jeudi 23 décembre 2010

Concours simplyscience pour les classes de 10 et 11ème degré

concours science on the move Ce concours s'adresse aux classes de 10 et 11ème degré (nouvelle numérotation)  il s'agit de réaliser trois expériences sur l'ADN, la microscopie de tissus végétaux et la biochimie des levures, ensuite les élèves devront les analyser de manière créative.  L'enseignant-e doit accompagner "coacher" mais pas donner les réponses. Il faut prévoir 3 leçons par expérience. Le projet se déroule en anglais. Le détail est dans le message ci-dessous qui a été adressé aux directeurs-trices d'établissement. En pièce jointe la lettre aux enseignants. Ce concours est organisé par simplyscience qui est une initiative  de la  SGCI Chemie Pharma Schweiz (société suisse de l'industrie chimique) soutenue par la confédération cf ici Il y aura une sélection des dix meilleurs classes et les prix incluent un voyage à San Francisco pour une "science- & culture-week."  Fig 1 : www.simplyscience.ch est une inititive de la société suisse de l'industrie chimique (www.sgci.ch)..  [img] :  

mercredi 22 décembre 2010

L'homme diffère du singe de 1.3% mais chaque humain diffère de 12% ?!

L'homme diffère du "singe" de 1.3% alors que chaque humain diffère de 12% !? 

De nombreux chiffres sur la différence entre les humains et le chimpanzé circulent mais paraissent contradictoires.  Calculés par des méthodes différentes, ils n'ont de sens qu'en connaissance de la manière dont ils sont établis. On a utilisé dans le passé la similitude immunologique, l'hybridation de molécules d'ADN, plus récemment l'identité des séquences particulières (SNP) et la comparaison base à base de séquences, voire de génomes entiers. Et la  liste n'est sûrement pas complète. Évidemment ces méthodes donnent chaque fois des résultats différents. On compte parfois un gène entier comme différent dès qu'une seule base diffère, alors que d'autres methodes comparent une à une les 3 milliards de bases de notre génome aux 3 milliards du chimpanzé. Certaines comptabilisent un déplacement d'une séquence comme autant de différences, d'autres ne détectent pas ce type de changement. Donner un chiffre isolé est donc peu scientifique, et équivoque. C'est déstabilisant pour les élèves qui comparent à d'autres chiffres dans la presse, la télé et internet. Cela risque de décrédibiliser l'enseignant s'il donne un chiffre comme absolu et simplement vrai. C'est aussi prêter le flanc aux critiques de ceux qui veulent croire une vérité unique et simple : ils se font un plaisir de faire apparaître des chiffres différents comme des incohérences.

Pourquoi tant d'intérêt pour cette différence ?

Depuis longtemps l'homme s'interroge sur les similitudes troublantes avec "le singe" (je m'interroge sur l'opportunité d'un terme qui inclut des animaux très différents allant de la taille d'un chat à celle du gorille)  notamment les autres primates, surtout les hominidés (UniProt) (grands singes sans queue) et en particulier le chimpanzé (Pan troglodytes). On ne peut s'empêcher de voir dans ses mimiques, son apparence, ses comportements sociaux des similitudes touchantes. [img] Source:Gould, J., et al (1994)
  • Dossier "grands singes" sur hominidés.com
Chacun a pu observer des réactions fortes de rejet et un besoin de marquer la distance avec ce cousin gênant."Mon Dieu ! Ainsi, l’homme descendrait du singe. Pourvu que cela ne soit pas vrai ! Mais si cela l’était, prions pour que cela ne se sache pas ! " aurait dit Lady Worcester en prenant connaissance des travaux de Darwin. (Cette citation apparait sous différentes formes, je tire cette citation de Pascal Picq ici)
Au détour de la conversation sur ces similitudes et différences, revient souvent le proverbe "Chassez le naturel il revient au galop"  en référence aux comportements de certains, socialement réprouvés, qui manifesteraient une origine chez le chimpanzé. Même si ce n'est pas le sens correct du proverbe, c'est peu comme si nos craintes que nos émotions nous échappent et prennent le contrôle se cristallisaient sur cet être si proche et pourtant différent, comme F. Terrasson (1997) le décrit dans "La peur de la nature".

Pourquoi nous avons si peur d'être proche parent d'un chimpanzé ? C'est ce que parmi de nombreux autres Desmond et Ramona Morris ont étudié dans "Men and Apes".  Ils y discutent les singes sacrés, les représentations de singes comme fous ou pêcheurs, comme amants,  et comme des animaux intelligents. Pour (Geets 2003), derrière la peur de la différence se cache en fait la peur qu'il ne soit pas si différent... Laissons pour le moment cette question pour nous  concentrer sur ces différentes différences...

D'anciennes méthodes

Une des premières méthodes de mesure que mes recherches sommaires aient déterrées est immunologique. Cette mesure nous plaçait à 15% de différence de notre cousin chimpanzé.
"La réaction à la précipitine montre que 85% des protéines plasmatiques du chimpanzé sont homologues à celles de l'homme."  Miram, W., & Scharf, K. H. (1998). Biologie des molécules aux écosystèmes. Lausanne: LEP Loisirs et pédagogie.  p. 433 [img] Source:Vogel et al. (1970)

Ici l'on parle des protéines sanguines seulement et on les compare par leur affinité avec des anticorps. La figure 2 suggère que homologue veut ici dire que la protéine du chimpanzé est agglutinée par les anticorps contre les protéines humaines. Donc qu'elles ont le même épitope.

Hybridation ADN-ADN

D'autres méthodes ont été employées comme l'hybridation de génomes entiers décrite ici intranet.jpg Source Miram, W., & Scharf, K. H. (1998).

L'atlas de biologie (Vogel, G.,et al., 1970) cite aussi cette méthode p. 511 et affirme que l'hybridation entre l'homme et le macaque rhésus atteint 85%.

Les premiers résultats par séquençage

Depuis que le séquençage est accessible et que son coût baisse extrêmement rapidement, de nouvelles manières de mesurer des similitudes et différences apparaissent. Pendant longtemps on a vu un chiffre proche de 1.5% dans de nombreuses références éducatives.


Par exemple Miram-Scharf parle de 1.2%  lors que  Watson, J. D., & al (1994) Online ici dit p. 446 "Les génomes de l'homme et du chimpanzé ne diffèrent en effet que de 1.6%" 
La manière de mesurer n'est pas décrite, mais il s'agit probablement des substitutions de bases dans une sélection  de gènes qu'on avait à disposition à l'époque, en alignant des petites séquences. Cette mesure ne prend pas en compte les différences résultant du déplacement, de l'inversion ou de la duplication de séquences parce qu'elle cherche -en somme - l'alignement puis les différences sur ces petites séquences alignées.
Comprendre ce qu'est un alignement pour y trouver les preuves de l'évolution est crucial pour les enseignants disaient les Prof. Brigitte Gaillot et Denis Duboule lors d'une conférence pour les maîtres de biologie au printemps 2009.
  • Scénario pour faire faire aux élèves un alignement de protéine humaine et de chimpanzé (Scénario 5 : Evolution de l'insuline mais peut être utilisé avec n'importe quelle autre protéine)

La génomique permet de nouvelles comparaisons

Depuis 2001 (International Human Genome Sequencing Consortium. 2001 ici) le génome humain est complètement disponible, et depuis 2005 celui du chimpanzé /The Chimpanzee Sequencing and Analysis Consortium. 2005) ici

On y apprend que les différences en termes de substitutions de bases sont de 1% et que les réarrangements, duplications et déplacements font diverger nos séquences de génome de 2.7% de plus.
Il est donc tout aussi vrai de parler de 1% ou de 3,7%... [img] Source: Pour la Science N°57 

