Origines de la vie
Enseignement d'exploration 2010-2011

Cette page est destinée aux élèves de seconde du Lycée Jules Verne (Nantes) qui suivent les enseignements d'exploration « Méthodes et Pratiques Scientifiques » dans le cadre d'un partenariat avec le CEA.

Le sujet du cours pour l'année scolaire 2010-2011 est "Les origines de la vie" d'un point de vue scientifique, en particulier en relation avec les connaissances présentes en Astrophysique, Chimie, et Sciences du vivant. Ce cours apporte également un éclairage sur la méthode et l'esprit scientifiques à travers des réflexions philosophiques.

En plus d'une série de cours-conférences et d'activités en groupe, plusieurs séances sont dédiées à la conception de projets de diffusion de la culture scientifique en tant qu’objets de recherche. Les élèves devront concevoir, développer et réfléchir à la création d’outils innovants de diffusion de la culture scientifique. 

Responsable et contact au CEA: Vincent Minier

Contact au Lycée Jules Verne: Jocelyne Harmand (proviseur)

Equipe: Sébastien Deniaud (enseignant en Sciences du Vivant et de la Terre),  Vincent Minier (astrophysicien), Jean-Luc Nativelle (enseignant en Philosophie), Pierre Valeau (enseignant en Sciences Physiques).

 

Les cours-conférences

Séance 1 (24 septembre 2010)

Introduction au sujet des cours-conférences (télécharger la vidéo en format basse définition. 30 Mo).

Nous avons présenté, à partir d'une vidéo, l'ensemble des thèmes scientifiques qui seront abordés pendant les séances de cours-conférences.

À retenir:

- Les limites du langage pour définir le sens de l'expression "les origines de la vie" à partir des définitions usuelles des mots "Origines" et "Vie". 

- La compréhension de l'apparition de la vie nécessite un cadre scientifique très large, comprenant l'astrophysique, la chimie, les sciences du vivant et de la Terre, et une méthode scientifique.

- Qu'est-ce qu'une méthode scientifique ? Qu'est-ce qu'un esprit scientifique ? (voir La notion d'obstacle épistémologique chez G. Bachelard, La formation de l'esprit scientifique).

Compléments d'information:

Des hommes et des instruments pour observer le ciel.

Le site Web de SOHO, un observatoire en orbite autour du Soleil.

La featurette d'Avatar sur Pandora.

L'observatoire européen de l'hémisphère sud (ESO).

L'Agence spatiale européenne.

 

Séance 2 (8 octobre 2010)

La formation des étoiles et des planètes (télécharger la vidéo en format moyenne définition. 80 Mo et la présentation powerpoint sur les télescope, ppsx).

Astrophysique et sciences physiques.

À retenir:

À travers un voyage dans Orion, à l'oeil puis avec des télescopes spatiaux comme Hubble et au sol comme le VLT, nous avons vu les limites de notre vision nocturne pour accéder aux nébuleuses, nuages de gaz et de poussière où sont fabriquées les étoiles. Notre intuition de l'univers à travers la contemplation de la voûte céleste se révèle ainsi fausse. Le ciel n'est plus immuable et des processus, certes longs à l'échelle d'une vie humaine, prennent place dans des couleurs de l'univers, invisibles à l'oeil. Les nébuleuses et les étoiles naissantes éclairent le ciel et brillent dans l'infrarouge et les micro-ondes, véritables lumières invisibles. Ces lumières sont captées par des télescopes de plus en plus grands pour capturer plus de lumière en un temps donné et pour augmenter le pouvoir de séparer des objets petits en projection sur le ciel. On voit ainsi apparaitre des objets peu lumineux ou lointains. Les étoiles naissent à partir d'un cocon de gaz et de poussière qui n'est qu'une poche plus dense dans le nuage moléculaire (la nébuleuse!). Sous l'effet de son propre poids, le cocon s'effondre, un noyau de forme au centre qui va par la suite dévorer la matière du cocon et grossir pour devenir une étoile. Les planètes se formeront autour de l'étoile à partir des restes du cocon, c'est-à-dire à partir de résidus et de débris de grains de poussière. Tout cela prend du temps, quelques dizaines de milliers d'années. L'astronome ne peut pas être le témoin de la formation d'une étoile au cours de sa vie. Il doit capturer les différentes étapes de la formation des étoiles et des planètes en observant différentes zones du ciel, pour ensuite retrouver le fil des étapes et proposer un scénario d'évolution. L'astronome est dépendant de l'observation.  

Compléments d'information:

Voyage dans les nurseries stellaires (pdf)

Herschel et la formation des étoiles (Web)

 

Séance 3 (26 novembre 2010)

Production des atomes et des molécules (télécharger la vidéo en moyenne définition: 65 Mo; et la présentation sur les réactions nucléaires dans une étoiles).

