Histoire des Sciences, Industrie et Techniques

Le pouvoir de la vapeur

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Évidemment, quand on évoque la machine à vapeur, tout le monde a en tête, des noms comme Papin, Leibniz, Savery, Hooke, Watt. Mais en fait, dans l’idée c’était bien avant ! Remontons jusqu’à la Grèce antique : une civilisation bouillonnante à tous points de vue.
Les sciences et la méthode scientifique ont bel et bien posé leurs premières pierres à cette époque, et ce dans de multiples domaines : les mathématiques, la géométrie (est-il besoin de citer Thalès, et Pythagore – VIe et Ve siècle av. JC ou encore Euclide au IIIe s av. JC), la médecine (avec Hippocrate au Ve s. av. JC), l’astronomie (avec Ératosthène, qui le premier a mesuré la circonférence de la terre au IIIe siècle av. JC), la physique (avec Démocrite qui le premier, au IVe s. av. JC, a décrit la matière comme composée d’atomes ou Archimède au 3e s. av. JC avec son célèbre principe), la mécanique.

C’est véritablement hallucinant de voir que des concepts très élaborés avaient vu le jour plusieurs siècles avant notre ère et n’ont réellement été redécouverts, validés ou mis en pratique que quelque mille cinq cent années plus tard.
Il est une machine que je trouve véritablement avant-gardiste (et le mot est faible) tant elle cristallise à elle-même des principes dont des applications actuelles sont grandioses (tels que les turbo-réacteurs d’avion) : il s’agit de l’éolipyle (étymologiquement la « boule d’Eole »)
Voici la machine en question

eliolipyle

Son fonctionnement
L’engin est constitué d’une espèce de marmite remplie d’eau chauffée par le dessous. De cette première enceinte, sortent deux conduites qui supportent une boule qui peut tourner autour de son axe.
Bref, lorsque l’eau chauffée atteint son point d’ébullition (on dit aussi la température de saturation), la vapeur se forme et envahit progressivement l’espace libre dont elle peut disposer. Elle remonte donc par les deux conduites et atteint la boule supérieure. Là encore, manquant de place, la vapeur finit par s’échapper tangentiellement de part et d’autre de la sphère ce qui met cette dernière en mouvement de rotation. La sphère commence alors à accélérer jusqu’à ce que les frottements et les forces de traînée aérodynamique lui imposent une vitesse de rotation constante.
Il s’agit ni plus ni moins d’une machine à vapeur basique (une turbine à vapeur), la première qui ait vu le jour, il y a plus de 2000 ans. Ci-dessous, une reconstitution de la machine et son fonctionnement.

Lien vers la vidéo

Son concepteur

Heron

Son concepteur est Héron, d’Alexandrie (Alexandrie, ville d’Egypte, qui fut pendant l’Antiquité un important centre intellectuel, lieu de vie de tous les savants Grecs). En ce qui concerne ce physicien, il semble que les historiens aient longtemps été divisés quant à l’époque pendant laquelle il vécut : apparemment ce serait au Ie Siècle après JC  . Il s’est intéressé à de nombreux domaines dont la mécanique (machines et automates), les maths et l’optique. Citons comme autres machines l’horloge à eau, la fontaine qui porte son nom (un article consacré ici sur Kidiscience), un automatisme pour ouvrir les portes du temple, servir le vin ou le théâtre roulant.

Les principes qu’elle illustre
On retrouve tout d’abord le principe de l’équivalence entre chaleur et travail ou encore que l’énergie se conserve, ce qui n’est rien d’autre que le premier principe de la thermodynamique.
L’énergie chimique présente dans le combustible (stockée dans les liaisons) est transformée (via la combustion sous la marmite) en chaleur. Puis cette chaleur, est transférée à l’eau (le fluide caloporteur) qui accumule de l’énergie (on parle alors d’enthalpie), transformée alors en mouvement de la boule (c’est-à-dire en travail mécanique) par un effet de réaction.

La deuxième notion mise en lumière par cette machine est la IIIe loi de Newton (qui ne sera énoncée qu’en 1687) disant qu’à chaque action correspond une force opposée appelée réaction. En effet, si la boule se met en mouvement c’est parce que la vapeur en s’échappant des deux conduites, conduit à l’apparition d’une force de réaction qui pousse la sphère à tourner dans le sens opposé.

Évidemment, il n’y a pas de valeur ajoutée à ce travail : la boule se meut pour le fun, et à l’époque, l’éolipyle était une machine qui ne servait qu’à amuser la foule (c’est déjà pas mal) ! L’ami Héron n’avait pas à sa disposition les matériaux, les combustibles, les petits détails technologiques pour déclencher la révolution industrielle. Mais peu importe, les idées directrices et les principes de la machine à vapeur (toutes les centrales thermiques et nucléaires de production électrique reposent sur ce principe) et des turbo-réacteurs d’avion étaient déjà élaborés.

La mise en pratique de ces principes

Ce n’est que bien plus tard que des ingénieurs, inventeurs ne redécouvrent la puissance motrice de la vapeur.
Citons Blasco de Garay, navigateur espagnol, qui d’après des archives aurait expérimenté un navire propulsé à la vapeur en 1543. Puis un grand scientifique turc, Taqi al-Din, décrit dans un ouvrage, en 1577, le principe de fonctionnement d’une machine à vapeur rudimentaire.
Mais c’est surtout au XVIIe et XIIIe siècle, que dans une motivation commune, de nombreux inventeurs mettent véritablement au point les détails de la machine à vapeur (Savery, Guericke, Papin, Wexcomen, Watt). Chacun apporte une modification, améliorant la machine de son prédécesseur. L’idée directrice n’est pas loin de notre mécanicien Grec Héron : la vapeur produite dans une chaudière pousse un piston, lequel transmet son mouvement à un levier puis soit à une pompe (extraction d’eau dans les mines) soit à une roue.

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La propulsion par réaction au mouvement du fluide
Encore plus proche du fonctionnement de l’éolipyle (c’est-à-dire sans utilisation du piston), lorsque seule la force de réaction induit le mouvement, n’oublions pas le célèbre Newton. En 1680, il construisit un modèle d’automobile dont le système de propulsion était un moteur à réaction.  Il imagina que l’expulsion de la vapeur par un tube d’échappement produirait une réaction suffisante pour faire avancer le véhicule.
Vers 1750, Johann Segner, un mathématicien autrichien, ressort des cartons les principes de l’éolipyle et s’en inspire pour mettre au point un prototype de la turbine hydraulique. Le mouvement de rotation n’est plus déclenché par la réaction à la vapeur, mais simplement à l’eau. Et c’est sur ce principe, que repose les systèmes d’arrosage automatique.  

Il faudra attendre le XIXe siècle pour que la première turbine à vapeur (version moderne) soit « réinventée » par un Britannique (Sir Charles Parsons) en 1884. Il mit directement en pratique son invention, en la couplant à un générateur électrique. Elle fut aussi utilisée pour propulser un navire le Yacht « Turbinia » (en 1897). Bref, ses travaux ont révolutionné l’ingénierie navale et électrique.

turbine_vap

Parsons_steam_turbine

La turbine de Parsons couplée à une dynamo

La propulsion des avions
En y regardant de plus près, les turbo-réacteurs des avions ne sont qu’un version améliorée de l’éolipyle.
L’air est aspiré en amont du compresseur, mis sous pression, mélangé avec le combustible pour déclencher la combustion dans la partie centrale de la machine (chambre de combustion) : la forte température et chaleur des gaz de combustion (donc une forte énergie) est transformée en travail moteur au niveau des ailettes de la turbine à gaz. Une partie est extraite pour entraîner le compresseur. C’est la détente des gaz dans cette dernière partie, qui conduit par réaction, à la propulsion de l’avion.
Cette application pratique n’a vu le jour que très récemment finalement (Von Ohain, inventeur allemand,  fait voler le premier turboréacteur en 1939 avec l’avion Heinkel He 178).

turbo-reacteur

Bref, les Grecs qui furent plus philosophes que chercheurs, avaient inexorablement de grandes idées…et leurs découvertes scientifiques, dans tant de domaines, remettant en cause les dogmes religieux, forcent l’admiration !