  • Nature a fait un numéro spécial Nature special chimpanzee et met a disposition un dossier Web focu" The chimpanzee genome 
    • Ils y ont joliment clarifié le problème :"  We share more than 98% of our DNA and almost all of our genes with our closest living relative, the chimpanzee. " Nous partageons presque 98% de notre ADN et presque tous nos gènes avec notre plus proche parent actuel : le chimpanzé.
    • On y trouve une animation interactive qui compare nos 2 espèces sur plusieurs plans : si on clique sur l'épaule du chimpanzé le plus haut on trouve des indications sur les différences génétiques." It is often said that the two species are 98.5% the same, in terms of single-letter changes in the DNA code. But mapping of the chimpanzee genome shows there are further differences in how DNA chunks are duplicated and rearranged. These differences cause our genome sequences to diverge by 2.7%, while single-letter substitutions add about another 1% of difference."
  • Le NCBI maintient un portail du chimpanzé
  • Le NCBI permet d'accéder librement aux génomes complets par exemple à partir de Mapviewer qui aide à prendre conscience que de nombreux génomes sont disponibles, (situation de l'humain dans le monde vivant, préalable à un arbre phylogénétique, etc.)
      • L'observation du nombre de chromosomes permet  de noter que le chimpanzé est présenté en référence à nous avec les chromosomes nommés 2a 2b.
      • Choisir un chromosome p. ex. le 2 humain, en dessous on peut  lire le nombre de gènes (Total Genes On Chromosome: 2346) une comparaison chromosome a chromosome est possible.
  • Michel Morange a donné une conférence 12.06.08 "L'homme et le singe"  vidéo ici (Canal U) 
  • Site créationniste où Harun Yahya essaye de discréditer l'évolution en comparant des chiffres de similitude de l'ADN établis par des méthodes différentes.On voit bien qu'un savoir scientifique ne peut l'être qu'en référence à des données, mais surtout aux méthodes qui les produisent.

Les différences : pas seulement les gènes ?

Un article de Pollard, K. S., et al. (2006) ici fait une comparaison de la totalité du génome humain et du chimpanzé (cf Bio-Tremplins du 5 mai 2007 "Le chimpanze plus évolué que nous ? " ). Ils ont cherché les zones de notre ADN qui auraient plus varié chez nous que chez le chimpanzé ( par rapport à un autre génome).  Ils ont trouvé très peu de différences notables dans les gènes, mais dans l'ADN non-codant ils ont trouvé des Human Accelerated Regions (HAR) dont l'une semblait avoir particulièrement vite changé : appelée HAR1F, elle s'exprime entre la 9ème et la 17ème semaine de gestation -période critique où les neurones se forment et migrent- dans une région du cerveau (Cajal-Retzius) qui détermine la structure en couches du cerveau. Il est tentant d'imaginer que cet ARN aurait un rôle de régulateur et activerait de nombreux autres gènes, assurant le développement accru de notre cerveau et ... nous serions rassurés sur la réalité des différences avec "le singe" !
On voit que l'ancienne focalisation sur les gènes, qui ignorait le reste de l'ADN, passe à coté d'importantes différences...

La différence entre deux humains : 0.1% , ou 12%  ?

Bill Clinton a répété en 2001 avec la mise à disposition du Génome humain que " humans are all, irrespective of race, 99.9% the same genetically. " ici
C'est aussi ce qu'à la Cité  des sciences à Paris on peut lire :
"Résultat étonnant: entre deux individus. il n'existe que 0,1 % de différence! Bref, une aiguille dans une botte de foin qui ne cesse d'aiguiser la curiosité des chercheurs ..."
Alors que dans Science et Vie (2008) (intranet.jpg) on peut lire que "D'un individu à l'autre les gènes diffèrent de 12% ".
Difficile à concilier ! Ici c'est le nombre de gènes qui ont au moins une minuscule différence : 3'000 gènes diffèrent d'au moins une base entre deux personnes soit près de 12% des environ 21'000 gènes ( ce chiffre-là aussi change selon comment on mesure, m'embêtez pas avec ça, c'est un ordre de grandeur)
Ainsi 0.1 et 12 % sont tout aussi vrais (actuellement,... ) mais mesurent autrement.
Check Hayden, Erika, (2007) ici rapporte que ces chiffres ne prennent pas en compte les réarrangements importants : des déplacements, inversions et autres réarrangments, qui semblent toucher une grande part de notre génome (un auteur mentionnait 10% en 2007).

Un inuit et moi différons de 1% mais je n'aurais que 50% de commun avec ma propre fille ?

Dans l'excellent site thenakedscientist on trouve une jolie situation problème pour amorcer une investigation par les élèves :
If as a human I share 98% of my genes with a chimpanzee and 60% of my genes with a banana, how come I only share 50% of my genes with my own daughter?

Pour le chiffre de 50% entre père et fille, on s'intéresse au flux de l'information, au lignage. En fait personne n'a dit qu'il y a 50% de différence entre un parent et son enfant : Lorsqu'on dit que "nous partageons 50% de nos gènes" avec nos plus proches parents, on ne dit pas que les autres 50% sont différents, on dit juste qu'ils proviennent de l'autre parent. On devrait dire que 50% de l'information sur nos gènes vient de chaque parent. On parle donc de la source de l'information :  soit le père, soit la mère, dont on a hérité l'information génétique. En effet chaque chromosome est copié depuis le génome du père ou de la mère dans le gamète puis dans les cellules de l'enfant ; chacun est donc d'origine paternelle ou maternelle en proportions égales.
Or le plus souvent,  souvent le gène du père est identique à celui de la mère. Vos deux copies du gène de l'insuline sont vraisemblablement identiques, mais comme l'une vient de votre père et l'autre de votre mère, ils sont comptés de source différente et font partie du 50% indiqué.

Les plus récents chiffres sur la diversité humaine...

People and, letters of A T C G
Un projet en cours The 1000 Genomes Project Consortium. (2010) veut séquencer mille génomes pour prendre la mesure de la diversité de notre espèce. Ils ont déjà analysé après "séquençage rapide" (low coverage) 179 individus provenant de 4 populations distinctes et par séquençage très approfondi (high coverage) de deux trios : mère-père-enfant; Ils ont encore séquencé 8140 exons couvrant 906 gènes de  697 personnes.
Fig 5 : Le projet The 1000 Genomes Project veut séquence pour les comparer 1000 génomes entiers ..  [img] Source: The 1000 Genomes Project.

1000 genomes
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L'article décrit les techniques et les potentiels de ce projet (mieux connaître les populations, les maladies, les individus), et prédit que  2,700  genomes humain auront été complétés d'ici la fin du mois d'octobre 2010, qu'il y en aura 30,000 à la fin 2011 !

Nous sommes porteurs de 50 à 100  mutations liées à des maladies génétiques

Les premiers résultats  sont publiés dans Nature The 1000 Genomes Project Consortium. (2010) et une News & Views de R. Nielsen  ici en donne un résumé :  parmi de très nombreux chiffres qui peuvent intéresser l'enseignement, voici une sélection  : 
En moyenne chaque personne porte approximativement 250 à 300 variantes "loss-of-function" (qui produisent une protéine non fonctionnelle) et de 50 à 100 variantes connues pour être impliquées dans des maladies héréditaires.
Nous vivons plutôt bien cet état de fait (porteurs sains), car nous sommes hétérozygotes pour ces gènes et ces maladies sont récessives (ou il y a redondance des gènes). Chaque individu serait quand même homozygotes pour 30 mutations liées à des maladies génétiques.
A partir des deux trios, ils ont estimé le taux de mutation dans la lignée germinale ( ovules, spermatozoïdes) par substitutions de base (rate of de novo germline base substitution mutations) à environ 10−8 par paire de bases par génération.
Cela ferait quand même 30 mutations par génération pour notre génome de 3 milliards (109) si je ne me trompe pas...(merci à ceux qui m'ont signalé l'erreur ! )   Leurs résultats ici indiquent qu'un individu diffère typiquement de la séquence de référence (ici) par :
  • 10’000–11’000 sites non-synonymes : un changement de base dans un codon qui conduit à un acide aminé différent
  • 10’000–12’000 sites synonymes : un changement de base dans un codon qui ne change pas l'acide aminé correspondant.
  • 190–210 insertions/déletions (in-frame indels)
  • 80–100   codons stop prématurés
  • 40–50  variantes qui perturbernt les sites d'épissage (splice-site-disrupting)
  • 220–250 délétions qui décalent le cadre de lecture.
Ainsi ce projet permet d'un peu mieux qualifier cette diversité humaine et distinguer plus de significations dans ce pourcent inculte...  

