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Edito : Les 14 avancées scientifiques qui ont marqué 2021

L’année 2021 a été particulièrement féconde en matière de découvertes majeures et j’ai souhaité, pour cet éditorial en début d'année, revenir sur les percées scientifiques qui m’ont semblé les plus remarquables. Je l’avoue, ce choix a été très difficile, mais au final, j’ai retenu quatorze découvertes qui montrent à quel point la science est vivante et progresse dans tous les domaines de la connaissance, de l’Anthropologie à l’Astronomie, en passant par la physique, l’énergie, l’informatique et la biologie.

La première découverte de taille revient à l’équipe d’Elisabeth Turner, Professeur des Sciences de la Terre à l’Université Laurentienne (Ontario-Canada). Ces chercheurs ont découvert des structures fossiles ressemblant à des éponges connues sous le nom de Néoprotérozoïque, dans le nord-ouest du Canada, où se trouvaient des océans il y a 890 millions d'années. Ces fossiles seraient donc les restes de la plus ancienne forme de vie animale connue. Cette découverte est considérée comme très solide par la communauté scientifique, car seul ce type d’organisme possède ce genre de réseau de filaments organiques. Elle recule de 350 millions d’années dans le passé le plus vieux fossile d'animal identifié jusqu’à présent (- 540 millions d'années). L’existence de ces fossiles d’éponges remet également en cause la vieille théorie selon laquelle les animaux seraient apparus uniquement à la suite d’une importante augmentation du niveau d'oxygène dans l'atmosphère et les océans (Voir Nature).

Dans le domaine anthropologique, il faut aussi évoquer l’étude des chercheurs de l'Université Griffith en Australie qui ont découvert dans une grotte de l’île de Sulawesi (Archipel des Célèbes), en Indonésie, un dessin de cochon sauvage, faisant partie d’une fresque plus importante, qui date d'environ 45 500 avant J.-C (7000 ans plus ancienne que les fresques de la grotte Chauvet en France). Il s’agirait donc de la plus ancienne peinture rupestre au monde (Voir Griffith University). Peinte à l’ocre rouge, cette représentation de cochon a laissé les chercheurs sans voix et leur datation à - 45 500 av. J.-C a pu être établie grâce à une analyse des dépôts minéraux dans la grotte. Cette fresque devient donc la plus ancienne représentation artistique découverte à ce jour. Parallèlement, une autre équipe internationale découvrait au Maroc des parures faites de coquillages colorés, vieilles de 142 000 à 150 000 ans, de ce fait considérées comme "les plus anciennes au monde". Ces découvertes montrent qu’il existait déjà une pensée symbolique dans ce lointain passé, et peut-être un langage élaboré pour transmettre ces concepts…

La physique fondamentale aura également connu de grands bouleversements en 2021, avec la découverte par une équipe de l’Université Cornell, conduite par Lawrence Gibbons, de deux anomalies, sur le Muon (particule élémentaire de la famille des leptons) et le Méson B, (Particule non élémentaire composée d'un quark et d'un antiquark) qui remettent sérieusement en cause la cohérence du "modèle standard", pilier de toute la physique, composé de 17 particules (6 quarks, 6 leptons, 4 bosons de jauge et enfin le boson de Higgs). Dans une expérience réalisée au Fermilab, le célèbre laboratoire spécialisé dans la physique des particules, situé à Chicago, ces physiciens ont découvert que certaines particules élémentaires appelées muons se comportent d'une manière qui n'est pas prévue par le modèle standard de la physique des particules. Dans la première phase de cette expérience, les physiciens ont placé 8 milliards de muons autour d'un anneau de 14 mètres, puis ils ont appliqué un champ magnétique. Selon les lois de la physique du modèle standard, cela devait faire osciller les muons à un certain rythme. Mais, à leur grande surprise, les scientifiques ont constaté que ces muons oscillaient à un rythme plus rapide que prévu (Voir Cornell University). Pour expliquer ces étranges résultats, ces physiciens font l’hypothèse d’une force de la nature à l’œuvre, qui serait encore totalement inconnue de la physique. « Nous pourrions être sur le point de découvrir une nouvelle force ou une nouvelle particule, au-delà de celles que nous connaissons actuellement », affirme le physicien américain Lawrence Gibbons, de l’Université Cornell.

Nous restons dans le domaine en pleine effervescence de la physique, et de l’énergie, avec l’avancée remarquable annoncée en août dernier par le laboratoire américain Lawrence Livermore, qui a annoncé que son laser surpuissant, le NIF, avait battu le record de l’énergie produite par fusion nucléaire. Cette réaction qui se déroule de manière naturelle au cœur des étoiles, dont notre Soleil. Les 1,3 million de joules atteints multiplient par huit le précédent record et sont très proches du seuil dit d’ignition (1,9 million de joules), où l’énergie produite dépasse l’énergie apportée pour amorcer la réaction. Ce résultat très encourageant a été obtenu par un tir de 192 faisceaux laser sur une minuscule cible pendant environ 20 milliardièmes de seconde. Il est important de souligner que ce résultat a été obtenu avec une technique différente (confinement inertiel) de celle utilisée dans la machine internationale ITER (confinement magnétique dans un tokamak), en construction dans les Bouches-du-Rhône, qui chauffe et comprime un plasma fait de deutérium et de tritium pour les faire fusionner. Quant au MIT, il a, lui, franchi une autre étape vers la domestication de la fusion, en testant une nouvelle configuration d’aimants très performants, qui ouvre la voie vers un futur réacteur plus compact. Dans cette compétition technologique mondiale, la Chine n’est pas en reste : en juin dernier, les ingénieurs chinois étaient déjà parvenus à stabiliser un plasma de 120 millions de degrés pendant 101 secondes, créant l'événement dans la communauté scientifique. En décembre dernier, ces mêmes chercheurs du centre chinois d’expérimentation superconductrice avancée (EAST) ont franchi une nouvelle étape décisive, en stabilisant un plasma à 70 millions de degrés Celsius pendant 1056 secondes... Désormais, la question n’est plus de savoir si la maîtrise de la fusion thermonucléaire est possible, mais quand elle aura lieu…