Pour en savoir plus :
http://modelengines.info/aeolipile/

http://fr.wikipedia.org/wiki/Thomas_Savery
http://fr.wikipedia.org/wiki/Taqi_al-Din
http://fr.wikipedia.org/wiki/Blasco_de_Garay
http://fr.wikipedia.org/wiki/Machine_%C3%A0_vapeur
http://fr.wikipedia.org/wiki/Johann_Andreas_Segner
http://fr.wikipedia.org/wiki/Charles_Algernon_Parsons
http://fr.wikipedia.org/wiki/Heinkel_He_178

Santé

Sport bon pour le corps et l’esprit, surtout chez certains enfants !

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La mère poule que je suis, s’inquiétait toujours un peu quand son fiston commençait sa journée par deux heures de sport, suivies d’une évaluation de maths ! Bien souvent je me disais, que dans de telles conditions, l’élève serait tout raplapla de sa dépense physique et que se concentrer sur un épineux (ou pas) problème d’analyse ne serait pas une mince affaire. Oui mais çà; c’était avant !

Avant que je tombe, sur une série d’articles, mettant en lumière, l’impact de l’activité sportive sur les capacités cognitives…Bien sûr, cela paraît logique, on oxygène le corps donc le cerveau…oui, mais jusqu’à quel point ? Et pour quels types d’individus ? Quels sont les mécanismes mis en jeu ?

Sport et cerveau plus efficace
En effet, depuis plusieurs années, des résultats d’études s’accumulent, se confirment pour affirmer que l’activité physique a des conséquences sur l’amélioration des fonctions cognitives et se traduit par de meilleurs résultats scolaires [1] [2].
Par contre, les recherches se sont un peu moins intéressées à analyser dans quel(s) contexte(s), cette relation « pratique sportive – performances intellectuelles » était la plus marquée.

joie

Des enfants qui profitent plus que d’autres
Des études plutôt très récentes ([3] [4]) se sont attachées à déterminer quels étaient les enfants les plus concernés par cette association bénéfique. Il s’avère que la mémoire de travail (ce système de mémoire active qui s’occupe à la fois du traitement et du maintien des informations à court terme) est généralement améliorée après une série d’exercices physiques (activités stimulant le système cardio-pulmonaire) mais surtout chez ceux dont le niveau de performance initial était le plus bas (pas par manque de facultés, mais parce qu’ils avaient soit plus de mal à se concentrer soit qu’ils étaient plus lents). L’étude de 2014 portait sur une quarantaine d’enfants américains âgés entre 8 et 10 ans, en parfaite santé, dont on connaissait le profil socio-économique. Une évaluation préalable de leur capacité intellectuelle a été réalisée grâce à des tests calibrés. L’étude a consisté à soumettre les enfants à des exercices d’endurance cardiovasculaire suivis d’une courte période de repos puis de nouveaux tests de performance cognitive (l’activité cérébrale (électroencéphalogramme) a été suivie pendant ces tests). Ces essais ont montré une amélioration des résultats aux évaluations (meilleure précision dans les réponses données)  chez les enfants classés dans la catégorie « moins performants » initialement.
Il s’avère même que les mesures neuro-électriques relatives à l’amplitude de certaines ondes cérébrales atteignait des niveaux comparables à celles des autres enfants.

D’autres analyses des électroencéphalogrammes ont permis aux auteurs d’expliquer que la meilleure réussite des élèves après activité physique n’est pas liée à une meilleure gestion du temps mais à un gain dans la stratégie de contrôle cognitif, les ressources dédiées à l’attention agissent de façon plus efficace, en diminuant les conflits internes.

Ces travaux sont intéressants car ils font écho à ceux d’une autre équipe [4] qui s’est focalisée sur des groupes d’enfants atteints de troubles de l’attention (TDAH). Des exercices physiques avaient prouvé un net effet bénéfique chez ces enfants (en comparaison avec un groupe de contrôle d’enfants non atteints de TDAH) ce que les auteurs analysent comme une meilleure auto-régulation des processus impliqués dans le contrôle de l’action.

Des explications quant aux mécanismes mis en jeu

Plusieurs mécanismes ont été proposés pour expliquer les modifications de performance cognitives liés aux efforts physiques ; notamment une augmentation du flux sanguin cérébral (une meilleure oxygénation des neurones), une modification dans la quantité et qualité des neurotransmetteurs ou encore un changement dans les propriétés de microstructure de la substance blanche. La voie de angiogenèse dans le cerveau liée à l’exercice est également évoquée.

neurones
Mais c’est surtout la piste de la prolifération neuronale qui est actuellement suivie ([5], étude chez le rongeur). L’ hippocampe, une zone du cerveau importante pour l’apprentissage et la mémoire, est particulièrement l’objet d’une neurogenèse marquée lors de la pratique d’exercices physiques. Et une prolifération de neurones s’accompagne d’une capacité cognitive accrue.

Conclusion
Vive le sport à l’école lors de pauses régulières plusieurs fois par semaine (et ailleurs aussi)… car bien au-delà des conseils habituels du « manger–bouger », il peut être un excellent moyen pour canaliser l’attention des enfants, notamment de ceux qui en ont le plus besoin.
Et pour nous, pauvres parents aux cerveaux vieillissants, vive le sport tout court…car il aide aussi à prévenir le déclin cognitif lié à l’âge [6].

Références

1- Hillman, C.H., et al., «  Be smart, exercise your heart : exercise effects on brain and cognition », Nature Reviews Neuroscience, Vol (9), pp 58-65, 2008
2- Chomitz, V.R. et al., “ Is there a relationship between physical fitness and academic achievement ? Positive results from public school children in the northeastern United States”, Journal School Health, Vol 79, pp 30-37, 2009
3-Drollette ES, et al.,  »Acute exercise facilitates brain function and cognition in children who need it most: an ERP study of individual differences in inhibitory control capacity », Developmental Cognitive Neuroscience, Vol (7), pp 53-64, 2014
4- Pontifex, M.B. et al., “ Exercise improves behavioral, neurocognitive and scholastic performance in children with attention-deficit/hyperactivity disorder », Journal of Pediatrics, vol (162), pp 543-551, 2013
5- Van Praag H., “Neurogenesis and exercise : past and future directions.”, Neuromolecular medicine, Vol (10),  PP 128-140, 2008
6- Bherer, L., et al. « A Review of the Effects of Physical Activity and Exercise on Cognitive and Brain Functions in Older Adults« , Journal of Aging Research, Vol 2013, 2013

Liens utiles

http://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9moire_de_travail

Santé

La pierre d’oreille et le mal des transports

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Il y a quelques temps, j’avais abordé dans Kidiscience, le sujet du mal des transports ; vertiges, malaises, nausées, salivation, fatigue, pâleur, maux de têtes, vomissements sont des désagréments dont souffrent quelques uns d’entre nous  lors d’un voyage en mer, en avion, en train, en voiture ou même dans un ascenseur, une balançoire, ou lors de l’exécution d’une rotation chez la danseuse (voire même lors de l’utilisation de Smartphone). Cela peut vite devenir  un vrai cauchemar pour certains, surtout lorsque le voyage est un peu long.

Si globalement les phénomènes mis en jeu pour expliquer cet état désagréable sont connus, tous les paramètres impliqués et leur interaction mutuelle ne sont pas encore parfaitement compris :  la sensibilité variable d’un individu à l’autre notamment selon l’âge, le sexe, l’état physique, le mode de fonctionnement de son oreille interne …

Un bon nombre d’études ont été consacrées à ce sujet, notamment dans le domaine de l’aéronautique dans le cadre de la formation du personnel naviguant. En effet, soumis à un entraînement dans des simulateurs (environnements virtuels), il n’est pas rare que « le mal de mer » entrave le bon déroulement de la formation. Il est donc important de comprendre pour mieux anticiper, et chercher des moyens de réduire ces effets.