Conclusion

Le contraste de certains de ces chiffres pourrait constituer des bonnes amorces pour des situation-problème : ils interpellent les élèves, suscitent des questions, révèlent des obstacles, ... (intranet.pdf)
On voit aussi qu'un chiffre n'a -en science- de sens que par rapport à une méthode de mesure. Qu'il est donc difficile, mais important d'apprendre à interpréter de manière critique toute information, meme celle de Nature ou Science...
"This is a very delicate time, and a dangerous time, as people start to come up with things that the general public, or the media, or various groups might misinterpret," Sabeti says. "I like the fact that, so far, the evidence we find for natural selection in humans is only skin deep."  Check Hayden, Erika, (2007)
Et finalement ces exemples illustrent qu'une connaissance n'est scientifique que si elle établit clairement la manière dont les données étayent l'affirmation.

Sources

  • Check Hayden, Erika, (2007), So similar, yet so different. Nature News 17 October 2007 | Nature 449, 762-763 (2007) | doi:10.1038/449762a
  • Geets, C. (2003). La peur de la différence. Pensee Plurielle, 5(2003/1), 7-16.
  • Gould, J., Gould, C., & Stamp Dawkins, M. (1994). The animal mind: Scientific American Library.
  • International Human Genome Sequencing Consortium. (2001). Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature, 409(6822), 860-921.doi:10.1038/35057062
  • Human genome: Genomes by the thousand| News Feature 27 October 2010 | Nature 467, 1026-1027 (2010) |doi:10.1038/4671026a
  • Miram, W., & Scharf, K. H. (1998). Biologie des molécules aux écosystèmes. Lausanne: LEP Loisirs et pédagogie.  p. 433
  • Morris, D. (1969). The naked ape: Dell.
  • Morris, D., & Morris, R. (1966). Men and apes: McGraw-Hill New York.
  • Nielsen, R. (2010). Genomics: In search of rare human variants. Nature, 467(7319), 1050-1051. doi:10.1038/4671050a 
  • Pollard, K. S., Salama, S. R., Lambert, N., Lambot, M.-A., Coppens, S., Pedersen, J. S., et al. (2006). An RNA gene expressed during cortical development evolved rapidly in humans. Nature, 443(7108), 167-172.
  • Skipper, Magdalena. (20190) Nature Podcast 28th October
  • Terrasson, F. (1997). La peur de la nature: Sang de la terre. doi:10.1038/nature05113
  • The 1000 Genomes Project Consortium. (2010). A map of human genome variation from population-scale sequencing. Nature, 467(7319), 1061-1073.| doi:10.1038/nature09534 
  • The Chimpanzee Sequencing and Analysis Consortium. (2005). Initial sequence of the chimpanzee genome and comparison with the human genome. Nature, 437(7055), 69-87.
  • V.B. (2008) D'un individu à l'autre les gènes diffèrent de 12% " Science et Vie Nov 2008 env. intranet.jpg
  • Vogel, G., & Angemann, H. (1970). Atlas de Biologie (M. Ricard, Trans.). Paris: Stock

mercredi 8 décembre 2010

Les mousses projettent plus loin leurs spores grâce a un "rond de fumée" !

Les spores projetées dans le vent grâce à un vortex

Une étude révèle que certaines mousses du genre Sphagnum projettent leurs spores comme un canon - les accélérant de 32'000g - et exploitent un phénomène aérodynamique qui les emporte à 15-20 cm, beaucoup plus haut que prévu : le frottement de l'air devrait les arrêter après quelques millimètres ! Une capsule qui se contracte en séchant, un opercule qui cède au moment crucial, et un tourbillon en anneau - un peu comme ceux des  ronds de fumée (un vortex) - permettent aux spores d'atteindre les couches d'air plus haut où le vent peut les emporter plus loin et assurer la dissémination efficace qui a permis à ces mousses de traverser les bouleversements de nombreux millions d'années.

La dissémination des spores ... un problème !

On sait combien la dissémination des spores est un problème pour les mousses : la couche d'air au raz du sol est presque immobile, même quand il y a du vent. On sent bien en se couchant dans l'herbe un jour de  bise que le vent diminue près du sol. Pour les mousses qui vivent dans les premiers millimètres, faire parvenir les spores le plus haut possible pour qu'elles trouvent un endroit au loin afin de s'y développer est décisif. Les mousses actuelles sont les descendantes de celles qui avaient des adaptations leur permettant de continuer à vivre ailleurs lorsque leur milieu a cessé d'être viable !
 
Fig 1 : Le sporange s'élève au-dessus du reste de la mousse.  [img]Source :F.Lombard 
 
Pour le genre Sphagnum (285 espèces), Whitaker, D. L., & Edwards, J. (2010) publient des chiffres intéressants (Extraits intranet.pdf) qui donnent la mesure du problème. Les spores (de 22 à 45 µm) retombent à une vitesse de 0.5 à 2cm/s : un  vent très légèrement turbulent suffit donc à les maintenir en l'air. Pour atteindre ces vents transporteurs, turbulents (à plus de 10 cm de haut)  il faut libérer les spores en hauteur  - c'est ce que permet la forme en lance (cf figure 1) de beaucoup de sporanges. Mais cela ne fait qu'un cm environ - et les projeter au loin donne beaucoup plus de chances de dissémination; c'est ce que discute l'article.

L'air est un frein énorme pour les spores

Parce que par rapport à nos tailles leur surface diminue seulement au carré et leur volume - donc leur poids - diminue au cube, les objets minuscules sont beaucoup plus soumis au frottement de l'air.  Le frottement dans l'air est donc énorme pour des spores , car il est lié à la surface (proportionnellement beaucoup plus grande par rapport au poids que pour nous). Rapporté à notre taille c'est comme si l'air était franchement visqueux. Ou, dit autrement, c'est comme si on essayait de jouer au foot ou au tennis avec des ballons de baudruche : même lancés à toute vitesse, il ralentissent très vite et retombent mollement. Les physiciens parlent de nombre de Reynolds faible : les forces de viscosité sont plus importantes que celles d'inertie (MacMahon, T. A., et al., 1983). Ainsi le frottement devrait limiter la distance que peuvent atteindre les spores à moins d'un cm. Cf fig 2. bleu et vert.
La distance parcourue selon les calculs balistiques en air calme (bleu et vert) et la distance observée du nuage points rouges et sa largeur triangles.
Fig 2 : A, B Fig 3 : Le sporange  se rétrécit et compresse l'air dans le bas du sporange  C La distance parcourue selon les calculs balistiques en air calme (bleu et vert) et la distance observée du nuage points rouges et sa largeur triangles. D Vidéo ultra-rapide (20'000 i/s)  de la libération massive des spores qui produit un tourbillon en anneau.  [img]Source : Whitaker, D. L., & Edwards, J. (2010)  
 