Astrophysique et chimie.

À retenir:

Cette séance a eu pour objectif de comprendre l'origine des éléments chimiques, molécules et atomes, que l'on retrouve dans les êtres vivants. D'où viennent carbone, eau, oxygène...? Dans la séance 2, nous avions appris que les étoiles se formaient à partir du gaz et de poussière qui eux-mêmes constituent les nuages moléculaires ou nébuleuses comme la nébuleuse d'Orion. Ces nuages moléculaires sont ainsi d'immenses réservoirs de gaz: du dihydrogène (H2) essentiellement mais également du monoxyde de carbone (CO), de l'eau (H2O), et en quantité moindre du méthanol (CH3OH) et de l'ammoniaque (NH3). Les observations indiquent que les quantités de gaz (on nomme cela les abondances) sont à peu près les mêmes d'une nébuleuses à l'autre. Les abondances mesurées sur des météorites donnent des indications de la composition chimique du gaz résiduel dans le système solaire (les restes de gaz du nuage moléculaire qui n'a pas été converti en étoile). Celle-ci indique que l'hydrogène est l'élément le plus abondant, et que l'hélium, le carbone et l'oxygène suivent. D'où vient le carbone (C) du monyde de carbone (CO) ou l'oxygène (O) de l'eau (H2O)? La réponse est venue il y a une soixantaine d'années. Au début du 20e siècle, des physiciens ont compris que l'énergie des étoiles, celle qui fait briller le Soleil, ne pouvait pas être l'énergie libérée par l'écrasement progressif de l'étoile sous son propre poids. Sinon le Soleil aurait une vie de quelques millions d'années. Or à la même période, les mesures de l'age des météorites en regardant par exemple la quantité de plomb produite par la désintégration d'uranium, donnèrent un age de 4,5 milliards d'années. Si les météorites se sont formées avec le système solaire, alors le soleil ne peut pas avoir un espérance de vie de quelques millions. La solution vint de la fusion nucléaire dès 1939. Si la source d'énergie d'une étoile est la fusion de l'hydrogène en hélium, alors sa durée de vie approcherait quelques dizaines de milliards d'années, en accord avec l'âge estimé du Soleil. Dans les années 1950, la théorie de la nucléosynthèse termina ce cheminement de la pensée scientifique et la rencontre de plusieurs domaines de la physique (fusion nucléaire, cosmochimie avec les météorites, physique stellaire). Cette théorie expliqua la production des éléments chimiques, en particulier les noyaux de carbone, d'oxygène, jusqu'au fer par fusion nucléaire dans les coeurs des étoiles. L'hydrogène et l'hélium demeurant des éléments produits lors de la nucléosynthèse primordial il y a 13,7 milliards d'années. Les éléments plus lourds que le fer sont quant à eux produits lors de l'explosion thermonucléaire de certaines étoiles, suffisamment massives (plus de 8 fois la masse de notre soleil) pour exploser en supernovae. Plus qu'une origine des éléments chimiques, c'est un véritable cycle de la matière qui est apparu: les étoiles naissent dans les nébuleuses de gaz (ou nuages moléculaires), les étoiles transforment progressivement l'hydrogène en éléments plus lourds comme l'oxygène et le carbone, puis elles perdent une partie des éléments fabriqués, soit doucement sous forme de vent stellaire, soit violemment sous forme d'explosions pour les plus grosses. Les étoiles redonnent alors au milieu interstellaire ces éléments chimiques qui enrichisseront un nouveau nuage moléculaire pour former de nouvelles étoiles...un cycle multiple dont le système solaire est un des résultats. 

Compléments d'information:

Animation et explications sur la radioactivités (animation flash - site CEA jeunes)

Animation et explications sur les réactions nucléaires (animation flash - site CEA jeunes)


Séance 4 (3 décembre 2010)

Les planètes habitables et l'émergence de la vie (télécharger la vidéo en moyenne définition: 52 Mo; et la présentation sur une définition simplifiée de la vie et de ses constituants)

Astrophysique et science du vivant.