La théorie classique, du conflit d’informations

Que se passe-t-il quand on roule en voiture et qu’on fait autre chose que regarder le paysage qui défile, par exemple lire une BD ?

cerveauvoiture

Illustration StefComics

Comme nous l’avons expliqué dans les grandes lignes ici, les yeux fixent le livre et les nerfs sensitifs vont faire transiter l’information vers une zone du cerveau qui va l’interpréter dans ce sens : je suis immobile en train de lire un livre.

Mais d’autres parties du corps, en particulier l’oreille interne  contient des organes qui informent le cerveau sur le déplacement en cours.

Bref, le cerveau reçoit donc deux informations contradictoires et il ne parvient pas à raccorder les deux morceaux de l’énigme. Ce conflit intérieur génère donc des vertiges. Le conducteur lui, n’a pas ces sensations désagréables : ses yeux et ses oreilles donnent à son cerveau les mêmes informations quant au déplacement.

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Oui mais d’autres questions se posent. Comment fonctionne l’oreille interne dans la transmission d’information de la position ? Comment est-on sûr qu’elle est bien impliquée dans le mal des transports ? Pourquoi des vertiges, nausées générés par le conflit d’informations? Comment expliquer la susceptibilité différente des individus ?  Y a-t-il les origines phylogénétiques de cet état (liens avec l’évolution) ?

Le rôle de l’oreille interne

Le système vestibulaire situé dans l’oreille interne permet de percevoir le mouvement et l’écart par rapport à la verticalité. Comment ?
Il est constitué du labyrinthe (partie centrale du vestibule), de nerfs et d’amas de neurones adjacents (les noyaux encéphaliques) reliés aux noyaux vestibulaires.

Oreille_Interne

Oreille interne
1-Cochlée 2-Saccule 3-Utricule 4-Ampoule du canal postérieur 5-ampoule du canal externe 6-Ampoule du canal supérieur 7-Canal endolymphatique

Ce qui nous intéresse c’est le labyrinthe, partie centrale du vestibule, de forme parallélépipédique, constitué de deux types de structures :
- des petits sacs nommés saccule et utricule reliés entre eux.
- des canaux semi-circulaires (les 3 boucles couvrant à elles trois, les trois dimensions de l’espace) dont la réunion se fait dans l’utricule.

Les deux petits sacs jouent un rôle majeur car leur surface interne (verticale pour le saccule, et horizontale pour l’utricule) est recouverte de cellules ciliées (avec des poils) et d’un liquide gélatineux contenant des cristaux de calcaire (carbonate de calcium CaCO3) qu’on nomme des otolithes (étymologiquement, les pierres d’oreille) de 3 à 19 mm environ.

Bref, nous possédons tous des boucles, des cellules à poils et des petites pierres dans nos oreilles : cet ensemble est dédié à la perception des mouvements de notre corps et à l’optimisation de l’équilibre.
En effet, les petites pierres sont « denses » et donc sensibles à toute force d’inertie ressentie lors d’une accélération directionnelle : c’est ainsi qu’elles percutent les cils qui changeant de position, déclenchent  un influx nerveux.

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Lien Ici

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En ce qui concerne l’accélération linéaire (modification de l’intensité de la vitesse), ce sont plutôt les canaux circulaires qui répondent. Le liquide qu’ils contiennent se déplace sous l’effet d’une accélération, ce qui stimule également les cellules ciliées.

Ainsi, le cerveau informé de toute modification de vitesse (direction et intensité) envoie des informations vers les muscles (via les moto-neurones) pour une correction de posture (tête, corps) et du tonus musculaire permettant d’atteindre en toutes circonstances l’équilibre.

Origine des vertiges et lien avec le système digestif
En cas de roulis, ou de mouvements rapides et intenses, l’appareil vestibulaire est soumis à rude épreuve. La sur-stimulation de tout ce système conduit aux vertiges.

Comme évoqué dans la première partie, le problème devient vraiment épineux en cas de conflit entre les différents systèmes d’information. En effet, les zones du cerveau recevant les données en provenance des neurones vestibulaires, recueillent aussi des informations issues des autres systèmes de sens (yeux / peaux etc.) Mais est-on sûr que des informations divergentes conduiront aux symptômes du mal des transports ?

Des expériences particulières ont permis de le mettre en évidence : en provoquant délibérément des conflits entre système vestibulaire et oculaire, des chercheurs ont déclenché des symptômes (dans 65% des cas) ainsi qu’une grande difficulté à maintenir un équilibre dynamique [7] avec un effet dose-réponse.
Les auteurs concluent que le conflit vue/système vestibulaire n’est pas forcément le seul élément déclenchant, mais qu’il est néanmoins fortement impliqué.

Pourquoi les nausées ?

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Le système nerveux autonome qui a de nombreux capteurs le long du système digestif, va faire en sorte d’apporter tout le sang au cerveau pour résoudre le désaccord. Tout ce qui est superflu à gérer dans pareille situation (digestion par exemple) est évacué : ceci peut expliquer les sensations de nausée, voire les vomissements [1].
D’autres chercheurs [8] expliquent le lien avec l’appareil digestif par le fait que les systèmes neuronaux impliqués dans le maintien du flux sanguin dans le cerveau, la gestion des stimuli sensoriels, et la détection et rejets de toxines partagent des connexions communes. En cas de surstimulation du système vestibulaire, le système d’expulsion est sollicité, par effet collatéral.

Pour les autres mécanismes mis en jeu, de récentes recherches mettent également en lumière le rôle joué par le système des endocannabinoïdes [4].

Le rôle du système des endocannabinoïdes
Il s’agit de substances chimiques libérées dans le corps en petites quantités (à la demande), rapidement éliminées, se fixant sur des récepteurs spécifiques et agissant comme des neuro-transmetteurs. Ils jouent un rôle dans la fécondation (notamment sur les spermatozoïdes) et ont également une action anti-émétique (contre les vomissements et nausées).
Ce système est supposé connecter les réponses physiques et émotionnelles d’un stress aux fonctions digestives : certains récepteurs ont en effet été localisés aux points terminaux gastriques du nerf vague.
C’est sur ce dernier point, qu’ils sont suspectés d’agir lors d’un mal des transports.

cannabinoide
Cette étude [4], montre que le mal des transports provoqué pendant des expériences (simulateurs) s’accompagnait par une diminution significative de la réactivité du système endocannabinoïde avec un effet dose/réponse (plus de symptômes pour les concentrations les plus basses). De plus, chez les personnes non touchées, la concentration des endocannabinoïdes (EDC) avait tendance à augmenter au fur et à mesure des expériences : ce qui suggère que le corps peu sensible et celui qui s’adapte.
Notons enfin que l’expression du gène des récepteurs à EDC diminuait (avant et après le simulateur) pour tous ceux qui étaient malades.

Une sensibilité bien personnelle
Chaque personne possède effectivement sa propre sensibilité au mal des transports. Mais quelques tendances se dessinent.
Il semblerait que les femmes ressentent plus les vertiges (notamment en période de règles et de grossesse) [5] [6] ; les enfants semblent être particulièrement touchés (surtout entre 2 et 12 ans), ainsi que les personnes âgées. L’ethnicité apparaît aussi comme facteur marquant (les asiatiques sont moins sensibles que les américains)[6] .
Des facteurs émotionnels (peur, anxiété) exacerbent également les symptômes associés au mal des transports [1].
Des facteurs environnementaux peuvent aussi accentuer les effets telle qu’un excès de chaleur. Ne réclame-t-on pas de l’air frais instinctivement lors d’un voyage nauséeux en voiture ?
Pour limiter les dégâts de pareilles mésaventures, les conseils classiques sont de bien supporter la tête, de ne pas bouger et de fixer un point lointain afin d’essayer de réduire les divergences d’informations.
Enfin, un effet d’habitude se met en place progressivement : le cerveau apprend à gérer progressivement les conflits.

