si éclairés que ça, mais qui tentent de l’être. Et surtout, j’ai l’impression que la science disparaît de la sphère publique, au profit de la politique[2]. Même les débats ayant un fond scientifique, ceux dont j’ai parlé plus haut, sont traités sous un angle essentiellement politique : pour parodier, c’est le combat des citoyens contre les entreprises multinationales américaines (sic). La rationalité scientifique est souvent mise de côté.

De façon plus générale, l’intérêt pour les sciences s’efface devant les combats sociaux, devant le relativisme antiscientifique, et devant le fondamentalisme religieux. C’est peut-être vain de vouloir lutter contre ces évolutions, mais je ne veux pas que la paresse ou la pudeur mal placée m’empêche d’essayer. C’est pourquoi je continuerai mes billets de dilettante.

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[1] Alors que les sites politiques pullulent.

[2] Cf le 1

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Dawkins : Le gène égoïste. (3) : Altruisme et égoïsme

Nous voilà maintenant arrivés au cœur du livre de Richard Dawkins, le Gène égoïste. Souvenez-vous, la première étape avait été de justifier la sélection par le gène au dépend de la sélection par le groupe ou par l’individu, et la deuxième avait été de présenter comment les premiers gènes avaient pu se constituer, et mener à l’émergence de la vie. Tom Roud nous avait conduits à faire un petit détour pour approfondir cette question, et avait ensuite proposé un exemple de « gène égoïste »[1].

Il me donne ainsi une transition parfaite vers le sujet de ce billet, qui est la présentation de l’égoïsme et de l’altruisme selon Richard[2].

Un grand nombre de thèmes autour de ce sujet sont abordés, et je n’essaierai même pas de tous les résumer. Il s’agit, dans la plupart des cas, de montrer que ce qui peut passer pour de l’altruisme d’un point de vue « sélection par le groupe » n’est qu’un témoignage de l’égoïsme d’un gène : il s’est sacrifié pour le bien du groupe devient le gène qui pilote ce comportement est efficace car le sacrifice d’une copie de lui-même permet la survie d’un grand nombre d’autres copies.

La déconstruction de notre façon de voir le monde est brutale. Influencé par notre conscience anthropique, nous voyons de la générosité dans le nettoyage mutuel des oiseaux et des singes, et du sacrifice désintéressé dans l’amour d’une mère pour ses petits ou dans le sacrifice d’une abeille qui meure l’abdomen déchiré après avoir piqué un intrus dans la ruche. Il ne s’agit pourtant que de stratégies optimisées de survie génétique.

Les chapitres consacrés aux relations entre sexes, entre frères et sœurs, entre parents et enfants, sont parmi les plus choquants du livre[3]. L’idée est la suivante : une mère partage la moitié de ses gènes avec ses enfants, de même qu’un frère vis-à-vis de sa sœur, des demi-frères ou des cousins germains ont un quart de leurs gènes en commun, de même qu’un petit-fils vis-à-vis de son grand-père. Dès lors, les gènes qui poussent à se sacrifier pour deux ou plus de ses frères, ou quatre ou plus de ses cousins germains, seront favorisés, alors que ceux qui poussent à se sacrifier pour sauver un seul d’entre eux sera statistiquement défavorisé dans la sélection naturelle. Dis comme cela, cela peut paraître brutal et très éloigné de la réalité, mais Richard affine cette théorie de l’altruisme en fonction du degré de proximité généalogique dans les différents chapitres, et prend en compte un grand nombre de paramètres : asymétrie de la relation parent/enfant, incertitude d’un enfant sur le fait que les autres jeunes sont ses frères ou ses demi-frères, caractère particulier de la génétique dans le cas des insectes sociaux, etc… Le tout est appuyé par des exemples précis tirés de la nature qui rendent le tout extrêmement convaincant : il est hors de question que je répète, en moins bien, tout ce qu’écrit Richard, mais sa théorie va par exemple jusqu’à expliquer pourquoi les reines-pondeuses des fourmis donnent naissance à trois femelles pour un mâle, sauf chez les espèces esclavagistes où il est de un pour un !

Une certaine catégorie de critiques et d’incompréhension peut venir du fait que 1) l’amour maternel ou fraternel nous semble trop pur et trop bon pour être expliqué crûment par le fonctionnement des gènes et 2) que nous sommes souvent égoïstes vis-à-vis de nos proches, et altruistes vis-à-vis d’inconnus dont nous ne partageons aucun gène.