Un physicien et un biologiste américains  Whitaker, D. L., & Edwards, J. (2010) se sont associés pour publier dans Science un article ici qui analyse le cas de Sphagnum fimbriatum : les prédictions selon la balistique simple et les observations sont confrontés et mettent en évidence l'effet d'un vortex.  
Le sporange Fig 3A  se rétrécit en séchant et compresse l'air dans la partie inférieure (Fig 3B) à  des pressions de 200 à 500 kPa. Dans le même numéro Johan L. van Leeuwen (2010) décrit comment la pression finit par faire exploser l'opercule libérant les spores (20,000 à 240,000) que la pression de l'air propulse, comme dans un (minuscule) canon, avec une vitesse de libération de  16 ± 7 m s–1 et à une hauteur moyenne de 114 ± 9 mm. L'accélération est de 32'00g. Ça c'est du spore !(ok il est pas terrible, mais je pouvais pas laisser passer cette occasion de le placer...)
Pour se  faire une idée, une accélération de 2g est atteinte par les voitures de sport en F1 et les avions de chasse font subir  quelques 6g à leurs pilotes mais soutenus par des combinaisons spéciales... Des spores isolées lancées avec une vitesse initiale de 13 m s–1 ne culmineraient théoriquement qu'à 2 à 7 mm en moins de 0.5 ms. Alors que les chercheurs ont observé (Fig 4B à droite) qu'en 5 ms, elles parcourent un trajet de plus de 40 mm à la fin duquel elles se déplacent encore à 3 m s–1 Spore discharge.,,(A) Spore capsule of Sphagnum fimbriatum on a short stalk. (B) The wet spherical capsule becomes cylindrical by drying. Quick release of the lid triggers spore discharge by internal air pressure. The jet of spores and air rolls up into a turbulent ring vortex that carries spores up to 15 to 20 cm. (C) Air pressure (above ambient) rises nonlinearly with the volume fraction of spores (ηsc). Initial spore acceleration is highest for both low and high ηsc because of low spore mass or high pressure. Vspores/Vwall is the spore/wall volume ratio. Vertical tan line corresponds to the predicted optimum in spore content, similar to observed ηsc (2–4). Fig 4 : Sporange de Sphagnum fimbriatum (B) La capsule sphérique devient  cylindrique en séchant. La rupture de l'opercule libère les spores et la pression de l'air propulse les spores comme dans un canon. The jet of spores and air rolls up into a turbulent ring vortex that carries spores up to 15 to 20 cm. (C) Air pressure (above ambient) rises nonline.  [img]Source N. KEVITIYAGALA/SCIENCE  
Les auteurs expliquent que le vortex causé par la libération massive des spores - et d'air -  change le régime aérodynamique et produit un vortex - un tourbillon en anneau - (cf figure 5) qui accompagne le mouvement des spores à des hauteurs beaucoup plus élevées.

Des  vidéos des étapes de cette dissémination sont disponibles dans les Supporting Online Material  ici

Unique chez les végétaux ?

Des vortex sont produits par les méduses et les poulpes pour leur propulsion et les auteurs notent que c'est peut-être la première fois qu'on en décrit pour des plantes. Une telle dispersion facilitée par les vortex explique peut-être en partie le succès des Sphagnum, qui ont survécu à l'apparition des plantes vasculaires. Je me permets de noter que d'une certaine manière les mousses actuelles ont une évolution plus longue que les fougères, conifères ou plantes à fleur.  On pourrait dire de manière provocante qu'elles sont "plus évoluées" que les fougères ou les plantes à fleur... Histoire de montrer que toute tentative de voir l'évolution comme une ligne droite est incohérente.

L'aérodynamique du pollen : dispersion d'accord, mais la concentration ?

La question de l'aérodynamique de la dispersion du pollen est facilitée chez les gymnospermes et les angiospermes par la taille des arbres, mais à l'autre bout du trajet, pour le grain de pollen, se pose la question de la rencontre du gamète opposé - et surtout de la probabilité de cette rencontre. Surtout que le micropyle semble bien caché au fond des écailles. Là aussi (Niklas K. J. 1987) montre (cf fig 6) que d'efficaces tourbillons assurent la concentration du pollen juste sur le micropyle de l'ovule- un peu comme quand on remue une tasse de thé et que le sucre se concentre au fond et au centre de la tasse. Ou comme les particules de nourriture dans les branchies des moules probablement ! On pourrait se  demander si l'inventeur de l'aspirateur sans sac Dyson qui exploite des tourbillons similaires n'a fait que copier - ou réinventer - ce que les conifères font depuis des millions d'années...

[img intranet] et [img intranet]Fig 6  : L'aérodynamique de la pollinisation facilite la rencontre des gamètes. Source : Niklas K. J. (1987)
Là encore les hasards et la sélection ont produit des adaptations aux limites et parfois semblant dépasser les lois physiques ou les probabilités.

Sources

  • MacMahon, T. A., & Bonner, J. T. (1983). On size and life. Scientific American Books. 
  • Niklas K. J.. (1987). Aerodynamics of wind pollination. Scientific American July: 90-95. Trad : Pour la Science (1987) septembre  Extraits intranet.pdf
  • van Leeuwen, J. L. (2010). Launched at 36,000g.Science, 329(5990), 395-396. doi:10.1126/science.1193047
  • Whitaker, D. L., & Edwards, J. (2010). Sphagnum Moss Disperses Spores with Vortex Rings. Science, 329(5990), 406. doi : 10.1126/science.1190179  | Extraits intranet.pdf

lundi 29 novembre 2010

Semaine Internationale du cerveau


Le Neurocenter de l'Unige et L'Hopital cantonal de Genève (HUG) organisent durant la Semaine Internationale du cerveau des ateliers et des visites de laboratoires menant des recherches sur divers aspects du cerveau et de son fonctionnement.
On sait combien ces visites peuvent avoir un effet de motivation pour les élèves, surtout lorsqu'elles sont préparées – par des questions par exemple. 
  Elles peuvent aussi aider les élèves dans leurs choix pour leurs études.
Elles permettent également aux élèves de se faire une idée de ce qu'est un chercheur : découvrir que ce ne sont pas forcément des hommes et qu'ils n'ont pas tous des grosses lunettes voire une casquette à hélice sur la tête... une image qui ne donnerait pas envie de suivre cette carrière !


Fig 1 : L'archétype du savant fou : masculin et cinglé... Après on s'étonne de la désaffection des sciences notamment par les femmes. 

Alors que le programme grand public n'est pas encore publié les inscriptions pour les activités avec les élèves sont déjà ouvertes.  Jusqu'ai 18 février, mais les activités se remplissent assez vite.... Brochure pour les écoles

Semaine du           cerveau

Semaine Internationale du cerveau

La Semaine internationale du cerveau est une campagne d'information annuelle visant à attirer l'attention de chacun sur l'importance du cerveau et de la recherche sur le cerveau. Elle se déroulera en même temps dans de nombreux pays du monde, du 14 au 20 mars 2011. À l'occasion de cet
événement, des portes ouvertes pour les élèves et enseignants sont organisées par le Centre interfacultaire de neurosciences

Fig 2 : la semaine du cerveau 2011 : les inscriptions sont ouvertes .  [img]Source : Neurocenter

Comme l'année précédente, deux formules différentes sont proposées pour les classes:

Atelier de recherche (durée 1h30)

Les élèves abordent de manière réaliste les différentes étapes de la recherche. Ils tentent de résoudre un problème scientifique en élaborant une expérience et en analysant des données expérimentales avec l'aide d'un chercheur. Une visite de laboratoire est aussi prévue durant l'atelier. Le travail effectué est spécialement conçu pour les élèves des collèges mais utilise de véritables données scientifiques. Veuillez notez que pour certains ateliers, les élèves devront apporter une calculatrice. Merci de vous renseigner auprès de la personne responsable des inscriptions.

Visite de laboratoire (durée 45 min)

Comme les années précédentes, différents laboratoires accueillent les classes pour présenter leurs recherches et les illustrer à travers des démonstrations.
Pour toutes questions complémentaires, veuillez vous adressez à Mona Spiridon, tél: 022 379 5378, email: mona.spiridon@unige.ch



ATELIER DE RECHERCHE (durée 1h30)


Comment le sommeil influence-t-il notre mémoire émotionnelle?
Plus d'informations ...

