Finie, la science? Tout reste à découvrir !

Robert M. Hazen est chercheur au Laboratoire de géophysique de la Carnegie Institution de Washington, D.C., et professeur de sciences de la terre à l'université George Mason, à Fairfax (Virginie). Il a publié avec Maxine Singer, président du Carnegie Institute et ancien chercheur au Laboratoire de biochimie du National Institute of Health, Why Aren't Black Holes Black? The Unanswered Questions at the Frontiers of Science (New York, Anchor Books, 1997) [Pourquoi les trous noirs ne sont-ils pas noirs? Les questions sans réponse aux frontières de la science].

Si l'on veut comprendre pourquoi la science est un territoire où jamais les conquêtes ne prendront fin, il ne faut pas dresser le catalogue de ce que nous savons mais la liste de ce que nous ignorons encore. Ces grandes questions sans réponse sont le moteur de la recherche fondamentale. Elles tombent dans trois catégories. Qu'est-ce qui existe? Comment ce qui existe est advenu? Et comment la nature fonctionne-t-elle?

La question "qu'est-ce qui existe?" est la question première de toute science. Les explorateurs scientifiques des siècles passés ont récolté dans les terres les plus exotiques des spécimens d'animaux, de plantes et de minéraux. Les chimistes ont isolé les uns après les autres les éléments. Les astronomes ont dressé la liste d'étoiles innombrables. Les physiciens ont scruté les phénomènes étranges associés à l'électricité et au magnétisme.

Et pourtant, même après des siècles de labeur, la science n'a identifié, estime-t-on ordinairement, qu'un ou deux pour-cent de toutes les espèces vivant sur la terre, n'a exploré que la peau superficielle de la planète, n'a décrit que quelques-unes des 80'000 protéines produites par notre corps. Nous connaissons certes aujourd'hui les quelque 100 éléments stables du tableau périodique, mais très mal les combinaisons entre ces éléments, dont le nombre est quasiment infini. Et il existe, dans chacune de dizaines de milliards de galaxies de l'espace, ses dizaines de milliards d'étoiles — quelque chose comme un billion de systèmes solaires pour chaque habitant de la terre. Il reste tant à découvrir.

Et comme si la tâche de décrire l'univers tangible n'était pas suffisante, il apparaît aujourd'hui que la masse essentielle de l'univers — 99%, disent certains — est manquante, parce que constituée d'une matière étrange ne ressemblant à rien de ce que nous connaissons. Au cours des deux dernières décennies, les astronomes ont découvert des preuve écrasantes que l'univers est parsemé de matière sombre, une chose invisible que ne peuvent débusquer nos télescopes même les plus puissants.

La matière de l'univers que nous connaissons est presque tout entière concentrée dans des galaxies, lesquelles existent à une échelle qui dépasse notre entendement. Chaque galaxie contient en effet des dizaines ou des centaines de milliards d'étoiles dans un espace dont le diamètre peut dépasser 100'000 années-lumière (une année-lumière est la distance que la lumière franchit en une année, soit approximativement 9.4 billions de kilomètres). Par une nuit claire et à l'œil nu, nous pouvons voir toutes les étoiles et toutes les constellations de la Voie Lactée, notre propre galaxie; mais avec des télescopes, on peut encore voir aisément des milliards d'autres galaxies.

Les galaxies sont le point de départ logique pour les astronomes désireux d'étudier la nature et la distribution de la masse de l'univers. Pour estimer la masse d'une galaxie, ils utilisent deux méthodes complémentaires. Une méthode simple et rapide: ils comptent les étoiles visibles et multiplient le nombre observé par la masse moyenne d'une étoile, déterminée par l'observation et le calcul théorique. Ils obtiennent ainsi une valeur appelée "masse visible" de la galaxie. Et une méthode plus sophistiquée, qui définit la "masse dynamique" de la galaxie en observant la manière dont ses étoiles se déplacent.

Pour la seconde méthode, les astronomes mesurent la position et la vitesse orbitale des étoiles ou des nuages en train de tournoyer au-dessus du noyau de la galaxie qu'ils étudient, noyau qui est le lieu de forces gravitationnelles immenses. Plus la masse de la galaxie est grande, plus les étoiles tournent rapidement, ou alors elles sont happées par son noyau. Au terme de ces observations, pour peu que toutes les variables de la galaxie aient été correctement prises en compte, la masse visible de la galaxie doit être identique à sa masse dynamique.