Il ne faut pas, tout d’abord, pécher par excès d’anthropomorphisme, tout d’abord, et bien reconnaître que notre espèce est une exception. Dans la plupart des espèces animales, les gènes donnent des ordres du genre « corps, si la situation est la suivante, réagis de telle façon ». Dans notre cas, la « stratégie » de nos gènes a été de développer nos capacités d’abstraction, d’imagination, d’adaptation, et de nous donner l’ordre « corps, fais-ce que tu veux », en ne nous guidant que par quelques principes hormonaux, faim, libido ou instinct de survie par exemple. Richard compare nos gènes aux programmateurs de Deep Blue, l’ordinateur champion du monde d’échecs :

[…] La vie, tel un jeu d’échecs, offre trop d’éventualités pour que celles-ci puissent être toutes prévues. Comme les programmeurs d’échecs, les gènes ne fournissent aux machines à survie [c’est nous] que des données générales.

Nous avons donc notre libre-arbitre : la situation est ironiquement très analogue à celle des religieux qui expliquaient le mal sur Terre par le libre-arbitre, à la fois bénédiction et malédiction, accordé par Dieu aux hommes.

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[1] Un exemple de gène égoïste donné par Richard, que je ne savais pas où placer dans mon billet : les gènes pilotant la sexualité. Après tout, les gènes « préfèreraient » être dupliqués, comme dans la parthénogénèse des bactéries, plutôt que de n’avoir qu’une chance sur deux d’être transmis à l’enfant. Oui, mais la reproduction sexuée est le meilleur moyen de propager les gènes… de la reproduction sexuée ! Un joli exemple de « hacking ».

[2] Je vous rappelle qu’on se tutoie. Ca vaut aussi pour les commentaires, d’ailleurs : il faut bien choisir entre vouvoiement et tutoiement, si on mélange les deux c’est un peu bizarre. Alors voilà, j’ai tranché.

[3] Les chapitres consacrés aux « stratégies évolutivement stables » sont du plus haut intérêt, mais je n’en parlerai pas faute de temps. Il s’agit des situations type « dilemme du prisonnier », où le gain moyen d’une population qui s’entraide est supérieur à celui d’une population d’égoïste, mais où le gain d’un égoïste parmi les altruistes est encore plus grand. En se basant sur la théorie de la sélection par les gènes, il obtient des situations stables par le calcul ou des simulations, et les retrouve dans des observations animales.

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Réseaux

Via Aeiou, l’incontournable blog de Flu, je suis tombé sur le projet Visual Complexity, qui illustre à merveille les propriétés des réseaux. Je ne sais pas pour vous, mais j’ai toujours été épaté[1] que des domaines aussi différents que la biologie, l’informatique, ou la sociologie, utilisent le même outil, et produisent des dessins (on dit des graphes, en fait, pour représenter les réseaux) qui se ressemblent. Je vous invite à explorer ce projet et à dénicher les perles rares, comme cette fantastique simulation de l’univers, qui sert d’illustration à l’article, ou cette carte de la blogosphère politique américaine.

Evidemment, la tentation est grande d’étudier ces objets de façon abstraite et mathématique, sans ce soucier de ce que la représentation recouvre réellement. L’idée est de trouver des lois, des principes, qui régissent leur organisation, et d’en déduire des applications dans le monde réel. Après tout, c’est sur cet aller-retour réel-abstraction-réel que fonctionne les mathématiques, non ?

Et justement, l’étude des réseaux abstraits, avec leurs listes de nœuds et de connections, permet de les classer, ou au moins une bonne partie de ceux que l’on trouve en informatique, en physique, en biologie ou en sociologie en deux grandes catégories :

- les réseaux aléatoires, où la probabilité que deux éléments pris au hasard soit connectés est toujours la même. Ces réseaux, comme le plan du métro, tendent à avoir un nombre de liens par nœud oscillant autour d’une valeur moyenne.

- Les réseaux invariants d’échelle, qui compte quelques nœuds liés à un nombre énorme d’autres nœuds, et un grand nombre de nœuds faiblement connectés (à la limite, un seul lien vers un des nœuds principaux). Ils sont appelés invariants d’échelle car, pour des raisons statistiques, cette asymétrie très forte se retrouve quelque soit la taille de la portion du réseau (c’est-à-dire, quelle que soit son échelle) que l’on regarde. Internet, avec ses gros serveurs et ses millions d’utilisateurs qui leurs sont reliés, est l’exemple parfait de ce type de réseau.