À retenir:

Dans cette séance, la notion d'habitabilité des planètes a été expliquée. Partant du diagramme présentant la zone d'habitabilité en fonction de la distance d'une planète à son étoile et de la masse de l'étoile, on a rappelé que cette courbe définissait la zone à l'intérieur de laquelle de l'eau liquide pouvait être préservée sur les planètes. La définition en astrophysique de l'habitabilité d'une planète revient donc à considérer que celle-ci a des océans, de l'eau liquide ! Nous avons également rappelé que la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone était deux agents importants de l'effet de serre. Les gaz à effet de serre bloquent le rayonnement infrarouge de la planète qui est chauffée par son étoile. Trop de vapeur d'eau dans l'atmosphère conduit à un réchauffement et à une vaporisation des océans, conduisant à son tour à un effet de serre supplémentaire et ainsi de suite. C'est l'emballement de l'effet de serre ou "runaway greenhouse effect" en anglais. Si la température de la surface planétaire dépasse 650 K (attention 0 K = - 273,15°C), alors toute l'eau est sous forme de vapeur. La molécule d'eau ayant la formule chimique H2O, en phase gazeuse elle peut se casser en H (hydrogène) et O (oxygène) sous l'effet de rayonnement UV trop fort dans la haute atmosphère. Il existe donc un risque de perdre progressivement l'eau sous toutes ses formes. C'est épisode est peut-être arrivé à Vénus. Le CO2 (dioxyde de carbone) est également un gaz important pour l'effet de serre. Une légère variation de son abondance peut également conduire à une modification profonde de l'équilibre thermique d'une planète qui préserve l'eau liquide, et donc la vie. Enfin nous avons vu qu'il existe aujourd'hui plus de 500 exoplanètes (hors de notre système solaire). Plusieurs méthodes de détection existent comme la technique du transit (la planète passe alors devant son étoile) et la mesure de la vitesse radial (doppler radial velocity: la planète attire et provoque le mouvement de son étoile autour du centre de masse du système planète-étoile). Parmi ces exoplanètes, plusieurs sont en orbite autour de naines rouges, des étoiles plus petites que notre soleil. La zone d'habitabilité est donc plus proche de l'étoile car une étoile plus petite que le soleil rayonnement moins d'énergie. Par contre, si la planète est plus proche de l'étoile, elle subit fortement les effets de marée dus à la force gravitationnelle de l'étoile. La planète peut alors synchroniser sa révolution avec sa rotation autour de l'étoile et ne présenter qu'une seule face à son étoile. La seconde partie de la séance fut dédiée à une définition biologique de la vie et des constituants principaux (protéines, ADN, lipides, cellules...). Tout cela a peut être commencer dans l'eau ! 

Compléments d'information:

Le texte lu pendant le cours d'A. Brack

Le monde d'Avatar est-il réaliste ? (podcasts par Roland Lehoucq, CEA) 

Analyse de l'atmosphère d'une super Terre (article sur le Web)

 

Séance 5 (28 janvier 2011)

Les représentations de la vie. La vie ailleurs ? (télécharger la vidéo en format moyenne défition .m4v, 60 Mo)

Philosophie, science du vivant et astrophysique.

À retenir:

Dans cette séance, nous avons identifié trois obstacles qui empêchent d'imaginer des représentations de la vie autrement qu'à travers notre propre représentation: l'anthropomorphisme, l'anthropocentrisme et le finalisme. Projeter sur les animaux ou les choses des qualités humaines, ou penser que le monde qui nous entoure est centré sur l'Homme et que la nature a été créée pour lui, sont des obstables à la démarche scientifique qui vise à se représenter des formes de vie ailleurs. Il s'agit d'obstacles épistémologiques comme nous l'avons vu dans la première séance. Le cas de la bipèdie et de la position supérieure de l'homme dans l'arbre de l'évolution est un exemple d'anthropocentrisme et de finalisme. Pendant longtemps la bipèdie fut pensée comme un degré d'évolution supérieur à la quadrupédie d'autres mammifères comme le singe. Et si l'ancêtre de l'homme et du singe était bipède ? C'est ce que suggère de nouveaux travaux.  La recherche de vie ailleurs, d'extraterrestres, comporte également de nombreux obstacles épistémologiques, en particulier anthropomorphiques. Dans les représentations que nous nous faisons de ce qui n’est pas humain, nous projetons beaucoup de notre humanité. Ainsi depuis 30 ans, des astrobiologistes du programme SETI (Search for ExtraTerrestrial Intelligence) envoient des signaux à d'éventuelles civilisations et tentent de détecter des signaux provenant de vie intelligente extraterrestre sans succès. Les extraterrestres, s'ils existent et s'ils parvenaient à détecter nos signaux, seraient-ils de toute façon capables de les décrypter ? Comprennent-ils nos mathématiques ? Le pari est là. D'autres travaux se concentrent sur la recherche de planètes habitables. Mais là encore, l'hypothèse est celle de la Terre comme planète habitable prototype. Enfin des télescopes et des sondes spatiales observent des briques élémentaires de la vie soit dans les nébuleuses soit in situ en se posant sur des planètes, des lunes et des comètes. Il s'agit de molécules complexes, d'acides aminés qui composent la chimie pré-biotique, c'est-à-dire avant la vie. Nous voyons un second obstacle apparaitre. L'obstacle technologique. Cette recherche nécessite des télescopes et des systèmes de détection de plus en plus performants. Pour voir directement une forme de vie sur une planète à 30 années-lumière, il faudrait un télescope tellement grand qu'il est impossible à construire. Nos observations de vies extraterrestres en dehors du système solaire, si elles réussissent un jour, ne seront que des observations de manifestations ou de possibilités de la vie, telle qu'une atmosphère présentant la "bonne" composition chimique. Il est donc légitime de se poser la question si nous regardons dans le bonne direction ?