Mais dans les années 1970, les astronomes ont découvert que certaines parties extérieures des galaxies spirales tournaient deux ou trois fois plus vite qu'elles n'auraient dû, compte tenu de la gravité des étoiles visibles. L'équation simple qui décrit les orbites n'a que trois variables: la distance orbitale, la vitesse orbitale et la masse. La distance et la vitesse orbitales, que l'on peut mesurer par le biais d'observations télescopiques, permettent de déterminer la vraie masse de la galaxie. Conclusion: si l'évaluation de la masse d'une galaxie fondée sur l'observation des étoiles visibles aboutit à des résultats erronés, c'est que l'essentiel de la matière de l'univers est sombre et invisible.

Les spéculations sur la nature de la matière sombre abondent. Mais la première chose à faire est de déterminer ce que la matière sombre n'est pas. Elle ne peut être un amas ordinaire de matière, comme les boules de neige ou les trous noirs, parce que, dans ce cas, on détecterait ses effets sur la lumière arrivant de sources plus éloignées qu'elle. Elle ne peut être constituée non plus de particules chargées électriquement, comme les électrons ou les protons, puisqu'on ne repère aucune radiation électromagnétique. Le fait que l'on ne puisse détecter la matière sombre en laboratoire suggère qu'elle passe directement à travers les atomes ordinaires.

Confrontés à cette difficulté intimidante, les chercheurs ont postulé, pour rendre compte de cette masse manquante, l'existence de particules subatomiques exotiques: neutrinos massifs ou axions, mini-trous noirs, ou amas de quarks appelés aussi pépites de quarks (quark nuggets). Mais, en vérité, ils ne savent rien de sûr. C'est pourquoi, partout dans le monde, des équipes de physiciens s'efforcent d'imaginer des détecteurs ultrasensibles, capables de capter quelques signaux subtils de la matière sombre. Cela leur prendra des dizaines d'années, mais ils ne lâcheront sûrement pas prise par manque d'intérêt.

Si la science actuelle est tout entière fondée sur l'observation et la mesure d'un pour cent seulement des briques de construction de la réalité — la matière atomique ordinaire — comment penser que la physique ait atteint son terme? Notre quête de la matière sombre, qui est encore dans son extrême enfance, n'est pas une quête académique banale. La nature et la quantité de masse manquante détermineront en effet le destin ultime de l'univers. Sa gravité énorme ralentira-t-elle son expansion continue? Finira-t-elle par le condamner à s'effondrer sur lui-même? En vérité, le problème de la masse manquante est au cœur de nos efforts pour comprendre le passé, le présent et le futur du cosmos.

Et puis, de quelle matière étrange est donc constituée cette masse manquante? Comment pouvons-nous l'étudier? Quelles lois gouvernement ses comportements? Et si nous réussissons un jour à la capter et à lui donner la forme que nous voulons, qui sait quelles technologies inouïes en pourraient découler?

La naissance de la vie résultant d'un processus chimique, les questions sur l'origine de la vie présentent l'avantage immense de pouvoir être étudiées en laboratoire. On recourt pour cela à deux stratégies complémentaires.

En 1952, Harold Urey, professeur à l'université de Chicago, et Stanley Miller, l'un de ses étudiants, provoquèrent en laboratoire des étincelles électriques dans une atmosphère primordiale de méthane, d'hydrogène et d'ammoniac circulant au-dessus d'un réservoir d'eau chaude. Au bout de quelques jours, ils eurent la surprise de voir la solution, incolore à l'origine, virer au rose, puis au rouge, puis au brun, à mesure que se formait un riche bouillon de molécules organiques. Les expériences de ce genre font évoluer artificiellement les composants de carbone qui existaient à l'époque où la terre commençait à se former, il y a 4.5 milliards d'années. Elles suggèrent que les océans primitifs se sont sans doute remplis rapidement d'une variété de molécules organiques complexes. La concentration d'un tel mélange organique a dû croître sans cesse, aucune vie n'existant pour s'en nourrir.

Mais, bien sûr, il y a une distance énorme entre la soupe organique stérile préparée par Miller et Urey, et une cellule vivante. Cette distance pourrait toutefois être réduite par la seconde stratégie de recherche. L'idée, là, est d'étudier les mécanismes de fonctionnement chimique de deux des organismes unicellulaires les plus primitifs de la terre: les mycoplasmes et les cynobactéries.