Comment expliquer ces tendances? L’hypothèse des gènes et récepteurs à EDC évoqués précédemment est une des pistes de réponse. Mais il y en a d’autres.
On évoque plus récemment [10] le peptide relié au gène calcitonine un médiateur de la douleur ainsi que le gène codant une enzyme de synthèse de l’acétylcholine. Ces deux éléments, composant certains neurones vestibulaires, sont variables d’un individu à l’autre. Mais leur rôle exact reste peu clair.

Point de vue évolutif
Y a-t-il un avantage à ces symptômes, ou est-ce juste un effet dérivé de notre système d’équilibrage interne surstimulé?
La théorie du psychologue Triesman (1977) [9] repose sur une explication évolutionniste visant à justifier le mal des transports comme une adaptation avantageuse de l’homme dans un environnement où jadis il pouvait facilement ingérer des aliments dangereux, concentrés en toxines. Selon Triesman, l’ingestion de neurotoxines provoquerait  à la fois un conflit entre systèmes d’informations sensorielles et déclencherait le réflexe de nausée. Les deux aspects auraient donc coévolué comme mécanisme de défense pour la survie de l’homme.

Mais cette théorie est très controversée.

Conclusion 
Beaucoup de recherches ont été menées sur le sujet du mal des transports/ L’enjeu est important pour les expériences en apesanteur, ou simplement dans le domaine de l’aviation ou le transport maritime. Les conflits sensoriels, le système vestibulaire, les gènes récepteurs aux endocannabinoïdes…ont dévoilé leur lien avec ce sujet. Mais tous les paramètres impliqués et leur interaction ne sont pas encore connus. A suivre donc…

Références utilisées
1- Rioloa, J.M., Pérez R.,  » The Seasickness Phenomenom », Journal of Maritime Research, Vol 9 (2), pp 67-72, 2012
2- Lempert T., Neuhauser H., « Epidemiology of vertigo, migraine and vestibular migraine », Journal of Neurogoly, Vol 250 (3), pp 333-338, 2009
3- Meissner K., Enck P., « Cortisol levels predict motion sickness tolerance in women but not in men », Physiology and Behavior, Vol 97 (1), pp 102-106, 2009
4- Chouker A., Kreth S. et al, « Motion sickness, Stress and the Endocannabinoid System », PLOS One, 2010
5- Matchock R. L., « Susceptibility to Nausea and Motion Sickness as a function of the Menstrual Cycle », Women’s Health Issues, Vol 18(4), pp 328-335, 2008
6- Klosterhalfen, S. et al.,  »Effects of Ethnicity and Gender on Motion Sickness Susceptibility », Aviation, Space and Environmental Medicine, Vol 76 (11), 2005
7- Séverac Cauquil A., et al, « Unusual Vestibular and Visual Input in Human Dynamic Balance as a Motion Sickness Susceptibility Test », Aviation, Space and Environmental Medicine, Vol 68 (7), 1997
8-Oman, C. M., « Are Evolutionary Hypotheses for Motion Sickness « just so « stories ? », Eighth Symposium on Vestibular Research, 2011
9-Treisman, M., « Motion Sickness : an evolutionary hypothesis », Science, Vol 197, pp 493-495, 1977
10- Xiaocheng W, et al.,  »Expression of calcitonin gene-related peptide in efferent vestibular system and vestibular nucleus in rats with motion sickness », PLoS One, 7(10), 2012

Liens utiles
http://fr.wikipedia.org/wiki/Syst%C3%A8me_vestibulaire

http://fr.wikipedia.org/wiki/Oreille_interne

http://www.med.univ-montp1.fr/enseignement/cycle_2/UE_systeme_neurosensoriel/Ressources_locales/Physiologie_equilibre.pdf

http://www.neuroreille.com/levestibule/chapb/b2/f_accueil-chapb2.htm

Autour du petit "d'homme", Santé

Immunité de l’enfant : comment le lait maternel agit-il ?

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Cela faisait un petit moment que je n’avais pas parlé allaitement sur ce blog. Alors c’est parti, avec un petit résumé de mes dernières lectures.
S’il y a bien un sujet où une grande majorité de personnes tombent d’accord, c’est l’effet protecteur du lait maternel et notamment son impact sur l’immunité du tout-petit.
Oui mais comment ça marche ? On entend parler des anticorps, terme assez générique qui veut tout dire et rien en particulier.
Je pense qu’il est important de comprendre comment cela fonctionne, comment ce lait est adapté aux compétences du nourrisson, et enfin comment cela évolue au fur et à mesure que bébé grandit.

Un équilibre délicat entre une flopée de composés anti-inflammatoires, de signaux pro-inflammatoires, d’autres signaux de stimulation voire de maturation, constitue les caractéristiques du lait maternel.

Protection par les anticorps et facteurs de croissance
* Immunoglobuline A
L’immunoglobuline est un anticorps produit au niveau des muqueuses (intestin) qui permet de neutraliser des toxines, virus, bactéries pathogènes.
La production d’anticorps IgA (Immunoglobuline A) chez le nourrisson est encore très immature. C’est pourquoi leur présence dans le lait maternel est particulièrement appréciable (on parle d’apport exogène).
Ceci assure la période transitoire jusqu’au moment où l’enfant pourra produire les siens.
Cet anticorps agit en déployant plusieurs stratégies qu’on peut résumer schématiquement de la façon suivante.
L’IgA se fixe sur les corps pathogènes… Ce faisant, l’ennemi prend de l’embonpoint, devient plus encombrant et n’arrive plus à se mouvoir, et se fixer sur la cible.
L’IgA peut aussi mimer la bonne clé s’adaptant aux récepteurs des tissus cellulaires : en bouchant les trous, les molécules d’IgA empêchent la fixation des toxines indésirables.
Enfin, un dernier mode d’action,  l’association IgA-bonne bactérie conduit à laformation d’un biofilm qui agit comme une barrière en empêchant la colonisation par d’autres bactéries.

IgA_lait_mat

Notons que les IgA sont vraiment en grande concentration dans le colostrum et encore plus particulièrement chez les mères dont les enfants sont nés avant terme. Ceci illustre bien comment la composition du lait peut varier pendant toute la période de lactation pour satisfaire la demande évolutive de l’enfant.

Antigen_Antibody

* Facteurs de croissance
La protection via les IgA présentée précédemment, consiste en une protection passive. L’intérêt du lait maternel est qu’il va encore plus loin puisqu’il stimule la mise en place des molécules IgA propres à l’enfant (protection active).
Ce tour de main (si on peut dire) s’explique par la présence d’une protéine multi-fonctions particulière appelée TGF-béta (facteur de croissance de transformation). C’est un élément clé de la régulation du système immunitaire, souvent présentée comme molécule anti-rejet, impliquée dans l’augmentation de la tolérance orale (le fait de peu réagir à l’introduction dans l’organisme de protéines alimentaires) et surtout, elle favorise la synthèse des anticorps IgA (voir ICI). En effet, la concentration en TGF-béta dans le lait maternel est proportionnellement associé au taux d’IgA.

Chez l’enfant, la production de cette protéine est faible durant les premiers jours de vie et augmente graduellement dans les semaines qui suivent.
Pour pallier, le lait maternel présente des pics de TGF-b, juste après la naissance (donc surtout dans le colostrum) et la concentration chute de façon significative dans le lait mature. Il a également été montré que cette protéine survit très bien à la digestion et se retrouve fonctionnelle chez le nouveau-né.

De fortes concentrations de TGF-b ont été associées avec la prévention de l’eczéma atopique chez les enfants allaités ainsi que plus généralement une meilleure immunité face à l’allergie.

