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Charles Darwin Portrait
Bien mal comprise est la notion d’évolution au sens biologique. En effet, contrairement à l’interprétation populaire, l’évolution n’est pas la métamorphose (même partielle) d’un individu en un individu plus avancé.

Pour commencer, un individu n’évolue pas : un singe ne peut jamais devenir un être humain simplement en « évoluant ». Les caractéristiques d’un être vivant sont déterminées par son ADN et celui-ci ne change pas au cours de sa vie. Un individu reste donc tel qu’il est et ne changera pas (hormis, bien-entendu, les effets du vieillissement).

Quand on parle de l’évolution, on désigne l’évolution d’une population d’individus au fil des générations.

Prenons par exemple un ours brun vivant dans les montagnes d’une région tempérée. Son pelage brun est parfaitement adapté à la vie dans la forêt : le brun se fond dans l’ombre des sous-bois et permet de chasser sans se faire repérer. La couleur du pelage est déterminée par un gène présent sur l’ADN des ours de cet espèce.
Imaginons maintenant que, lors d’une division cellulaire, le gène responsable de la couleur du pelage soit accidentellement modifié et que la production du pigment brun ne soit plus codé. À ce stade, les conséquences de cette mutation sont nulles. Au mieux, le changement dans une seule cellule de l’ours va modifier la couleur d’un seul poil de l’ours.

En revanche, et c’est là que ça devient intéressant, si cette mutation intervient dans un gamète de l’ours, et que ce gamète est celui qui soit sélectionné quand l’ours va se reproduire, alors toutes les cellules de l’ourson porteront cette modification. L’ourson aura un pelage entièrement blanc : aucune des cellules ne pourra produire le pigment brun.
Si l’ours a deux oursons, la modification sur l’ADN n’ayant été opérée que sur un seul gamète, seulement un ourson sera blanc. L’autre sera brun.

Dans l’environnement de la montagne et de la forêt, un pelage blanc n’est clairement pas adapté pour la chasse ou pour se cacher. Un ourson blanc sera très nettement défavorisé, et sa survie alors largement compromise. Si l’ourson blanc ne survit pas suffisamment longtemps pour lui-même se reproduire, alors le gène du pelage blanc n’est jamais transmis. C’est donc l’environnement et l’habitat naturel qui détermine si une nouvelle caractéristique est intéressante ou non pour une question de survie. Dans ce cas là, c’est l’environnement qui conditionne le maintient d’une caractéristique au sein d’une espèce vivante.

Si maintenant le climat se refroidit, et que la montagne devient de plus en plus enneigée et donc blanche, alors ce sera l’ourson blanc qui a le plus de facilité pour chasser. L’ourson blanc aura donc beaucoup plus de chances de survivre que son frère au pelage brun. Il aura plus de chances d’arriver à l’âge adulte et se reproduire, et donc de transmettre son gène de « blancheur ».
On comprend donc facilement qu’au bout de plusieurs générations, les ours les plus enclins à survivre dans un environnement enneigé et à se reproduire sont ceux qui ont le pelage blanc. Au fil du temps, c’est toute la population d’ours qui va avoir un pelage blanc.

Comme on le voit, à aucun moment un ours particulier n’a subitement changé de couleur. Le changement de couleur s’est fait par la descendance et au fil des générations, le tout conditionné par l’environnement et des ours.

L’évolution selon Darwin fonctionne de cette façon : les caractéristiques d’une espèce apparaissent de façon aléatoires et c’est l’environnement qui détermine si cette caractéristique va subsister dans l’espèce ou simplement disparaître.

Maintenant, il y a beaucoup d’autres facteurs que le climat qui puisse influer sur le maintient ou non d’une nouvelle caractéristique chez une espèce : si une espèce de plantes dispose d’un forme particulière, certains insectes vont vouloir se cacher parmi ces plantes pour échapper aux prédateurs ; c’est ainsi qu’on trouve les phasmes, qui sont des insectes s’étant adaptés pour ressembler à des plantes :

un phasme
Le phasme, un insecte qui a évolué vers l’apparence d’une plante pour échapper à l’attention des prédateurs (image)

Dans d’autres cas, c’est la fleur qui va s’adapter aux insectes. On voit ainsi certaines fleurs ressembler à certaines espèces d’abeilles : l’insecte, leurré, va être attiré par la plante et effectuer la pollinisation pour la plante :

the bee orchid
L’Ophrys abeille, une orchidée qui a pris la ressemblance d’une abeille (image)

Dans certains cas, c’est l’homme (en particulier) qui sélectionne les individus d’une espèce et les fait ses reproduire entre eux, afin d’affiner les caractéristiques de cette espèce. C’est ainsi que la domestication des loups ou des chats il y a quelques milliers d’années a permis d’en « créer » des gros, des petits, des mignons, des poilus, des forts, des rapides à la course… Même chose pour l’agriculture : en sélectionnant les épis de céréales qui ont donné le plus de grain, on peut avoir, année après année, des plantes qui produisent de plus en plus.