Lieu: Centre Médical Universitaire, av. Champel 9
Inscriptions:
Virginie.Sterpenich@unige.ch
tél: 022 379 58 73
Comment notre cerveau perçoit-il les visages?
Plus d'informations ...

Lieu: Centre Médical Universitaire, av. Champel 9
Inscriptions:
Yann.Cojan@unige.ch
tél: 022 379 59 79
Peut-on prédire nos erreurs en mesurant l'activité cérébrale?
Plus d'informations ...

Lieu: Centre Médical Universitaire, av. Champel 9
Inscriptions:
Juliane.Britz@unige.ch
tél: 022 379 57 28
Peut-on observer la mise en place de nouvelles connections entre les cellules nerveuses ?
Plus d'informations ...

Lieu: Centre Médical Universitaire, av. Champel 9
Inscriptions:
Mathias.DeRoo@unige.ch
tél: 022 379 54 33
Comment arrive-t-on à toucher son nez dans le noir? Une sensibilité mal connue : la proprioception.
Plus d'informations ...

Lieu: Uni Mail, Blvd du Pont d'Arve 40
Inscriptions:
Clara.James@unige.ch
tél: 022 379 92 64
Pourquoi les fumeurs éprouvent-ils autant de difficultés à s'empêcher de fumer ?
Plus d'informations ...

Lieu: Uni Mail, Blvd du Pont d'Arve 40
Inscriptions:
Joel.Billieux@unige.ch
tél: 022 379 93 44
Nos émotions jouent-elles un rôle dans notre capacité à inhiber une réponse automatique?
Plus d'informations ...

Lieu: Uni Mail, Blvd du Pont d'Arve 40
Inscriptions:
Sebastien.Urben@unige.ch
tél: 022 379 90 85
Le raisonnement et ses pièges: quand tout le monde se trompe en étant sûr d'avoir raison
Plus d'informations ...

Lieu: Uni Mail, Blvd du Pont d'Arve 40
Inscriptions:
Caroline.Gauffroy@unige.ch
tél: 022 379 92 54
Comment identifier une cellule souche dans le système nerveux ?
Plus d'informations ...

Lieu: Sciences III, Quai Ernest-Ansermet 30
Inscriptions:
Jean-Marc.Matter@unige.ch
tél: 022 379 67 95


VISITE DE LABORATOIRE (durée 45min)


L'architecture du cerveau humain
Plus d'informations ...

Lieu: Centre Médical Universitaire, av. Champel 9
Inscriptions:
Antonia.Skrzat@unige.ch
tél: 022 379 53 48
Le cerveau est-il capable de se modifier à tout âge de la vie?
Plus d'informations ...

Lieu: Uni Mail, Blvd du Pont d'Arve 40
Inscriptions:
Celine.Buerki@unige.ch
tél: 022 379 93 03
La mémoire de travail de 8 à 88 ans
Plus d'informations ...

Lieu: Uni Mail, Blvd du Pont d'Arve 40
Inscriptions:
Delphine.Fagot@unige.ch
tél: 022 379 92 26
Phéromones et comportement: une question de récepteurs
Plus d'informations ...

Lieu: Sciences III, Quai Ernest-Ansermet 30
Inscriptions:
Chen-Da.Kan@unige.ch
tél: 022 379 31 02
L'imagerie de l'anatomie et du fonctionnement du cerveau
Plus d'informations ...

Lieu: HUG, rue Gabrielle-Perret-Gentil 4
Inscriptions:
Francois.Lazeyras@hcuge.ch
tél: 022 372 52 14
Les interfaces cerveau-machine: Contrôle d'une chaise roulante virtuelle par des signaux électrophysiologiques
Plus d'informations ...

Lieu: HUG, rue Gabrielle-Perret-Gentil 4
Inscriptions:
Rolando.Grave@hcuge.ch
tél: 022 372 83 23
Audition artificielle par implants cohléaires
Plus d'informations ...

Lieu: HUG, rue Gabrielle-Perret-Gentil 4
Inscriptions:
Marco.Pelizzone@hcuge.ch
tél: 022 372 84 20
Simulation d'une vision artificielle
Plus d'informations ...

Lieu: HUG, rue Gabrielle-Perret-Gentil 4
Inscriptions:
Jorg.R.Sommerhalder@hcuge.ch
tél: 022 372 84 20
Le cerveau malade
Plus d'informations ...

Lieu: Belle-Idée, ch. du Petit Bel-Air 2, Chêne-Bourg
Inscriptions:
Thierry.Steimer@hcuge.ch
tél: 022 305 65 11


samedi 13 novembre 2010

LDES - 30 ans 30 novembre !

Incontournable en Didactique des sciences ?

André Giordan a marqué la didactique de la biologie et des sciences, et ses travaux sur la nécessité de prendre en compte les représentations des élèves, la difficulté à les dépasser, mais aussi sur les questions vives et le rapport entre les sciences et la société ont marqué l'enseignement des sciences francophone.

Le LDES

Cherchant toujours à rapprocher la recherche en didactique de l'enseignement il a développé avec le LDES de nombreux évènements comme Les Journées de Chamonix, avec de nombreux autre comme Gérard De Vecchi, Charles de Carlini, les Zimmermann, et de nombreux autres qui ont passé dans son laboratoire, le LDES a publié de nombreux ouvrages;
Notamment :

30 ans sur l’apprendre

Le 30 novembre 2010, le LDES fêtera ses 30 années d’existence !... déjà… au service de l’apprendre. Bien sûr pour l’appropriation des savoirs scientifiques et technologiques, et par extension de l’environnement, de la santé et de la citoyenneté, mais pas seulement…
Le  30 novembre 2010,
le LDES fêtera ses trente ans... déjà !
à 18h15 / UniMail, salle MR080.


 30 ans / 30 novembre 2010
18h15 / UniMail salle MR080
LDES

Si vous êtes sur Genève et disponible, nous espèrons que vous pourrez nous rejoindre pour ce moment sympathique et pour la verrée qui suivra.
Si vous êtes disponible, nous espérons que vous pourrez nous rejoindre pour ce moment sympathique et pour la verrée qui suivra. Réponse souhaitée auprès de Catherine Hulda PAHUD FALCY pahudfa  at etu.unige.ch

André Giordan

jeudi 11 novembre 2010

Des photos à travers le microscope en classe ?

Des photos à travers le microscope en classe ?   

Exemple             de frottis sanguin réalisé par des élèves et photographié             avec un appareil numérique par l'oculaire. 
Fig 1 : Exemple de frottis sanguin réalisé par des élèves et photographié avec un appareil numérique simple par l'oculaire. [img] Les appareils courants munis de petits objectifs conviennent mieux et il  suffit de plaquer l'objectif de l'appareil sur l'oculaire et de le centrer. Source: Elèves du Collège Calvin 
 
Il existe de nombreuses solutions commerciales pour adapter un appareil de photo sur un microscope, elles sont chères, et de ce fait rarement utilisées par les élèves. Pourtant l'impact éducatif d'une photo qu'ils ont faite eux-mêmes de leurs propres cellules est très différent d'une photo dans un livre.  Or, les appareils numériques courants - de préférence les bon marché munis de petits objectifs – et ceux intégrés dans leurs téléphones conviennent souvent bien pour des photos à travers le microscope ou une loupe binoculaire : il  suffit de plaquer l'objectif de l'appareil sur l'oculaire et de le centrer. La netteté à l'infini se fait sans autres en général.
placer           l'appareil sur l'oculaire  
Fig 2 : plaquer l'objectif de l'appareil sur l'oculaire pour voir l'image.  [img]Source : F:lombard

La difficulté principale est de trouver - et de maintenir – une position qui aligne les axes optiques du microscope et de l'appareil de photo. Avec un peu de patience on finit par voir un cercle lumineux au centre.
l'agrandissement du microscope est souvent juste la zone           centrale de l'image
Fig 3 : Seule une zone centrale montre la coupe microscopique : pas très facile de centrer l'appareil.  [img]Source : F:lombard

La photo a en général besoin d'être recadrée pour sélectionner la partie utile. bien aligner           avec les doigts
Fig 4 : Plaquer  l'objectif de l'appareil sur l'oculaire et patiemment le centrer en maintenant l'alignement avec les doigts.  [img]Source : F:lombard

La qualité ou l'authenticité !