Protection par le microbiote
La marque de fabrique des enfants allaités (en bonne santé) est la présence de Bifidobactéries en grande quantité dans leur micro-biote. Ces bactéries viennent bien du lait maternel et subsistent jusque dans l’intestin de l’enfant (voir ICI).

Les rôles des Bifidobactéries sont multiples mais grosso modo, elles produisent des acides organiques et empêchent la croissance des bactéries pathogènes (par un effet de compétition)

Des études ont également montré une interaction forte entre microbiote et TGF-beta. Les Bifidobactéries semblent activer la production des TGF-béta.

Autres effets protecteurs
On peut également évoquer le rôle des oligosaccharides : source de prébiotiques pour nourrir les bonnes bactéries ; de plus les pathogènes s’y accrochent au lieu de se fixer sur les muqueuses (sont aussi évoqués un effet anti-adhésif des oligosaccharides).
Citons aussi la lysozyme présente dans le lait, une enzyme capable de tuer certaines mauvaises bactéries en détruisant les parois de leurs cellules. Egalement présentes dans le lait maternel, les défensives (alpha et béta)sont des courtes chaînes de protéines possédant une activité anti-microbienne.

La liste n’est pas exhaustive… mais on a déjà une bonne idée de ce qui peut se passer !

Evolution de la composition immunologique du lait et variations selon les mères
Comme on l’a dit, la composition du lait humain évolue selon la période de lactation et s’adapte aux besoins changeants de l’enfant, en contribuant au développement de ses propres défenses immunitaires.

Il semble que la mesure des taux de TGF-béta soit assez hétérogène d’une étude à l’autre ce qui s’explique par une variation d’une mère à l’autre. Des recherches ont montré que l’alimentation de la mère (plus ou moins riche en acide gras, et qualité des acides gras) ainsi que le métabolisme et poids de cette dernière soient des paramètres impactants. Mais des facteurs génétiques, et l’état de santé de la mère sont également importants (par exemple les taux de TGF sont plus bas chez les femmes présentant de l’eczéma).

Conclusion 

Riches en immunoglobulines, facteurs de croissances, enzymes, Bifido-bactéries, le lait maternel apparaît bel et bien, comme un guide pendant la période critique de transition entre la naissance de l’enfant (où la réponse immunitaire est immature) et le moment où les fonctions barrière sont bien en place.

Article publié en parallèle sur le blog dédié aux recherches sur l’allaitement ICI

Liens :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Facteur_de_croissance_de_transformation

http://fr.wikipedia.org/wiki/Immunoglobuline_A

Références :

Oddy WH, Rosales F, « A systematic review of the importance of milk TGF-b on immunological outcomes in the infant and young child », Pediatr Allergy Immunol, Vol (21) : pp 47–59, 2010.

Kavanaugh D. W. et al.,  »Exposure of Bifidobacterium longum subsp. infantis to Milk Oligosaccharides Increases Adhesion to Epithelial Cells and Induces a Substantial Transcriptional Response », PLOS one, DOI: 10.1371/journal.pone.0067224, 2013

Collado M., et al. « Maternal weight and excessive weight gain during pregnancy modify the immunomodulatory potential of breast milk », Pediatric Research, Vol 72, pp 77-85

Découvertes et avancées, Santé

Cap sur ananas ou tomates pendant les fêtes !

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En cette période festive, que diriez-vous de quelques conseils alimentaires permettant d’éviter le stockage des graisses ?
On évoque souvent l’ananas comme fruit miraculeux parce qu’il digère les graisses. Info ou intox ?

AnanasEffectivement, l’ananas contient une enzyme aux effets thérapeuthiques intéressants. Voyons quelle enzyme ? Quelles actions ?

L’ananas découpe les protéines
L’enzyme extraite de l’ananas, c’est la bromélaïne, encore appelée  » broméline » ou « bromélase  » : le suffixe « ase » indique la notion d’enzyme, qui « coupe » certaines molécules. Dans le cas de la bromélase : il s’agit d’une protéase, elle coupe les protéines, longues chaînes d’acide aminés en petits morceaux, c’est-à-dire en acides aminés. On comprend donc son action facilitatrice de la digestion. On utilise cette propriété en cuisine : pour rendre la viande plus tendre, l’ajout de d’additif alimentaire à base de cette enzyme est recommandé.

Une fois ingérée, l’enzyme a la particularité d’améliorer la digestion, d’apaiser les douleurs d’estomac liées à un dysfonctionnement pancréatique. Comment agit-elle ?
Elle stimule les effets d’autres enzymes (la trypsine et la pepsine) impliquées dans la digestion. Ces deux enzymes qui coupent ou hydrolysent les liaisons peptidiques ont des zones de pH différentes.

La grande particularité de la bromélaïne par rapport aux autres enzymes, est qu’elle résiste au pH très acide de l’estomac et au pH alcalin de l’intestin. La molécule exerce donc son effet de découpage des protéines dans tout le parcours digestif.

Pour les amateurs de formules, voici sa tête

bromelain

Mais la bromélaïne a également d’autres propriétés thérapeutiques (action anti-coagulante, anti-inflammatoire, anti-mucolytique et anti-cancéreuse voir ICI et ICI..) que nous ne développerons pas ici. Concentrons nous sur son action « brûle-graisse »

L’ananas gère-t-il aussi les graisses ?

Normalement une enzyme a un rôle spécifique. La bromélaïne, classée parmi les protéases est spécialisée dans le découpage des protéines, une longue chaîne d’acides aminés donc rien à voir à priori avec des corps gras… Bref, l’enzyme a-t-elle aussi une action sur les cellules graisseuses ?

Les corps gras sont majoritairement formés de triglycérides, des esters d’acides gras dont nous avions déjà parlé dans ce post. Les chaînes des acides sont généralement assez longues (entre 18 et 20 atomes). Pour brûler les graisses, il faut soit couper ces longues chaînes de triglycérides soit éviter leur accumulation.

Trigly

Exemple d’acide gras

En réalité, l’effet de l’enzyme sur le métabolisme des cellules graisseuses n’est pas encore très bien compris. Mais, sur la base d’essais in vitro (voir ICI) la bromélaïne issue de l’ananas semble bel et bien être active également dans le processus de stockage des graisses. Son effet se situe à plusieurs niveaux :
- l’enzyme réduit l’expression de certains gènes adipogéniques ce qui réduit de façon irréversible la différenciation des adipocytes (cellules spécialisées dans le stockage des graisses),
- produit l’apoptose (mort cellulaire programmée) et la lipolyse d’adipocytes matures.

L’étude suggère que l’extrait d’ananas pourrait être envisagé comme traitement contre l’obésité. Une perspective intéressante quand on sait que les médicaments mis au point jusqu’ici affectent la régulation de prise de poids mais ne sont pas sans effet secondaires, particulièrement pénalisants.
Dans le cas de la bromélaïne, la faible toxicité pour les dosages recommandés et de nombreuses études cliniques (dans le cadre de l’évaluation de ses autres effets thérapeutiques) rassurent sur l’absence d’effets secondaires.

tissu-adipeux

Des adipocytes

Alors on se jette sur les ananas ?
Oui, car les preuves sont là… l’enzyme qu’ils contiennent facilite bien la digestion d’un repas trop lourd.
Par contre, en ce qui concerne l’effet « brûle graisse » tant vanté, seuls des essais in vitro corroborent cette idée reçue. Les mécanismes d’action commencent à être compris. Mais des études cliniques sur l’homme n’ont pas encore permis de trancher la question.
Pourquoi ? tout d’abord parce que les processus de prise de poids et de stockage d’énergie ne sont pas si simples à décortiquer. Il existe des interactions fortes entre aliments/nutriments, cerveau, flore micro-biote, hormones, molécules inflammatoires …

L’effet des tomates

Moins connue que l’ananas, la tomate semble également un fruit prometteur dans la lutte contre le stockage des graisses. Diverses études  récentes ont montré les effets anti-obésité d’extraits de tomates vertes sur des souris obèses. Il semble que la tomate contiennent plusieurs molécules (dont un acide octadecadienoïque) agissant sur la régulation et l’expression de certains gènes, et le stockage des triglycérides dans les cellules graisseuses.