Tout ceci a été de la manipulation génétique aussi, mais elle est aléatoire et incontrôlée : on peut simplement avantager certains caractères dans la descendance d’une espèce vivante, mais pas les créer ou les forcer.
Pour créer et forcer l’expression d’un gène particulier (et donc d’une caractéristique particulière) dans un individu, on utilise les organismes génétiquement modifiés. On peut ainsi rendre une plante résistante à un insecte, ou transplanter un gène d’une espèce à une autre : il existe des chèvres avec un gène d’araignée, qui produisent du lait riche en protéine de soie, ou encore des lapins fluorescents dans le noir (grâce à un gène trouvé sur une méduse). Ceci est possible parce que tous les êtres vivants sur cette planète partagent le même support de base pour l’information génétique : l’ADN.

Ceci confirme également l’idée selon laquelle tous les êtres vivants sont issus d’une même espèce vivante initiale (une simple cellule), et dont les individus se sont lentement différentiés en plusieurs espèces au fil des éons.

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two fish
Quand il fait froid, les lacs, les canaux et les rivières peuvent également geler et de recouvrir d’une importante couche de glace.

Ceci nous amène à la question : comment les poissons survivent-ils l’hiver, sans geler ?

C’est la question que personne ne se pose mais qui permet d’introduire une des (nombreuses) particularités de l’eau par rapport à pratiquement tous les autres liquides.
De façon générale, la densité d’un liquide varie avec la température. Généralement, la densité maximale est atteinte au point de fusion. Pour l’eau et une poignée d’autres liquides, ce n’est pas le cas. La densité maximale de l’eau est ainsi atteinte à +3,98 °C.

Dans un lac où les couches d’eau sont empilées par densité, le fond (le plus dense) est à 3,98 °C. En hiver, l’eau à 0 °C, moins dense, se retrouve à la surface et gèle, formant une couche de glace recouvrant le lac.

De plus, et ceci est vrai pour tous les liquides, quand un matériau passe à l’état de solide, il libère une importante quantité de chaleur appelée chaleur latente (c’est ce qui est mis à profit dans les chaufferettes de poche). Cette chaleur part dans l’eau et empêche toute la rivière de geler d’un seul coup. C’est aussi ça qui permet au lac gelé de rester globalement entre 0 et 3,98 °C durant plusieurs mois alors que l’air peut descendre jusqu’à −10 ou −20 °C.

Les poissons, eux, survivent en restant au fond de la rivière, là où il fait 3,98 °C.

En été, il se produit l’opposé : le fond le plus dense est toujours à 3,98 °C, mais les couches au dessus sont alors plus chaudes (également moins denses). Là également, les poissons vont préférer rester au fond de la rivière où la température est stable.
Les poissons disposent donc tout au long de l’année, au fond du lac, une région où la température est constance et évidemment toujours liquide.

La nature est bien faite, non ?

photo de Anita Hart

(Cet article a initialement été publié sur Le Hollandais Volant. J’ai décidé de le déplacer ici, avec ses commentaires)

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a filament light bulb
La lumière c’est ce que l’on voit et sans elle il ferait complètement noir. En physique, il s’agit d’un objet d’étude particulièrement intéressant : classiquement il peut être vu comme un phénomène ondulatoire ou comme une particule. La lumière constitue une forme d’énergie se trouvant en déplacement entre une source qui la produit et un récepteur qui va l’absorber.

Dans cet article, c’est l’émission qui nous intéresse, et on va voir comment de la lumière peut être produite. Vous verrez que, à cause de sa nature, il y a beaucoup de façons de la produire : étant une forme particulière d’énergie, il suffit d’une simple conversion à partir d’une autre forme d’énergie pour l’obtenir.

Pour commencer, il y a deux façons de produire de la lumière : l’incandescence et la luminescence. La luminescence regroupe beaucoup de « sous-méthodes » différentes, bien que le phénomène de fond reste identique.