Evidemment ces photos n'ont pas la qualité de celles des ouvrages scolaires ou des sites  comme le microscope virtuel de l'UniGe, ou le  Visible Human Server qui permet de voir le corps humain en tranches dans tous les sens. Mais le fait que ces images soient celles de leur propres cellules a pour les élèves un effet incontestable sur la motivation et le sens qu'ils donnent à l'activité. D'aillerus rien n'interdit de montrer des images plus parfaites après, et d'aider l'élève à comprendre sa propre image en la comparant à une image de référence.

Dessin ou photo ?

Faut-il alors remplacer le dessin par la photo dans les laboratoires et TP ?  Il semble que certains l'envisagent, d'autres poussent des hauts cris.  Je pense que la question est mal posée : Il me semble plutôt qu'il faut chercher ...

...quel usage de la photo ET du dessin permet aux élèves de mieux apprendre ?

On pourrait par exemple faire légender des photos et établir un dessin-type à partir de nombreuses photos, ou étudier la photo de l'élève pour ensuite dessiner à partir du microscope les structures qu'il a alors compris être celles qui sont importantes , etc.

Liens

  • La main a la pâte créé à l'origine par Georges Charpak qui vient hélas de décéder propose ici un exemple d'activité sur le ténébrion martiant la photo et le dessin

dimanche 7 novembre 2010

A quoi servent les basophiles ?

Le rôle des basophiles découvert ?

Le frottis sanguin avec coloration des noyaux se pratique beaucoup dans les écoles et on y distingue assez facilement différentes sortes de globules blancs.  Les Basophiles s'observent parfois et sont mentionnés par de nombreux schémas des ouvrages éducatifs. Mais leur fonction n'est pas souvent mentionnée. Une nouvelle dans ScienceNow  par Leslie, Mitch, (2010).Obscure Immune Cells Thwart Ticks rapporte qu'on vient d'établir leur rôle crucial dans la résistance aux tiques.

basophile dans un frottis (source)http://www.unm.edu/~vscience/microscopy.htm <p>Resistance isn’t futile.           Immune cells called basophils help prevent ticks from drinking           their fill of blood</p><p&gt
Fig 1 : les basophiles : souvent mentionnés dans les ouvrages scolaires, mais leur rôle dans la résistance aux tiques commence à peine à être découvert. [img]Source Credit: Thinkstock

Des globules faciles à observer mais difficiles à expliquer ?

Certains élèves (ceux qui ont encore la curiosité de s'interroger sur ce qu'on leur propose... rassurez-moi qu'il y en a encore !) s'étonnent qu'on fasse tant de cas de distinguer au microscope des types cellulaires qui ne sont plus mentionnés par la suite dans l'immunité où les Lymphocytes B et T occupent l'avant-scène.



Fig2 : Les basophiles sont un des types cellulaires souvent mentionnés dans les ouvrages scolaires. wikimedia

Le frottis sanguin (figure 3) montre facilement divers types cellulaires et en général on associe à chaque type une fonction...

pour faire             le frottis, c'est en poussant que l'étalement est le             meilleur
Fig 3 : Le frottis sanguin. Notez l'importance d'éviter les doigts froids. Et de pousser pour que l'étalement soir optimal [img] Source: Mireille Sacroug pour l'image du haut et
http://www.cytopath.co.uk pour celle du bas 

Pour les globules rouges et les plaquettes, c'est facile.  Pour les globules blancs on a ce paradoxe que leur apparence - notamment les formes exubérantes du noyau - focalise l'intérêt des élèves, notamment les raisons de l'importance énorme du noyau et de ces formes complexes sur des types qu'on étudie ensuite peu.

Les plus intéressants méconnus !

Si l'on tente parfois d'aider les élèves à distinguer les neutrophiles des basophiles parmi ces formes remarquables, les lymphocytes paraissent un peu fades.  On ne distingue pas visuellement les lymphocytes B et T qui sont si importants en immunologie. Et on ne parle guère des mastocytes que si on étudie l'allergie. En somme les catégories observées ne correspondent pas bien à celles qui auront de l'importance dans le reste du cours. (Comment immortaliser ce qu'on voit au microscope sera discuté dans une bio-tremplins prochaine. ) Donner la fonction de ces catégories visibles n'était donc pas facile.
granulocytes
Fig. 4 : les types cellulaires les plus  visuellement
prégnants ne sont pas les plus faciles à expliquer.[img] Source:http://www.aamdsglossary.co.uk/

La fonction des Basophiles élucidée ?


Beaucoup d'animaux développent une résistance partielle aux tiques : la deuxième attaque est moins efficace. Une étude de Wada, Takeshi ,et al. (2010) dans le The Journal of Clinical Investigation (ici) révèle que les basophiles (Ils ne sont qu' 1 % selon Karasuyama, H. et al. (2009) ) sont nécessaire pour cette résistance : Ils ont observé que lors de la première attaque de tique on observe peu de basophiles vers la piqûre, mais lors d'attaques successives, de très nombreux basophile se rassemblent autour des pièces buccales de la tique. Ils ont tenté de supprimer les basophiles chez des souris attaquées par des tiques : d'abord avec des anticorps contre les basophiles et la résistance aux tiques a disparu. Mais comme ces anticorps ciblent aussi les mastocytes, le rôle  des basophiles n'était pas encore établi. Ils ont alors produit des souris chez lesquelles  on pouvait inactiver pour quelques jours les basophiles seulement. (Ces cellules portent un récepteur à une toxine diphtérique qu'on peut injecter pour les détruire lors de l'expérience. Ils sont refabriqués en quelques jours.)

Nécessaires, mais non suffisant

Le  résultat est clair : les basophiles sont indispensables pour cette résistance aux tiques. Les auteurs le disent très prudemment  "Selective ablation of basophils in mice reveals their nonredundant role in acquired immunity against ticks" Ils montrent que les mastocytes sont aussi nécessaires dans cette résistance, mais que les basophiles seraient utiles dans le déclenchement de la réaction. Selon Leslie, Mitch,  ces travaux font partie d'un intérêt croissant sur le rôle des basophiles pour orchestrer la réponse immunitaire contre les vers parasites et  pour déclencher la réaction contre les bactéries. Ainsi ce que l'on peut dire aux élèves est plus complet, mais pas plus simple ! Ainsi va la science...

Sources

Colloque Wright : la révolution quantique

De la belle science accessible a tous
Même si ce n'est pas de la biologie cette année, le thème de ce colloque  est passionnant, et les conférenciers de très haut niveau !

En général,  les conférences sont accessibles en vidéo après coup à partir du site web


Au début du 20e siècle, une révolution d'envergure comparable à la découverte des lois universelles de la mécanique et de la gravitation par Newton trois siècles plus tôt ébranle la physique.
Une nouvelle description du monde s'impose: notre univers n'est plus immuable et déterminé mais soumis au hasard, traversé par des ondes de matières incessantes. Cette vision est si radicale qu'elle choque l'intuition et donne lieu à de féroces débats, poussant Albert Einstein, un des acteurs majeurs de cette nouvelle donne, à affirmer que «Dieu ne joue pas aux dés».