Là encore, les résultats sont si précoces, qu’il serait imprudent d’en tirer des conclusions hâtives. Mais gardons à l’esprit ces premiers résultats, et quelques tomates cerise pour accompagner un repas ne feront certainement pas de mal !

Références
1- Dave S, Kaur NJ, Nanduri R, Dkhar HK, Kumar A, et al. (2012) Inhibition of Adipogenesis and Induction of Apoptosis and Lipolysis by Stem Bromelain in 3T3-L1 Adipocytes. PLoS ONE 7(1): e30831. doi:10.1371/journal.pone.0030831

2- Kim, Y.-I., Hirai, S., Takahashi, H., Goto, T., Ohyane, C., Tsugane, T., Konishi, C., Fujii, T., Inai, S., Iijima, Y., Aoki, K., Shibata, D., Takahashi, N. and Kawada, T.,  » 9-oxo-10(E),12(E)-octadecadienoic acid derived from tomato is a potent PPAR α agonist to decrease triglyceride accumulation in mouse primary hepatocytes ». Mol. Nutr. Food Res., 55: 585–593. doi: 10.1002/mnfr.201000264, 2011

3- Kyeong-Mi Choi et al. « Green tomato extract attenuates high-fat-diet-induced obesity through activation of the AMPK pathway in C57BL/6 mice« , The Journal of Nutritional Biochemistry, Volume 24, Issue 1, 2013, pp 335–342, 2013

Pour en savoir plus :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Brom%C3%A9line

http://examine.com/supplements/Bromelain/

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22292054

http://www.ehow.com/facts_4794086_health-benefits-pineapple.html

Autour du petit "d'homme", Découvertes et avancées

De nouveaux neurones pour les nouveaux pères

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On parle souvent des liens très forts qui unissent la mère et son enfant dès le premier regard (la dyade mère-enfant). Des travaux de recherche ont montré que cette interaction intense, nécessaire pour le développement du cerveau du bébé et son câblage neuronal, modifiait également le cerveau de la mère : en particulier la mise en place de récepteurs à ocytocine dans l’amygdale (partie du cerveau impliquée dans les émotions et la reconnaissance sociale) au fur et à mesure que la relation s’installe.

Mais des travaux récents mettent en lumière, la modification du cerveau chez le jeune père !

pere

Un article est paru à ce sujet dans le numéro de septembre-octobre 2013 de « Cerveau & Psycho », qui s’intitule « Etre père change le cerveau », signé Brian Mossop, docteur en ingénierie biomédicale et journaliste scientifique.
On y apprend que le jeune papa est non seulement soumis à des modifications hormonales mais que son cerveau s’équipe de tout nouveaux neurones, spécialement pour cette occasion.

De nouveaux neurones

Ainsi, on peut lire dans cet article :

« Lorsqu’un jeune homme devient père, son cerveau se met à produire plus de neurones, qui forment le socle de son lien nouveau avec l’enfant »

A quoi servent ces nouveaux neurones ?

« Ces cellules forment de nouvelles voies de connexion dans les jours qui suivent la naissance des petits »

 » le cerveau des parents semble s’adapter afin de détecter au mieux ce qui, dans les pleurs du bébé, traduit ses besoins du moment »

Bref, la neurogenèse (qu’on croyait pendant longtemps réservée aux premières années de vie) s’active bel et bien à l’âge adulte et notamment pendant toute phase d’apprentissage, lors d’une nouvelle expérience (et c’est particulièrement le cas à l’arrivée d’un enfant) [1].
Elle concerne certaines zones particulières du cerveau :
- l’hippocampe,
- la zone sous-ventriculaire (où les nouveaux neurones sont réquisitionnés pour le bulbe olfactif).

Une fois ces nouveaux neurones créés, ils se connectent au réseau déjà en place et permettent la formation de souvenirs sur le long terme (hippocampe) ou le codage de nouvelles odeurs (celles du nouveau né par exemple). En plus de la création de nouveaux neurones, d’autres mécanismes interviennent pour reconfigurer l’organisation neuronale : la plasticité des synapses et le remodelage dendritique (longueur et branchement des dendrites)

neurones_connex

Pour consolider les nouvelles connexions, des neurotransmetteurs ou hormones sont nécessaires. L’ocytocine est encore une fois au rendez-vous.

La vague d’ocytocine.
L’ocytocine est une hormone multi-fonctions (j’en ai parlé ici). Elle est généralement associée aux femmes enceintes, aux mamans parturientes et aux mères allaitantes.
Cette molécule est particulièrement utile :
- pendant la grossesse (moins de stress, amélioration du sommeil),
- pour l’accouchement et l’allaitement. Son rôle est de favoriser la contraction de cellules musculaires de l’utérus et des cellules myoépithéliales (les petites pompes qui éjectent le lait fabriqué dans les glandes mammaires).

Mais son rôle ne s’arrête pas là, loin s’en faut. En un mot, nous pouvons dire que c’est aussi l’hormone du bien-être, des émotions positives et du plaisir [2] [3].

La production d’ocytocine au contact de l’enfant s’active par le toucher en peau-à-peau, et plus généralement lors de toute interaction avec l’enfant. C’est la raison pour laquelle, les pères qui touchent, parlent et câlinent leur enfant « subissent » également cette vague d’ocytocine.

Une étude japonaise récente (2011) [4] a montré que l’ocytocine jouait un rôle important chez les mammifères mâles, notamment lors de l’arrivée d’une progéniture. Les auteurs ont en particulier montré que l’injection d’ocytocine dans le cerveau de singes marmousets mâles, les encourageait à partager leur nourriture avec leur descendance : ce qu’ils ne faisaient pas lorsque l’ocytocine n’était pas administrée.

 Le lien entre ocytocine, expériences et nouveaux neurones

Plusieurs hypothèses expliquent la création de nouveaux neurones et la réorganisation des réseaux. L’une d’elles consiste à dire que c’est la modification de l’environnement chimique des neurones qui conduit à l’apparition de nouvelles cellules. En particulier, le rôle de l’ocytocine dans la régulation de la morphologie des dendrites dans l’hypothalamus a été démontrée [9].
Quant au rôle de l’expérience, elle est essentielle pour des remaniements morphologiques et fonctionnels réguliers.

Mais les connaissances de ces processus rentent incomplètes.

 D’autres hormones modifiées
L’hormone masculine par excellence, c’est la testostérone.  Des recherches ont montré que de jeunes papas impliqués dans leur nouveau rôle avaient une concentration en testostérone en baisse : elle est associée à une moindre agressivité, une plus grande stabilité de la cellule familiale bref une aide précieuse pour faciliter l’engagement du père envers son enfant et sa famille agrandie [5] [6]. La baisse de la testostérone a également pour effet de booster le système immunitaire du père, limitant ainsi les risques de contamination d’éléments pathogènes envers son enfant.
Là encore, il s’agirait selon certains anthropologues d’un effet secondaire de la présence d’ocytocine (lien avec la testostérone) chez les jeunes pères.

La prolactine est également une hormone plus connue chez la mère. Intervenant dans le processus de fabrication du lait (voir ICI), elle apparaît pourtant aussi chez l’homme. Une étude de 2002 [7] a montré des niveaux de prolactine plus élevés chez les pères en réponse aux pleurs de leur enfant.

Bref, une belle adaptation pour assurer le plein épanouissement de la descendance.