L’incandescence

C’est sûrement la méthode de production de lumière la plus connue (et la plus ancienne) : une bougie, une torche, une lampe à filament de tungstène produisent de la lumière par incandescence. Il s’agit d’une émission de lumière due à la température du corps qui l’émet.
Le corps humain, par exemple, à une température de 37 °C, produit de la lumière par incandescence, mais cette lumière étant dans l’infrarouge, l’œil nu ne peut pas la voir. Une caméra thermique en revanche s’en charge très bien.

Dans le cas d’une flamme, la température atteinte est bien plus importante (jusqu’à 1 200 °C pour une bougie) et la lumière émise possède alors une énergie bien plus importante. Cette lumière là se trouve dans le domaine du visible : c’est la raison pour laquelle une bougie nous éclaire.

Physiquement, il s’agit de la loi de Wien : tout corps dit « noir » émet un rayonnement électromagnétique dans toutes les fréquences, mais la fréquence qui prédomine est définie par sa température.
Un acier chauffé au rouge (900 °C), une flamme jaune d’une bougie (1 200 °C) ou une étoile bleue (10 000 °C) ont des rayonnements respectifs de plus en plus énergétiques car la température est de plus en plus importante.

La luminescence

L’incandescence constitue une forme particulière d’émission de la lumière, due à la température.
Tous les phénomènes qui suivent, en revanche, sont des variantes de l’émission par luminescence qui ne provient pas d’un échauffement ; on les appelle parfois des « lumière froides ». Il s’agit à chaque fois de l’émission d’un photon par un électron de la matière possédant un excédant d’énergie par rapport à son état le plus stable. Ce qui change dans les différents cas, c’est simplement l’origine de cet excédant d’énergie.

La fluorescence

La fluorescence est responsable de l’effet observé d’un marqueur « fluo » : l’encre du feutre semble émettre de la lumière !
En pratique, le rayonnement ultraviolet présent dans la lumière naturelle est un rayonnement à haute énergie qui excite les électrons de certaines molécules, dont ceux de la pyranine utilisée dans les marqueurs fluo. C’est lorsque ces électrons se désexcitent qu’ils perdent leur excédant d’énergie sous la forme d’un photon de lumière.

Un effet identique est observé sur vos chaussettes blanches quand vous marchez sous de la lumière noire : la lumière noire (qui n’est autre que de l’UV) excite les pigments blanchissants présents dans vos vêtements et c’est lorsque ces pigments se désexcitent qu’un rayonnement lumineux est émis.
Même chose pour les vases et les verres en ouraline) : ce sont de vieux objets datant du début du XXe siècle constitué d’un verre dans lequel on a incorporé des sels d’uranium. Ici ce sont ces sels qui ont un effet fluorescent sous une lumière UV. Avant que les dangers de l’uranium sur la santé n’étaient avérés, la vaisselle en ouraline était très prisée et jolie.

La thermoluminescence

Bien qu’il soit question de température ici, ce n’est pas la même chose que l’incandescence. Ici un faible échauffement suffit à émettre un rayonnement plus énergétique que la source de chaleur elle-même : les électrons sont à un niveau d’énergie intermédiaire acquise au fil du temps par un échauffement. La chaleur les fait monter de niveaux d’énergie d’où ils redescendent en émettant une lumière.

L’énergie acquise au fil du temps provient de chaleur naturelle (magma, échauffement radioactif…) ou artificielle (poteries cuites par les civilisations préhistoriques). Comme c’est le temps qui détermine la quantité d’énergie que le matériau contient à un instant donné, la mesure de la thermoluminescence permet de déterminer l’âge de l’objet depuis son dernier refroidissement. L’énergie acquise lors de cet échauffement met ensuite jusqu’à des milliers d’années pour être évacuée totalement et c’est l’énergie restante que l’on mesure alors.
La méthode de datation des objets préhistoriques par thermoluminescence comme les poteries cuites utilise cette méthode là où le carbone 14 ne suffit plus.

La chimioluminescence

L’énergie d’excitation des électrons est livrée ici des suites d’une réaction chimique. En se réarrangeant au sein de nouvelles molécules, les atomes gagnent en stabilité en évacuant une partie de leur énergie. Cette énergie est généralement émise sous forme de chaleur (vibration des atomes, et donc frottements) mais peut parfois être libérée sous la forme de lumière.
C’est ce qui se passe dans les sticks lumineux : au départ on dispose de deux produit séparés, dont l’un est dans une ampoule scellée. En brisant l’ampoule, les deux produits entrent en contact et réagissent avec une émission de lumière. La réaction étant lente et progressive, l’émission de lumière est elle aussi étalée dans le temps. Un de ces bâtonnets lumineux peut ainsi rester actif pendant près de 8 heures.