Les mycoplasmes sont la forme de vie la plus simple que l'on connaisse; ils ont un diamètre d'environ 1/2500è de millimètre et dépendent de leur environnement pour plusieurs types de substances nutritives, y compris des aminoacides et des bases d'acides nucléiques. Les cynobactéries, eux, sont des organismes unicellulaires plus grands et plus complexes, capables de survivre et de se reproduire à partir des ingrédients de base les plus simples: le dioxyde de carbone, l'azote, l'eau, et quelques minéraux.

La simplicité structurelle des mycoplasmes et chimique des cynobactéries pourrait contribuer à expliquer les mécanismes de la vie primitive. Par exemple, toutes les formes de vie ont une structure cellulaire, et toutes les formes de vie disposent des mécanismes métaboliques qui leur permettent d'extraire l'énergie dont elles ont besoin. On en peut déduire que cette structure et ces mécanismes doivent avoir forcément existé, d'une manière ou d'une autre, dans les premières cellules vivantes. En réduisant ainsi les mécanismes métaboliques aux réactions chimiques les plus simples possibles, les chercheurs espèrent découvrir la séquence des événements qui se sont probablement enchaînés pour permettre à la première cellule de se reproduire.

Le début de la vie fut un événement historique majeur, dont les nombreux détails se conservent aujourd'hui encore dans la structure chimique des cellules. En étudiant cette structure, la recherche biochimique devrait donc pouvoir reconstituer les étapes chimiques du début de la vie et peut-être même les reproduire. Mais même si, d'ici quelques siècles, nous réussissons à connaître en détail la séquence chimique qui a fait surgir la vie sur la terre, qui sait si, ailleurs dans l'univers, des séquences chimiques différentes n'ont pas fait surgir elles aussi la vie? Cette quête des innombrables origines possibles de la vie dans l'univers ne connaîtra jamais de fin.

La troisième quête scientifique, la plus illimitée assurément, et qui mobilise le gros de la recherche fondamentale actuelle, tente de comprendre comment la nature fonctionne: comment les étoiles évoluent, comment les rochers s'érodent, comment le cancer se développe, comment les atomes interagissent entre eux, comment les champignons se reproduisent, et des millions d'autres questions, toutes d'une complexité ahurissante.

Ainsi par exemple cette question, qui interpelle les chercheurs depuis très longtemps: comment un simple œuf fertilisé peut-il se transformer en un être humain? A mesure que l'embryon grandit, les cellules de l'œuf doivent en effet développer entre elles des relations spatiales hyperspécifiques, et ce dans une séquence temporelle immuable. A mesure que le nombre des cellules croît par divisions, ces cellules se spécialisent et acquièrent en effet une identité unique: la tête, l'intestin, les jambes, le cœur, le sang, les os, le cerveau.

Comment est-il possible que les gènes d'un simple œuf fertilisé contiennent toutes les informations qui sont nécessaires pour produire un individu aussi complexe? Cette question a été posée pour la première fois il y a un siècle par Wilhelm Roux, un biologiste allemand, qui étudiait des embryons de grenouilles au microscope. On la trouve aujourd'hui au cœur de l'un des domaines les plus excitants de la science. Et bien que des milliers de chercheurs y consacrent leurs meilleurs efforts, rien ne permet aujourd'hui de penser qu'elle recevra jamais de réponse.

Et même si une réponse lui était un jour donnée, elle serait vraisemblablement d'une complexité et d'une longueur sans égales. L'analyse et la description des étapes spécifiques aboutissant à la production d'une simple mouche — les soies rêches de ses pattes, les facettes impeccablement ordonnées de ses yeux, les nervures exquises de ses ailes — nécessiteraient à elles seules des milliers de volumes épais, tous richement illustrés et remplis à ras bord de jargon génétique. Le même travail, pour l'être humain, nécessiterait sans doute des millions de volumes, sans que l'on sache aujourd'hui comment on en noircirait les pages.

Sans doute faudra-t-il donc des siècles avant que nous ne connaissions le détail des processus de développement qui sculptent nos visages, nos corps et nos esprits. Mais des expériences de biologie développementale remarquables commencent à faire surgir quelques principes de base. La biologie développementale surprend souvent parce qu'elle s'intéresse plus à ce qui va mal qu'à ce qui va bien. La raison en est qu'il est pratiquement impossible de débusquer directement les mécanismes génétiques du développement normal. Et qu'il en serait ainsi même si l'on pouvait geler chacune des séquences de ce mécanisme pour les examiner à loisir. Il y a en effet trop de processus simultanément en cours, trop de gènes qui agissent en même temps. De surcroît, l'embryon humain se développe lentement et son étude pose des problèmes éthiques délicats. L'étude de notre propre espèce a donc beaucoup de peine à progresser.