Conclusion
Ce genre de résultats est très émouvant …Savoir que le cerveau des deux parents se modifie (neurogenèse, modification neuroendocrinienne) pour s’occuper au mieux de leur progéniture, est carrément enthousiasmant. Un bel exemple de co-évolution quand on sait que dans la plupart des autres espèces, les pères sont peu investis dans des interactions avec leur descendance.

Ce sont également des résultats porteurs d’espoir. Quand on sait que des défauts dans l’organisation des neurones et des dendrites sont associés à différents syndromes (Alzheimer, autisme, démence fronto-temporale…), il est légitime de se réjouir d’apprendre que certaines situations de la vie sont bonnes pour le cerveau [10] [11].

new_dad

Référence :
1- Leuner B. et al, « Parenting and plasticity« , Trends in Neuroscience, vol 33(10), pp 465-473, 2010

2- Carter CS. « Neuroendocrine perspectives on social attachment and love »
Psychoneuroendocrinology Vol 23, pp 779-818, 1998

3- Carter CS.  »Developmental consequences of oxytocin »  Physiology & Behavior, Vol 79(3),  pp 383–397, 2003

4- Saito A, Nakamura K., « Oxytocin changes primate paternal tolerance to offspring in food transfer », J Comp Physiol A Neuroethol Sens Neural Behav Physiol., Vol 197(4), pp 329-37, 2011

5- Gray P. B., Kahlenberg S. M. et al., « Marriage and fatherhood are associated with lower testosterone in males », Evolution and Human Behavior, Vol 23, pp193 – 201, 2002 (lien)

6- Gettler P.B., McDade T.W. « Longitudinal evidence that fatherhood decreases testosterone in human males », Proceedings of the National Academy of Sciences, http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1105403108

7- Fleming AS, Corter C, et al., « Testosterone and prolactin are associated with emotional responses to infant cries in new fathers », Hormones and Behavior. Vol 42(4), pp 399-413, 2002

8- Gettler P.B., McDade T.W. « Short-term changes in fathers’ hormones during father-child play : impacts of paternal attitudes and experience », Hormones and Behavior Vol 60(5), pp 599-606, 2011

9- Ferri S.L., Flanagan L.M. « Oxytocin and dendrite remodelling in the hypothalamus » Hormones and Behavior Vol 61(3), pp 251-258,  2012

10- Guastella AJ, Einfeld SL,  »Intranasal oxytocin improves emotion recognition for youth with autism spectrum disorders » Biological Psychiatry. Vol 67(7), pp 692-4, 2010

11- Jesso S., Morlog D., « The effects of oxytocin on social cognition and behaviour in frontotemporal dementia » Brain Vol134; 2493–2501, 2011 (lien)

Nature

Quand la banquise flotte, dérive et fond !

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La banquise fond et s’amenuise d’années en années. Sa surface diminue d’environ 10 % tous les dix ans sous les effets du réchauffement de la planète. Le processus s’accélère au-delà même de tous les calculs et modèles permettant d’évaluer l’évolution du climat (environ 4 fois plus vite que ce que donnent les prédictions). Pourquoi cette accélération fulgurante ? Quels sont les paramètres prépondérants sur la fonte de la glace polaire ?

Un article y est consacré dans le dernier numéro du magazine « La Recherche » (N°481) : « Pourquoi la banquise disparaît plus vite que prévu ».

Tout d’abord une petite mise au point
Différence entre banquise et Icerberg
La banquise est de l’eau de mer glacée, sous l’effet de température très basses (en dessous de 0°C, le sel venant « perturber » la mise en place du réseau cristallin).
Un icerbeg est de la glace d’eau douce, tel qu’un glacier de montagne qui est retourné à la mer

Ce que disent les études de la banquise
La banquise est étudiée par les scientifiques par différents moyens : des stations dérivantes (sur la glace), des balises et les satellites. Ces moyens permettent de confronter la réalité aux données fournies par les modèles. Or, on constate un fort décalage entre simulation et mesures de terrain. Pourquoi ?

Comment disparaît la banquise ?
L’une des explications les plus fréquemment rencontrées de la fonte de la banquise est l’absorption de chaleur plus importante au pôle, conséquence du réchauffement climatique.

L’augmentation des températures à la surface de la terre a inévitablement comme effet de provoquer la fonte de la glace. Or, celle-ci de couleur blanche, réfléchit une bonne part du rayonnement solaire. C’est ce qu’on appelle l’albédo. La disparition de la glace, diminue donc l’albédo : une part plus importante du rayonnement solaire est absorbé, le réchauffement et la fonte sont accentués. La disparition progressive de la banquise a des conséquences qui alimentent sa cause : c’est ce qu’on appelle une boucle de rétroaction positive. 

albedo_feedback

Source ICI

On pensait avoir tout compris avec cette première boucle qui rend compte d’un emballement de la situation mais ce n’est pas suffisant.

D’autres explications jusqu’ici négligées
* Des propriétés mécaniques modifiées
Le phénomène d’albédo est lié au comportement de la surface de la glace (capacité à réfléchir les rayons lumineux). Mais comme souvent en science, toutes les propriétés physico-chimiques sont à considérer.
La glace qui fond va voir ses propriétés mécaniques modifiées. En effet, de plus faible épaisseur, elle est plus fragile : elle va donc se déformer plus aisément, se fissurer sous l’effet de contraintes (telles que le vent) et se fragmenter : la surface d’eau, libre de glace, augmente. L’albédo diminue, ce qui accélère le réchauffement et la fonte : c’est la 2e boucle de rétroaction positive. Mais ce n’est pas encore tout.

fragments_glace

Le phénomène de dérive
La glace flotte sur l’eau … C’est un fait. Nous en avions déjà parlé sur ce blog il y a quelques années …ici pour rappel. La raison en est simple : la présence de liaisons hydrogène rigides qui écartent les molécules d’eau les unes des autres à l’état solide, conduit à une moindre densité de la glace.
La glace qui flotte sur l’eau se trouve donc à l’interface avec l’eau liquide sous-jacente et l’atmosphère sus-jacente. Entraînée par les courants marins, et les vents plus ou moins violents (voire les marées le long des côtes), la glace va glisser et dériver sur l’eau. Cette dérive (d’autant plus marquée que les morceaux de glaces sont fragmentés) peut amener les plaques hors de la zone polaire (vers l’Atlantique par ex) ce qui accélère la fonte.
Encore une fois, ce processus conduit à une diminution de l’aldébo et donc une accélération du réchauffement. C’est la 3e boucle de rétroaction positive

derive_banquise

La salinité
Enfin, l’effet de la salinité joue également un rôle. Dès que la fonte est amorcée, il se forme « des mares » à la surface de la banquise, qui absorbent intensément l’énergie solaire et qui sont concentrées en sel (le sel reste présent sous forme de cellules de saumure entre les cristaux de glace) ce qui accélère la fonte.

mare_glace

Image from National Geographic online slide show – Photo: James Balog. Lien et autres photos

Ces effets « boule de neige » n’ont jusqu’alors pas été pris en compte dans les modèles pour la simple raison qu’ils sont très aléatoires, avec des paramètres très fluctuants (caprices des vents, courants qui changent, dynamique des glaces, incertitude sur la salinité)  et en très forte interaction* les uns sur les autres. Bref, leur modélisation n’est pas évidente.

* par exemple la salinité joue sur la solidité de la glace, sur la plongée des eaux en profondeur donc sur les courants et sur les phénomènes de fragmentation et dérive.

Pourquoi l’hiver polaire ne suffit pas
La dynamique du processus fait que le regel hivernal ne parvient pas à compenser tous les effets conjugués que nous avons présentés.
En effet, aux débuts de l’hiver, même si la congélation de l’eau superficielle plus douce est facilitée (par rapport à l’eau plus salée située plus en profondeur), la dynamique s’essouffle vite car la couche de glace formée « isole » l’eau sous-jacente. L’épaississement est lent et ralentit au fur et à mesure du temps.