La bioluminescence

C’est une forme de chimioluminescence, qui se produit dans les êtres vivants, comme les lucioles, certaines méduses ou quelques formes de plancton. Dans ce cas là, c’est l’être vivant qui contrôle la production de réactif chimique et leur mise en contact dans le but de produire de la lumière.

La phosphorescence

La phosphorescence (souvent confondue avec la fluorescence) est également une forme de luminescence étalée dans le temps. La différence avec la chimioluminescence, c’est que cette dernière distribue l’énergie de départ progressivement et la ré-émission est instantanée, alors qu’ici c’est l’inverse : l’absorption est instantanée mais l’émission est progressive.
Ceci est rendu possible grâce à une particularité quantique des composés phosphorescents : au lieu de passer directement d’un état excité à leur état de repos, les électrons passent par un état intermédiaire (dit « état triplet »), dans lequel ils vont persister quelques temps (jusqu’à plusieurs heures).
Les objets phosphorescent sont donc les objets qui brillent dans le noir après être exposé longuement à une source de lumière.

La radioluminescence

C’est la fluorescence dont l’énergie de départ est fournie par une désintégration radioactive. Ce n’est pas la thermoluminescence car l’énergie n’est pas accumulée lentement, mais réémise tout de suite. L’énergie primaire est émise sur une longue période (1600 ans pour le radium) et est captée par un composé fluorescente qui va à son tour réémettre cette énergie sous la forme de lumière.
La décomposition radioactive étant un processus qui s’étale sur une longueur période, la lumière est produite en continu durant des dizaines voire des centaines d’années. Les vieilles montres du début du XXe siècle, et dont les aiguilles brillent dans le noir utilisent la radioluminescence produite par le radium. Ils continueront de briller durant des millénaires, mais avec une intensité toutefois de moins en moins forte.
En soi, les objets tirant partie de la radio-luminescence sont des réacteurs nucléaires miniatures.

La cathodoluminescence

L’émission de lumière par fluorescence par choc avec un électron énergétique. La source d’énergie est une particule hautement énergétique. Cette particule transmet une partie de l’énergie cinétique à un électron qui va alors se désexciter en libérant un photon.
C’est ce qui se passe lors des phénomènes des aurores polaires, dans les télé à écran cathodique ou ce qui est mis à profit dans les microscopes électroniques à balayage. Dans ces derniers, des électrons sont envoyés sur la surface à examiner et l’appareil capte la lumière reçue en retour.

La triboluminescence

Il s’agit de produire de la lumière par la force (non non, pas question de Jedi ici) : c’est l’émission lumineuse par la rupture de la maille d’une structure cristalline dans un corps. Ça se nomme la triboluminescence. Lorsque l’on soumet un cristal triboluminescent à une force suffisante, certaines liaisons cristallines sont rompues. L’énergie de ces liaisons ainsi brisées se retrouve émise sous la forme d’un photon.

L’électroluminescence

C’est la méthode mise à profit dans les LED : les électrons de la matière sont excités par l’application d’une tension électrique. La désexcitation se fait là aussi en émettant un photon.
Dans le cas des laser, on pousse le concept plus loin encore : un processus appelé l’émission stimulée permet à un atome excité d’émettre un photon parfaitement identique à un photon qui passe près de lui, sans absorber ce photon. On se retrouve alors avec deux photons identiques. Appliqué en cascade, cette méthode permet de produire un grand nombre de photons identiques (en direction, en longueur d’onde, en phase…) et donc de produire un faisceau « parfait » de lumière.

Ressources

Image d’entête de Kev-Shine

(Cet article a initialement été publié sur Le Hollandais Volant. J’ai décidé de le déplacer ici)

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On a tous plus ou moins déjà essayé de respirer de l’hélium pour avoir une voix aiguë, façon Donald Duck et s’en amuser. Mais savez-vous pourquoi l’hélium a cet effet là ?

L’hélium est un gaz sept fois moins dense que l’air : c’est pour cela qu’un ballon d’hélium flotte dans l’air. Une autre des conséquences de cette densité beaucoup plus faible, c’est la vitesse de propagation du son dans ce gaz.
Dans l’air — principalement un mélange de deux gaz diatomiques — le son se propage à la vitesse de $340\text{ m/s}$. Dans l’hélium, cette vitesse monte à $978\text{ m/s}$ : le son se déplace trois fois plus vite dans l’hélium que dans l’air.