Malgré les intenses débats qui ont présidé à ses débuts, la mécanique quantique s'est rapidement révélée être un outil d'une redoutable efficacité pour comprendre et prédire toute une foule de phénomènes nouveaux. Son succès a été tel qu'elle est rapidement sortie des laboratoires de recherche pour entrer dans le champ du quotidien. Elle a par exemple permis de comprendre pourquoi certains matériaux sont isolants, tandis que d'autres conducteurs; elle a rendu possible la découverte des transistors, lesquels sont au fondement de l'électronique moderne. Elle a permis de comprendre pourquoi certains matériaux supraconducteurs avaient la propriété surprenante de transporter du courant sans aucune perte, ouvrant la voie à des avancées tant en imagerie médicale que dans le domaine de la consommation énergétique. D'autres conséquences de cette théorie ont débouché sur la réalisation d'horloges atomiques d'une précision telle qu'elles n'accumuleraient tout au plus que quinze secondes d'erreur depuis le début de l'univers, et qu'elles ont abouti à la conception et à l'implémentation du système de positionnement GPS par satellites.

Après un siècle d'existence, à l'aube du 21e siècle, la mécanique quantique n'a rien perdu de son pouvoir de surprendre. Ce sont à présent ses aspects les moins intuitifs qui sont l'objet de travaux de recherches. Des applications spectaculaires en découlent, comme la téléportation de grains de lumière ou la possibilité, prédite par le grand physicien Richard Feynman, de réaliser un jour des ordinateurs différents de ceux que l'on connaît actuellement, des machines révolutionnaires capables de traiter un nombre gigantesque d'opérations en parallèle.

Ce colloque Wright sera pour nous l'occasion et la chance d'explorer, en compagnie de cinq très grands spécialistes internationaux de ce domaine, quelques-uns des aspects fascinants de la mécanique quantique. Nous verrons avec quelle efficacité la physique des quantas est capable de décrire notre monde, et aborderons également la question de ses limites lorsque celle-ci se voit confrontée à l'infiniment petit, notamment lors d'expériences menées au CERN, ainsi qu'à l'infiniment grand des espaces intersidéraux. Nous verrons comment la mécanique quantique a déjà profondément changé notre vie de tous les jours, et comment de nouveaux domaines tels que l'information quantique ou les ordinateurs quantiques seront susceptibles de modifier en profondeur notre vie de demain.

L'aventure quantique ne fait que commencer!
Lundi 15 novembre 2010 - 18h30
Jochen Mannhart
Center for Electronic Correlations and Magnetism,
University of Augsburg, Germany
LA PHYSIQUE QUANTIQUE À L'ÉCHELLE DU QUOTIDIEN
Mardi 16 novembre 2010 - 18h30
Wolfgang Ketterle
Nobel Laureate 2001 (Physics), Department of Physics,
Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, U.S.A.
LORSQUE LE FROID GLACIAL N'EST PAS ASSEZ FROID 
LES NOUVELLES PROPRIÉTÉS DE LA MATIÈRE
AUX FRONTIÈRES DU ZÉRO ABSOLU
Mercredi 17 novembre 2010 - 18h30
David Gross
Nobel Laureate 2004 (Physics), Kavli Institute for Theoretical Physics, University of California, Santa-Barbara, U.S.A.LA MÉCANIQUE QUANTIQUE DU (TOUT) PETIT 
ET DU (TRÈS) GRAND

Jeudi 18 novembre 2010 - 18h30
Alain Aspect
CNRS senior scientist and Professor Institut d'Optique
and Ecole Polytechnique Palaiseau, France.
DE L'INTUITION D'EINSTEIN AU QUBIT:
VERS UNE NOUVELLE ÈRE QUANTIQUE?

Vendredi 19 novembre 2010 - 18h30
Rainer Blatt
Institute of Quantum Optics and Quantum Information,
Austrian Academy of Sciences and University of Innsbruck, Austria
REPENSER L'INFORMATIQUE À L'AIDE DES QUANTAS 

mercredi 27 octobre 2010

Courir pieds nus moins d'impact à cause de l'évolution ?

Pour courir il suffit d'une paire de chaussures...

courir-souplePeut-être même pas, selon D. Liebermann un évolutionniste de Harvard, rapporté dans une News de Nature par Buchen, Lizzie (2010) (A softer ride for barefoot runners) : on pourrait courir même mieux - plus souplement en tous cas – pieds nus. Il montre que ceux qui courent depuis longtemps sans chaussures ont un mouvement qui déroule plus le pied et l'impact produit des forces plus régulières avec moins de pics. Il suggère même que cela pourrait causer moins de blessures. J'y pense souvent en entendant les hauts talons d'une voisine de bureau claquer de son pas décidé sur le sol du couloir...  
Fig 1 : La souplesse du mouvement "rond" qui déroule le pied serait plus important que les chaussures pour limiter les impacts.[img]Source :  F.Lombard

Arrondir le mouvement du pied ? 

A l'opposé de ces considération esthétiques qui justifient les hauts talons, un trend ergonomique récent parait être ces chaussures à la semelle très arrondies rocker sole, qui s'inscrivent dans une mouvance revendiquant le naturel, mais dont le lien avec les travaux de Liebermann n'est pas clair. Ses résultats ne comparent pas ce type de chaussure à d'autres, mais suggèrent plutôt que l'arrondi doit provenir du déroulement du pied et non de la chaussure qui ne pourrait pas amortir un choc sur le talon.
Fig 2 : Un trend dans la chaussure semble être des chaussures aux semelles arrondies "rocker sole" .[img]Source : Ryn: walkwithoutpain.blogspot.com

La course d'endurance : un facteur décisif de notre évolution ?

Dans une autre publication, Bramble, D. M., & Lieberman, D. E. (2004) (Endurance running and the evolution of Homo) ont aussi défendu l'ancrage évolutif de la course à pieds nus : parce que nous courons à pied nus depuis des centaines de milliers d'années nous avons développé une harmonie entre la structure du pied et la dynamique de la foulée. Nous supportons plutôt bien la comparaison pour l'endurance avec d'autres animaux  et notre squelette en porte des traces claires. Lieberman illustre son propos par une video où on le voit  courant pieds nus sur des trottoirs enneigés. Ainsi la course d'endurance serait un facteur décisif de notre évolution, développé peu après la séparation d'avec les chimpanzés et aurait joué un rôle pour déterminer notre structure. Reprenons en détail les deux arguments et leur étayage par les données.

Courir pied nus pour courir plus doux ?

South,           Africa's, Dina Phalula Fig 3 : Ceux qui ont l'habitude de courir pieds nus amortissent naturellement l'impact en atterrissant sur la "paume" du pied, plutot que le talon. [img]Source :Rick Rycroft/AP Photo.
 