Leurs propriétés sont très différentes, que ce soit le rythme de diffusion de l’information (ou de quoi que ce soit qui circule), ou la résistance à la coupure de liaisons ou à la destruction de nœuds. Internet a été conçu pour résister à de telles coupures, et effectivement, les réseaux invariants d’échelle résistent très bien à des attaques détruisant aléatoirement des nœuds. Là où un réseau aléatoire verrait rapidement des portions entières isolés du reste, un réseau invariant d’échelle peut continuer à faire circuler l’information d’un bout à l’autre même avec une proportion importante de sites touchés. Par contre, dès lors que les attaques sont ciblées sur les serveurs, le réseau invariant d’échelle s’effondre bien plus rapidement : c’est le principe de certaines attaques informatiques.

Je laisse le mot de la fin au site du CNRS :

Ainsi, de l'étude de l'infection des ordinateurs par un virus à la propagation de polluants dans l'environnement en passant par l'épidémiologie, la physique statistique n'a pas fini de percer les mystères des systèmes et phénomènes complexes. Pour qu'enfin, les réseaux ne soient plus inextricables.

Non, quand même, avant de partir : regardez ça, encore une fois. C'est tellement beau.

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[1] Depuis un article sur les réseaux dans le hors-série de Pour la Science sur la complexité, en fait. En 2003, je crois bien.

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Qu'est-ce que la vie ?

Via Tom Roud, je découvre ce passionant article de Nature qui offre un complément intéressant à notre petite discusion sur Dawkins et les réplicateurs.

Il y est défini ce qui pourrait représenter les fonctions de base à remplir pour une entité que l'on qualifierait de vivante : la capacité à se répliquer quand elle est alimentée en éléments de base et en énergie, et la capacité à évoluer de façon darwinienne.

Je ne suis pas d'accord avec ce deuxième élément, car pour moi, suivant l'interprétation de Dawkins, un être vivant est surtout une machine à multiplier ses gènes. Certainement pas d'évoluer, car cela nécessité de se reproduire de façon erronée ! C'est donc complètement contradictoire. Ma définition serait donc : un être vivant, c'est une entité qui a la capacité à se répliquer quand elle est alimentée en éléments de base et en énergie. Sous-entendu : en faisant tout ce qui est possible pour lutter contre les erreurs de réplication et donc l'évolution.

La suite est intéressante, tout de même. Les chercheurs tentent de définir la plus petite entité de base que l'on pourrait qualifier de vivante, dans une sorte de retro-engineering des premiers instants de la vie. Vous vous souvenez peut-être que j'avais parlé d'un continuum d'entités vivantes entre le premier réplicateur et les premières cellules, et que je m'étais interrogé sur la façon dont les premières fonctions de catalyse et de synthèse de protéines et enzymes avaient pu apparaître ? Des idées de réponse ont été apportées en commentaires de mon billet et surtout de celui de Tom Roud, et l'article de Nature complète tout cela.

Certaines séquences d'ARN présentent la capacité de catalyser la réplication de l'ARN, en se repliant, en plus de porter l'information génétique (et l'on peut imaginer qu'une petite modification leur permettraient de catalyser la synthèse d'enzymes, mais là n'est pas le propos). Elles ne peuvent pas être sélectionnées par l'évolution naturelle ex nihilo, cependant, car elles passeraient plus de temps à catalyser la réplication de leurs concurrents que de leurs copies si elles étaient dans une "soupe" quelconque. Les copies (au moins deux) de ces catalyseurs doivent donc être liées à des séquences qui permettent la synthèse d'une membrane, par exemple une membrane lipidique : les seconds permettent l'isolation et la concentration des premiers. Les catalyseurs de la réplication sont alors suffisament proches pour agir mutuellement l'un sur l'autre, augmentant le nombre de copies, et, au passage, permettant la multiplication de la séquence synthétisant la membrane. La sélection naturelle n'a pas pu tarder à favoriser une combinaison explosive !

L'article de Nature répond ainsi en même temps à mes deux interrogations : les réplicateurs initiaux peuvent avoir des fonctions catalytiques via leur arrangement spatial, et la vie peut être datée du moment où un catalyseur de réplication et un catalyseur de membrane se sont retrouvés embarqués dans la même galère. La première symbiose de l'Histoire !


PS : j'ai actualisé, et réorganisé, ma liste de blogs. Des blogs scientifiques et de bande dessinée font leur entrée, ce qui n'est que justice, vu le temps que je passe à les lire !

PS2 : je ne savais pas quoi mettre comme image, alors j'ai pris comme un sale la première réponse de google pour la requète "symbiose vie". C'est une oeuvre de Josiane, à qui j'ai écris pour lui demander l'autorisation. J'espère que ca ne la dérangera pas, mais dans le cas contraire, profitez-en bien avant que je l'enlève !

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