 

Séance 6 (25 février 2011)

Le scientifique, un homme d'expérienceS ? 

Philosophie, science du vivant, physique et astrophysique.

À retenir:

- Un homme d'expérience (sans 's') est quelqu'un qui a acquis un savoir par soi-même, au fil des situations qui se sont présentées à lui.

- Mais au pluriel, un homme d'expérienceS a une autre signification. Il s'agit de quelqu'un qui fait des expériences dans un laboratoire par exemple, en vue d'établir une vérité ou de contredire une théorie.

- Pourtant tout cela reste une question car le lien entre la réalisation d'expériences et le savoir de la science n'est pas si évident. La science peut-elle toujours s'appuyer sur l'expérience ?

- L'expérience, c'est aussi un mot qui décrit notre rapport avec le monde par l'intermédiaire de la perception (humaine).

- Donc trois significations:

(1) Avoir l'expérience sensible du monde (perception); (2) Etre un homme d'expérience (vécu); (3) Faire des expériences (science).

- L'expérience sensible contredit souvent la vérité scientifique. Ainsi une pomme tombe si on la lache, mais la lune ne tombe pas. Pourtant la chute de la pomme et le mouvement de la Lune autour de la Terre obéissent à une même loi: la Gravité. La Lune tombe en réalité d'un point de vue scientifique. C'est d'ailleurs le sens du mot "gravité". C'est ici plus la capacité de raisonner et de conceptualiser qui décrit la démarche scientifique de Newton ou de Galilée pour comprendre la chute des corps.

- Dans certains cas, les objets de science ne sont pas accessibles à l'expérience. Par exemple, en astronomie il est impossible de faire une expérience sur une étoile. Donc on observe les astres et on tente de reconstruire leur évolution à partir de mesures sur des astres variés en âge et nature. Récemment, la simulation numérique a permis aux astrophysiciens de simuler l'évolution dans le temps de galaxies, et ainsi, de guider les observations. En quelque sorte, on fait des expériences d'astrophysique dans un super-ordinateur.

- Le scientifique n'est donc pas toujours un homme d'expériences, car celles-ci sont parfois impossibles à réaliser sur Terre. Néanmoins, l'expérience et sa version plus passive l'observation, demeurent les seuls outils capables de vérifier le bien fondé d'une théorie scientifique.

 

Activités

Il s'agit de cours dispensé par un des enseignants qui permettent d'approfondir les concepts présentés en cours-conférences.

Activités SVT

 

Production demandée aux élèves - Liste (non limitée) de projets de diffusion de la culture scientifique

Il est demandé aux élèves de constituer des mini-groupes de 3-4 personnes pour concevoir, développer et réfléchir à la création d’outils innovants de diffusion de la culture scientifique. La liste suivante propose des sujets possibles:

- Imaginer un scénario de Web documentaire sur la science, en particulier sur les sujets des cours-conférences.

- Imaginer la trame d'un jeux vidéo intelligent sur l'astronomie.

- Proposer des expériences à filmer comme dans « C’est pas sorcier ».

- Réaliser la critique d’un film de science-fiction à travers une analyse scientifique.

- Concevoir un projet de site Web pour diffuser la culture scientifique et technique.

Les productions seront présentées sous forme de panneaux ou de posters.

 

A l'issue de cet enseignement, les 46 élèves, en groupes de 2 à 4 élèves, ont présenté leurs productions à leurs camarades et aux enseignants. La présentation classique de l'exposé a été fortement retenue. Plusieurs groupes ont proposé des formats originaux: un jeu télévisé sur la culture scientifique (vidéo), un scénario de jeu vidéo portant sur l'accès progressif à des télescopes puissants en vue de mener des observations des atmosphères d'exoplanètes...

 

Liens intéressants pour le cours

Collections de videos et d'animations d'astrophysique sur spacetelescope.org

Des vidéos expliquant les observations réalisées par le télescope spatial Hubble et le VLT...

Astrophysique TV sur Dailymotion

Des vidéos et des Web documentaires sur l'astrophysique.

Dans les secrets de l'Univers

Un numéro du magazine Clefs CEA sur l'astrophysique et ses instruments.

La mission Rosetta de l'Agence spatiale européenne (en anglais)

Mission d'exploration d'une comète.

Le programme SETI (en anglais)

Recherche de vie intelligente.

 
#2862 - Màj : 24/03/2011

 

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