Lieberman et son équipe (Foot strike patterns and collision forces in habitually barefoot versus shod runners) ont effectué une analyse bio-mécanique de coureurs d'endurance sur un tapis équipé de capteurs de force, avec des coureurs qui courent pieds nus depuis longtemps (Habitués à courir pieds nus = HCPN) et des habitués à courir chaussés (= HCC) ainsi que des convertis récents à la course pied nus.  (Lieberman, D. E., et al., 2010) Lieberman dit que la première fois qu'un coureur habitué à courir pieds nus s'est élancé sur son appareil,  il a été très surpris : le pic de forces habituel lors de l'impact était absent. (Trad. personnelle) Il a alors comparé trois groupes de personnes : des coureurs de fond qui courent pieds nus depuis longtemps (Habitués à courir pieds nus = HCPN), des coureurs de fond habitués à courir chaussés (HCC), et des coureurs de fond habitués à courir chaussés qui courent pieds nus (HCCPN) Cette comparaison a révélé que ceux qui courent pieds nus depuis longtemps (HCPN) produisent des impacts au sol beaucoup plus doux : le pied frappe le sol par l'avant fore-foot strike (FFS), plutôt que par le talon rear-foot strike (RFS). La majorité ( 75–80%) des coureurs de fond habitués à courir chaussés (HCC) impactent le sol par le talon en premier (RFS) : cela produit des forces de réaction du sol de l'ordre de 1.5 à 3 fois le poids corporel durant les 50 premières millisecondes : cette brutale montée de la force se manifeste par un pic sur la figure 4.a. On voit que les coureurs HCPN produisent des forces qui varient plus régulièrement cf Fig 4.c . Si on regarde seulement les pics des premières millisecondes, leurs mesures révèlent que la force d'impact est 0.58 ± 0.21 poids corporels chez les habitués du pied nu (HCPN) qui déroulent le pied (FFS), soit 3 fois moins que les habitués à courir chaussés qui impactent sur le talon (RFS) soit quand ils courent pieds nus HCCPN (1.89 ± 0.72 body weights )  ou chaussés (HCC) (1.74 ± 0.45 body weights). Lieberman, D. E., et al. (2010) a, RFS during barefoot heel–toe running; b, RFS,   during shod heel–toe running; c, FFS during barefoot,   toe–heel–toe running. Both RFS gaits generate an impact,   transient, but shoes slow the transient’s rate of   loading, and lower its magnitude. FFS generates no   impact transient, even in the barefoot condition.
Fig 4 : Comparaison de  la dynamique du pied lors de la course à pied de coureurs habitués a courir pied nus ou chaussés. Les coureurs habitués à courir pied nus (c) produisent moins de pics des forces lors de l'impact du pied sur le sol (notez bien l'absence de pic dans les premières 50 millisecondes) que ceux qui sont chaussés (b) ou lors de course à pied nus de coureurs habitués à courir chaussés (a). La force de l'impact au sol, même avec une semelle amortissante atteint jusqu'à trois fois le poids du coureur. Ceux qui touchent le sol par l'avant (FFS) ne subissent des forces que de 0.6x leur poids. [img]Source :Lieberman, D. E., et al. (2010)

Utiliser la flexion de la cheville pour réduire l'impact

Lieberman montre donc que la force de l'impact au sol par le talon (RFS), même avec une semelle amortissante est beaucoup plus grande que chez ceux qui touchent le sol par l'avant (FFS) (comme les HCPN) déroulent le pied avec une flexion de la cheville – permettant aux tendons et muscles du pied et du mollet de fonctionner comme des amortisseurs. Il pense que cela pourrait expliquer les fréquentes blessures de la course a pied, mais Lizzie Buche dit que ce lien doit encore être démontré.  Bramble pense que la course chaussée ne profite pas des possibilités d'amortissement de notre membre inférieur et que cela augmente les risques de blessures. "Ignorer comment nous avons évolué et comment nos corps sont faits pour fonctionner est un jeu dangereux " dit-il.

L'évolution de notre squelette lié à la course de fond

Bramble, D. M., & Lieberman, D. E. (2004) ont proposé que les particularités de notre anatomie telles que les jambes longues, la taille très accrue du Gluteus maximus – le muscle de la fesse–,  les orteils courts, et la cambrure du pied sont liés à la course de distance et ont permis à nos ancêtres de poursuivre et à la longue d'attraper des proies épuisées. Figure 3: Anatomical             comparisons of human, chimpanzee, H. erectus and A.             afarensis.,Figure 3 : Anatomical comparisons of human,             chimpanzee, H. erectus and A. afarensis. Unfortunately we             are unable to provide accessible alternative text for this.             If you require assistance to access this image, or to obtain             a text description, please contact npg@nature.com,,a, c,             Anterior and posterior views of human, enumerating features             related to endurance running listed in Table 1. b, d,             Anterior and posterior views of chimpanzee. Labelled muscles             connect the head and neck to the pectoral girdle and are             reduced or absent in humans. e, Reconstruction of H. erectus             based primarily on KNM-WT 15000 (from refs 4, 65); f,             reconstruction of A. afarensis based primarily on AL-288             (from refs 4, 66).

Fig 5  : Comparaison du squelette humain et d'autres primates vivant ou fossiles. a, c, humain, avec les structures liées à la course d'endurance mises en évidence. b, d, Chimpanzé. e, Reconstruction de H. erectus ; f, reconstruction de A. afarensis.  [img]Source : Bramble, D. M., & Lieberman, D. E. (2004)
Ainsi la course d'endurance serait un facteur décisif de notre évolution et non seulement une station dressée qui libère la main comme on l'a souvent envisagé.

Pas si mauvais que ça à la longue...

La vitesse de sprint de l'humain n'a rien d'exceptionnel, mais les auteurs montrent que la vitesse de course d'endurance d'un humain très bien entraîné( jusqu'à  6.5m/s pour des athlètes d'exception) est exceptionnelle pour un primate et  supérieure à la vitesse de trot de la plupart des animaux de taille comparable cf Fig 5a . Un  quadrupède de la taille d'un humain (65kg) trotterait vers  2.8 m/s, passerait au galop vers 3.8 m/s. La course des humains excède donc la vitesse de trot préférée  (3.1 m/s) et la transition au galop  (4.4 m/s) des poneys (110–170kg), et même pour une bête de 500 kg. Comme les quadrupèdes se fatiguent au galop, les auteurs argumentent que sur de très grandes distances les ancêtres des humains finissaient par les rattraper leurs proies.
a, Range of speeds for human ER and sprinting, and minimum trot (Tm), preferred trot (Tp), trot–gallop transition (T–G), preferred gallop (Gp), and maximum sustained gallop (Gms) for ponies (ref. 26), and predicted for quadrupeds of 65 and 500 kg (ref. 25). Also indicated is Gld, the optimal long distance (approx 20 km), daytime galloping speed for horses (ref. 27). Note that quadrupeds sprint at speeds above Gms. b, Comparison of the metabolic cost of transport (COT) in humans and ponies9,16,17. Both species have U-shaped COT curves for walking, and trotting has a similar-shaped curve in the horse, but the human COT is essentially flat at ER speeds. Preferred speeds (dotted rectangles) correspond to the most energy-efficient speeds in horses and walking humans, but speed selection is unrestricted in human ER. Note also that human running, like quadrupedal trotting, involves synchronized movements of diagonally opposite appendages (dots).
Fig 6 : a) La course d'endurance des meilleurs humains (bleu) dépasse en vitesse la vitesse de trop soutenu de nombreux mammifère (bleu). b) La course a pied maintient une efficacité sur une large gamme de vitesses, alors que les quadrupèdes ont une courbe d'efficacité en U et donc une vitesse optimale marquée (rectangle pointillé).Les humains peuvent dépasser cette vitesse optimale à la course d'endurance.  COT Coût métabolique du déplacement en ml d'O2 par kg et km  [img]Source : Bramble, D. M., & Lieberman, D. E. (2004).

En science... on n'affirme que ce dont on est sûr.

Une lecture rapide de ces articles suggère que la sélection naturelle aurait favorisé des structures anatomiques et une démarche de course à pieds nus. Ainsi la course chaussée serait contre-nature et expliquerait pas mal de blessures. Pour décider de manière scientifique si ces résultats valident bien ces conclusions, il faut comprendre comment ils ont été établis, mais aussi établir la solidité du lien avec les conclusions. Ces résultats sont très convaincants "compatibles avec les données ", mais est-ce  bien la seule explication possible de ces données ? Lizzie, Buchen, note en effet que le fait que nos ancêtres couraient en déroulant le pied (FFS) ne prouve pas que ce soit idéal pour nous qui grandissons avec des chaussures. Il n'y a pas de preuve claire que les chaussures actuelles protègent des blessures, mais il n'y en a pas non plus que ceux qui courent actuellement a pied nu auraient moins de blessures, ajoute-t-elle. Pour en être sûr il faudrait établir que c'est la seule conclusion possible pour ces données. De fait cela place la barre de la certitude bien plus haut. Et explique pour quoi la manière scientifique de valider produit des certitudes moins grandes que la foi ou la politique.
Enfin ... en principe... :-)

Sources :