Pour tenter de contourner ces obstacles, des milliers de biologistes développementaux concentrent leurs efforts sur des organismes beaucoup plus simples et à reproduction beaucoup rapide que l'organisme humain. Leur stratégie de recherche standard consiste à faire se reproduire des millions d'animaux à vie courte, le plus souvent des mouches du vinaigre, Drosophila melanogaster, dont le cycle de vie a le bon goût de n'être que de 10 à 14 jours, ou, à défaut, des vers plats, Caenorhabditis elegans, ou des petits vertébrés: poissons zébrés, grenouilles, souris.

Dans le cas des mouches du vinaigre, le plus fréquent, les biologistes développementaux exposent les insectes en train de se reproduire, ou leurs œufs, à des rayons X ou à des produits chimiques mutagènes, et obtiennent ainsi une quantité énorme d'individus mutants. Lorsqu'une mouche ne réussit pas à se développer ou se développe de manière anormale, les équipes de recherche se précipitent pour identifier le gène responsable de ce malfonctionnement. Et à mesure qu'elles débusquent les gènes critiques, elles commencent à reconstituer le puzzle du développement de la vie.

Il va sans dire, cependant, que lorsque d'anciennes énigmes se résolvent, de nouvelles surgissent. Les progrès récents de la recherche dans quelques domaines-clés, brièvement évoqués ci-dessous, en attestent.

Contrôles chimiques à l'intérieur de l'œuf. Le développement d'un organisme complexe commence longtemps avant l'acte sexuel, parfois des mois ou des années avant que l'œuf et le sperme ne soient réunis. Chaque œuf, par exemple, doit contenir une suite de messages chimiques complexes qui vont guider la formation initiale de l'embryon. Dans les vers plats, la première division cellulaire produit toujours une plus grande cellule en tête et une plus petite en queue. Si l'on ôte l'une de ces deux cellules, la division suivante produit de nouveau une cellule plus grande en tête et une plus petite en queue. On en peut déduire que le message chimique contenu dans l'œuf distingue d'emblée la tête de la queue. Pourtant, l'œuf ne peut contrôler indéfiniment le développement de l'organisme. Si, après deux divisions cellulaires (quatre cellules), l'on ôte l'une quelconque de ces cellules, le vers va souffrir d'une déformation grave. On peut en déduire qu'après deux divisions cellulaires, ce sont les cellules elles-mêmes qui s'envoient les unes aux autres les signaux qui vont guider le développement ultérieur. Comment font-elles? C'est ce que les chercheurs essaient aujourd'hui de découvrir.

Régulation des gènes. Le processus qui fait qu'un gène spécifique produise ou ne produise pas une protéine est au cœur de la biologie développementale. Chaque cellule d'un organisme contient le génome complet de l'organisme, c'est-à-dire les instructions nécessaires à la production de toutes les protéines dont il pourrait avoir besoin. Or, malgré son potentiel universel, chaque cellule remplit des fonctions très spécialisées. Toutes les cellules du pancréas, par exemple, contiennent l'ensemble des gènes du corps humain, et pourtant chaque type d'entre elles produit seulement un nombre limité de protéines pancréatiques spécifiques, notamment de l'insuline (unr hormone) et une variété d'enzymes digestives. Bien que les chercheurs sachent désormais que chaque étape du développement est contrôlé par une combinaison unique de signaux chimiques, ils ne font que commencer à comprendre comment ces signaux régulent le développement et le fonctionnement de milliers de gènes dans chaque cellule du corps.

Mort programmée des cellules. La biologie développementale s'intéresse à la mort des cellules autant qu'à leur croissance. A mesure qu'un embryon se développe, la mort extraordinairement sélective de certaines cellules sculpte en effet les creux, les cavités et les tubes de l'embryon, destinés à constituer les structures essentielles du corps du nouveau-né. Les cellules constituant par exemple les tissus palmés qui relient les doigts et les orteils en train de se former, finissent par mourir pour dégager doigts et orteils. Dans le cerveau, de grandes quantités de cellules meurent, pour ne laisser vivre que celles d'entre elles qui ont construit des réseaux interactifs et productifs. La mort programmée élimine aussi les cellules du système immunitaire capables de reconnaître les cellules de l'organisme auquel elles appartiennent, car elles risqueraient de les attaquer. De manière plus générale, la mort programmée régule le nombre total des cellules de l'organisme durant toute la vie de ce dernier; elle supprime notamment les cellules défectueuses ou endommagées. Mais comment les cellules savent-elles à quel moment elles doivent mourir? C'est l'une grandes questions auxquelles la biologie développementale ne peut pour l'heure apporter de réponse.