En temps normal, quand les cordes vocales vibrent pour émettre un son, la vibration est transmise à l’air qui se trouve dans le larynx. La hauteur du son émis ne dépend que des cordes vocales, donc de la voix de la personne. Le son émis par les cordes vocales est celui que l’on entend :

son émis dans l’air
↑ le son sort de la bouche avec la même fréquence qu’il avait quand il est émis par les cordes vocales.

Si maintenant le larynx (où se trouvent les cordes vocales) et la bouche sont remplis d’hélium, le son passe d’un milieu où il se propage vite à un milieu où il se propage beaucoup plus lentement : l’air ambiant. À la sortie de la bouche, l’onde sonore est ralentie. Chaque « crête » de l’onde se rapproche de celle qui la précède et la distance entre elles diminue. En d’autres termes, la fréquence du son augmente et le son paraît plus aigu :

son émis dans l’hélium
↑ le passage du son de l’hélium à l’air provoque un ralentissement de l’onde sonore et une augmentation de la fréquence.

À l’émission, donc, le son émis est identique que l’on se trouve dans l’air ou dans l’hélium. C’est le passage de l’onde sonore d’un milieu (hélium) à un autre (air) qui provoque le changement de la hauteur du son.

Si on respirait de l’hélium dans une pièce remplie d’hélium, le son reçu et le son émis auraient la même hauteur et on entendrait un son tout à fait normal.

Maintenant, il existe également des gaz beaucoup plus denses que l’air. Le son s’y propage bien plus lentement et l’effet sur la voix est alors l’inverse et devient beaucoup plus grave. L’un de ces gaz est l’hexafluorure de soufre, et le résultat obtenu est plutôt spectaculaire.

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earthquake
Alors que la Chine a subi hier un tremblement de terre (magnitude 6,9) et le Salvador en a subi un il y a quelques jours aussi (magnitude 7,2), on peut se demander ce qu’est cette « magnitude 6,9 » et à quoi il correspond concrètement.

Tout d’abord, quand un séisme se produit, il est nécessaire de quantifier l’intensité de ce séisme. Ceci permet aux autorités de déployer des moyens appropriés, mais aussi de savoir s’il y a un risque immédiat de tsunami, et/ou d’autres séismes « répliques » dans les heures ou jours qui vont arriver.

Pour mesurer l’intensité du séisme, il s’agit de mettre un nombre sur l’énergie libérée par le tremblement de terre. La magnitude correspond alors à ça : plus la magnitude est élevée, plus l’énergie libérée est importante. La magnitude d’un séisme est un nombre sans unité.

Il y a plusieurs façons de la mesurer, plusieurs échelles.

L’échelle de Richter

L’échelle de Richter n’est plus utilisée.
Cette échelle était basée sur l’amplitude de déviation de l’aiguille de sismographe, mais il est possible que cette dernière sature, car l’aiguille n’a qu’une course limitée. Des mesures au delà de cette limite étaient donc impossibles.
De plus, la formule utilisé par Richter n’est physiquement pas homogène et ne marche que pour les séismes en Californie ; à cause de la nature du sol, la vitesse et l’angle de propagation des ondes sismiques, intégrés « en dur » dans les constantes de calibration de la formule.

Bien que le nom Échelle de Richter soit resté, le nombre donné est en fait calculé avec l’échelle de magnitude du moment.

L’échelle de magnitude du moment

L’échelle de magnitude du moment est plus précise et elle apporte plusieurs corrections par rapport à l’échelle de Richter :

  • elle marche partout sur Terre ;
  • elle tient compte de la nature de la roche ;
  • elle prend en compte du type d’ondes sismique (transversale, longitudinales…)
  • elle intègre l’observation des déplacements de terrain

Les deux échelles ont un point commun : ce sont des échelles logarithmiques.
Passer d’une magnitude à une autre multiplie l’intensité réelle du séisme. Ainsi, une augmentation de 1 dans la magnitude correspond à une multiplication par 31 de l’énergie libérée ! L’amplitude des secousses est, elle, multipliée par 10.

Il en découle que la l’énergie libérée par un séisme de magnitude 9 est 27 000 fois plus importante qu’un séisme de magnitude 6.
Dans l’autre sens, pour un séisme deux fois plus puissant qu’un autre, la magnitude est seulement 0,2 points au dessus. Un séisme de 7,2 peut donc faire le double de dégâts qu’un séisme de 7,0.

Sources :

image de Richard Walker

(Cet article a initialement été publié sur Le Hollandais Volant. J’ai décidé de le déplacer ici)

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