Les effets de la fonte de la banquise

Contrairement à la fonte des glaciers montagneux, aucun effet sur le niveau des mers (principe d’Archimède) n’est à noter.
Mais l’océan se réchauffe ce qui modifie ses interactions avec l’atmosphère donc le climat. Le flux de chaleur océan (libre de glace) vers l’atmosphère est environ 100 fois plus élevé que lorsqu’il est couvert de glace.
Il y a également modification de la salinité et donc de la circulation thermohaline (redistribution de la chaleur sur tout le globe)

Néanmoins, de grosses incertitudes demeurent sur l’aspect quantitatif de ces phénomènes.

Pour en savoir plus :

La recherche  N°481, Novembre 2013, par P. Rampal et J. Weiss, p 54-57
- http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dospoles/alternative13.html
- http://fr.wikipedia.org/wiki/Climat_polaire
- http://fr.wikipedia.org/wiki/Circulation_thermohaline
- http://www.nasa.gov/centers/goddard/news/topstory/2005/arcticice_decline.html

Vie quotidienne

Pourquoi j’ai réussi ma confiture de raisin

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Depuis quelques jours, je réalise quelques expériences physico-chimiques dans mes casseroles. Evidemment, je vise l’excellence, car le produit de mes délires « pseudo-scientifiques » (pseudo car mon protocole opératoire n’est pas des plus rigoureux, je dois l’avouer) est destiné à ma propre consommation : j’ai nommé la confiture. Une substance douce et sucrée, de texture gélatineuse…et c’est bien là toute la subtilité et le savoir faire de la chose : s’assurer qu’il y ait prise, bref une confiture ni trop liquide, ni trop compacte.

casserole

Le résultat est à la hauteur de mes espérances (même au-delà), car ma confiture est parfaite alors même que je n’ai pas eu recours aux aides du commerce. Non, dans mon cas, la confiture a été réalisée simplement avec du sucre tout ce qu’il y a de plus normal.

confiture_vitpris Bon, je ne suis pas spécialement plus douée qu’une autre. Il faut avouer que c’est de la confiture de raisin dont il s’agit ce qui est tout de même plus facile. Pourquoi ? Voici quelques explications des phénomènes qui se déroulent.

Le processus de gélification La gelée formée lors de la cuisson des fruits est à la fois un solide et un liquide. Gloups… Pour être plus précis, nous pouvons dire qu’il s’agit réseau tridimensionnel solide parfaitement réparti au sein d’un fluide. L’ensemble est donc relativement rigide. Des éléments dissous au départ dans un liquide, se rassemblent et s’organisent dans une structure qui n’est plus soluble dans le fluide mais qui se lie à lui en formant un tout cohérent. Dans le cas de la confiture, il s’agit de la pectine présente dans les fruits, qui se trouve libérée lors de la cuisson. Les différentes molécules s’organisent alors en se liant les unes aux autres d’une part et à l’eau d’autre part : une nouvelle phase apparaît, c’est la gelée. Elle est rigide parce que les molécules sont accrochées les unes aux autres, ce qui fait que les frottements sont importants et l’écoulement est donc fortement ralenti.

La pectine

Il s’agit d’un constituant important des végétaux, maintenant la cohésion de la paroi des végétaux. On parle aussi d’acide uronique (pour briller en société) Chimiquement parlant, c’est un polyoside acide (polysaccharide). Comme son nom l’indique, c’est un sucre car formés de plusieurs « oses » et c’est une longue molécule (une macromolécule) : une très longue chaîne, comportant des cycles à 5 atomes de carbone reliés entre eux et des groupes acides (de la forme COOH).

pectine

Comme tous les acides, l’atome d’hydrogène est capable de se libérer en perdant son électron (c’est même la définition d’un acide, voir ICI) ce qui conduit à l’ionisation de la molécule.

Le cas du raisin

Tous les fruits ne contiennent pas la même quantité de pectine. Les fruits comme les cerises, les cassis, les pêches, les fraises (et encore tout dépend lesquelles) en contiennent peu. Les fruits plus « fermes » avec une jolie peau bien étanche comme les pelures d’agrume, les baies, les groseilles ou le raisin en renferment de bonnes quantités. Avec ces derniers, il est donc plus facile de produire une bonne confiture, sans ajouter en plus de la pectine commerciale (l’union européenne autorise l’utilisation de la pectine comme texturant alimentaire, sous le numéro E440).
L’autre avantage du raisin est qu’il est également un peu acide ce qui est important pour la formation du gel.

Le rôle du chauffage
Chauffer se traduit au niveau moléculaire par une agitation plus intense et donc une destruction de certaines liaisons chimiques. Ce faisant, les chaînes de pectine vont se séparer les unes des autres et se libérer des associations (par liaisons hydrogène) avec d’autres molécules du fruit. Une fois individualisées,  elles se retrouvent dans la phase fluide « le sirop » et l’idée est qu’elles se s’assemblent de nouveau au sein de sirop mais cette fois-ci de façon très intense et en occupant le maximum de place (réseau tridimensionnel) pour former le gel.

La chaleur agit également au niveau du sucre en séparant ses constituants simples (voir le § suivant) La chaleur va également permettre à l’eau de vaporiser et donc concentrer la pectine dans le sirop. Enfin, la chaleur va détruire toutes les bactéries pouvant être présents dans les fruits.

pectine_reseau

Source ICI

Le rôle de l’acidité
 Lorsque les molécules de pectine s’ionisent, elles ont tendance à se repousser (mêmes charges) ce qui l’inverse de ce qu’on souhaite. Pour cela, il faut éviter l’ionisation en maintenant le milieu acide. Si le fruit n’est pas assez acide (le raisin contient de l’acide malique par exemple), l’ajout de jus de citron est nécessaire.

Le rôle du sucre

sucre Il joue un triple rôle en fait et un bon dosage est nécessaire.
1- Le sucre permet à l’eau de sortir du fruit, par le phénomène d’osmose. Nous en avions parlé ici (en résumé l’osmose est un phénomène naturel par lequel l’eau passe au travers de parois minces afin d’équilibrer des concentrations). De ce fait, les cellules du fruit sont endommagées, et libèrent la pectine.

2- L’ajout de sucre augmente la température d »ébullition du mélange ce qui est favorable à la libération de la pectine du fruit.

3- Le sucre s’associe à l’eau du sirop, laissant les chaînes de pectine libres de s’associer entre elles car la pectine est hydrophyle (elle préfère s’associer à l’eau). Donc sans sucre, les chaînes de pectine se s’organiseraient pas, en cette structure 3D.

Et le goût la dedans ? Il s’avère que de nombreux composés aromatiques  (ceux qui donnent le goût) s’échappent avec les composés volatils. Un chauffage lent est donc préférable. LE bon dosage de la pectine (surtout si elle est rajoutée par le E440 du commerce) est également important. Une confiture trop gélifiée a moins de saveur (cf ICI). Pourquoi ? Vraisemblablement, des molécules aromatiques se trouvent emprisonnées dans le gel,  alors qu’elles devraient plutôt se libérer en bouche et s’associer aux papilles ! Et encore, tout cela dépend du type de pectine (branchée ou pas*). Bref, cela est un peu plus compliqué qu’il n’y paraît de faire de la « bonne  » confiture.

Voilà, je vous laisse sur cette magnifique photo des miennes (raisin blanc ou noir).

CIMG0398

confit_raisin_noir

* on dit plutôt « fortement ou faiblement méthoxylée ».

Pour en savoir plus

Les secrets de la casserole, Hervé This (Editions Belin – 2004) http://fr.wikipedia.org/wiki/Confiture

http://fr.wikipedia.org/wiki/Gel_(mat%C3%A9riau)

http://fr.wikipedia.org/wiki/Pectine

http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/paroi/pectines.htm

http://www.docstoc.com/docs/47693374/In-a-jam-and-out-of-juice-Galacturonic-Acid

http://superkimy.com/pdf/fiche7.pdf