Instructions d'assemblage. De nombreux organismes — par exemple les mouches, les vers, les poissons, les hommes — ont des plans corporels remarquablement semblables: un avant, un arrière, et un long intestin qui s'étend de l'un à l'autre. En 1984, des biologistes qui travaillaient sur des mouches du vinaigre ont découvert qu'une mutation grotesque — des pattes poussant sur la tête des insectes à la place d'antennes — coïncidait avec un petit segment défectueux de l'ADN d'un gène. Ce segment, appelé "homeobox" — qui code la synthèse d'une protéine capable de se fixer à des segments spécifiques d'ADN —, régule les gènes qui déterminent le développement des schémas corporels, notamment le schéma répétitif des pattes chez les arthropodes, des facettes oculaires chez les mouches, des vertèbres chez les mammifères.

Des "homeoboxes" pratiquement identiques apparaissent plus de 100 fois sur le génome de la mouche, chacun d'eux lié à un gène de développement spécifique. Ces "homeoboxes" et les gènes qui leur sont associés se regroupent autour de deux séquences chromosomales géantes, chacune longue d'un quart de million de paires de bases! Les biologistes développementaux ont été étonnés de découvrir que la manière dont ces gènes sont ordonnés le long des chromosomes est identique à l'ordre avant-arrière des "homeoboxes" dans l'embryon de la mouche. Lorsqu'une "homeobox" se brise, les instructions d'assemblage de la mouche se mélangent.

Mais ce qui a vraiment soufflé les biologistes, c'est de découvrir dans toutes sortes d'organismes — des vers aux humains — des "homeoboxes" pratiquement identiques, qui diffusent des paquets d'instructions génétiques déterminant — des dents aux orteils — toutes sortes de structures anatomiques.

Les implications de cette découverte sont nombreuses. Auparavant, on pensait que chaque étape du développement était une séquence unique en son genre, déclenchée par une combinaison elle aussi unique de signaux génétiques. La découverte du rôle universel des "homeoboxes" suggère ce que de nombreux biologistes espéraient: que le détail du développement des organismes obéit à des principes généraux — et qu'en conséquence les recherches conduites sur les mouches du vinaigre et quelques autres animaux ont un rapport direct avec le développement de l'embryon humain.

De fait, tant les principes généraux que plusieurs des étapes de détail observés dans le développement de la mouche éclairent le processus de développement humain — lequel est cependant, il est vrai, beaucoup plus complexe et difficile d'accès. Des chercheurs supputent aujourd'hui que certains défauts des séquences de contrôle des "homeoboxes" pourraient être responsables d'anomalies à la naissance et d'avortements spontanés chez les humains. Et pensent que si l'on pouvait un jour déchiffrer le code des "homeoboxes", les patients dont les reins ou les poumons sont endommagés pourraient les régénérer à partir d'une unique cellule saine; les victimes de lésions au cerveau ou à la moelle épinière pourraient produire de nouveaux neurones ou de nouvelles cellules nerveuses; et les patients cancéreux pourraient sélectionner et supprimer leurs cellules malades. Les instructions nécessaires à remettre en nous toutes choses en état sont enfouies au plus profond de chacune de nos cellules; il suffirait en somme que nous apprenions à débusquer ces instructions et à les lire.

Les quelques questions scientifiques pressantes évoquées dans cet article augurent, à elles seules, de siècles de recherches et de découvertes. Les critiques qui, comme John Horgan [auteur, dans ce numéro, de "La science? Il ne lui reste plus rien à découvrir!"] parlent de la fin de la physique, de la fin de la cosmologie, de la fin de la biologie évolutionniste, raisonnent comme si la connaissance scientifique existait en petits paquets séparés, fermés hermétiquement. Or la nature ne connaît aucune limite de ce genre. La physique est une partie de la cosmologie qui est une partie de la géologie qui est une partie de la vie. Les questions les plus excitantes auxquelles devront répondre les chercheurs de l'avenir ne surgiront pas du cœur des connaissances établies, mais des surfaces de recoupement encore inexplorées entre disciplines académiques traditionnelles.

D'ailleurs, le progrès de la science se mesure moins, je le répète, par les questions auxquelles elle a déjà donné réponse, que par la liste des questions qu'elle se pose encore. A vues humaines, ce questionnement ne cessera jamais.

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