2021 aurait également été marqué par une avancée majeure vers le nouveau Graal de l’informatique, l’ordinateur quantique, avec le processeur quantique "Eagle" lancé par IBM le 16 novembre dernier. Forte de ses 127 qubits, cette nouvelle puce, conçue selon une nouvelle architecture à trois dimensions, marque une véritable rupture et représente le premier microprocesseur quantique dont le comportement ne peut pas être simulé par un ordinateur classique. Et IBM compte bien maintenir son avance dans ce domaine stratégique, en développant sa puce Condor de 1121 qubits, qui devrait être disponible d’ici 2023. Condor pourrait bien être la première puce quantique pouvant résoudre un problème du monde réel plus rapidement que n’importe quel ordinateur standard.

Autre avancée majeure, aux confins de la physique et de l’informatique, la découverte des « cristaux temporels ». Dans une étude mise en ligne fin juillet, des chercheurs de Google, en collaboration avec les universités américaines de Princeton et Stanford, indiquent avoir réussi à simuler un cristal temporel grâce à leur ordinateur quantique. Il s’agit d’un nouvel état de la matière qui n’existe pas à l’état naturel. Dans la nature, tous les cristaux possèdent des atomes qui sont organisés de manière régulière, selon un motif redondant. Le cristal temporel, lui, va répéter un motif identique dans le temps, faute de pouvoir parvenir à un équilibre thermique. Au lieu d’évoluer progressivement vers un désordre croissant, ces cristaux restent emprisonnés dans deux configurations à haute énergie entre lesquelles ils passent – et ce processus de va-et-vient peut durer éternellement, sans déperdition d’énergie. Cette expérience remarquable valide une théorie émise en 2012 par une équipe du prix Nobel Franck Wilczek. Cette découverte est absolument majeure car elle montre qu’il existe un nouvel état de la matière, certes très particulier, qui peut violer à la fois la première loi du mouvement de Newton et le second principe de la thermodynamique (entropie croissante) – qui affirme que l’état d’un système, notamment lors d’échanges thermiques, s’éloigne de son état initial dans un désordre croissant (Voir Quanta Magazine).

Le domaine des transports aura également été marqué par une première mondiale, qui a eu lieu à Hambourg, dans le nord de l’Allemagne. Quatre trains S-Bahn autonomes ont en effet circulé le 11 octobre sur une portion de 23 kilomètres, entre les gares Berliner Tor et Bergedorf/Aumühle, dans le cadre d’un ambitieux projet de recherche mené par la Deutsche Bahn en coopération avec le constructeur Siemens Mobility et la ville de Hambourg. Fait remarquable, le système retenu en Allemagne est ouvert ; il ne nécessite pas de modifier les infrastructures et peut s’intégrer dans le trafic existant. Techniquement, la circulation de ces trains autonomes repose sur la future norme européenne de système automatique des trains ATO (Automatic Train Operation), combinée au système européen de contrôle des trains ETCS (European Train Control System). En France, des expérimentations de bus autonomes sont en cours en région parisienne, mais le prototype de train autonome de la SNCF ne devrait pas circuler dans notre pays avant 2023 (Voir Siemens).

Dans les découvertes qui auront marqué 2021, j'ai également retenu une très belle percée chinoise en biochimie. Des scientifiques chinois de l’Institut des biotechnologies industrielles de Tianjin ont mis au point une méthode artificielle de synthèse de l’amidon à partir de dioxyde de carbone. Composant principal des aliments, l’amidon est généralement produit par les céréales à travers la photosynthèse. La synthèse d’amidon dans la nature nécessite environ 60 réactions métaboliques et une régulation physiologique complexe. « L’équipe de chercheurs a conçu une voie de synthèse de l’amidon consistant en seulement onze réactions centrales, réalisant pour la première mois la synthèse complète du dioxyde de carbone en molécules d’amidon dans un laboratoire », a indiqué Ma Yanhe, directeur général de l’Institut des biotechnologies industrielles de Tianjin (Voir Tianjin Institute of Industrial Biotechnology). Selon le directeur de l’institut de Tianjin, le procédé mis à jour serait 8,5 fois plus efficace que la production d’amidon en provenance de l’agriculture traditionnelle, un bioréacteur d’un mètre cube pouvant produire autant qu’un champ de maïs de 1,5 hectare pendant un an. L’enjeu est considérable car cette avancée ouvre la voie vers la production massive d’amidon à partir de CO2, ce qui permettra de produire des glucides de façon industrielle, sans avoir recours à des techniques agricoles fortement consommatrices en terres cultivables, en eau et en pesticides. Au niveau mondial, l’amidon est un marché en plein essor. Il atteint les 90 millions de tonnes par an, dont un tiers est produit par la Chine.

Passons à présent aux découvertes majeures qui ont émaillé le domaine de la biologie et de la médecine au cours de l'année 2021. Des chirurgiens du centre de santé Langone de l’Université de New York sont parvenus à implanter un rein de cochon dans un être humain sans que celui-ci ne rejette l’organe porcin. Les chirurgiens ont connecté le rein de cochon aux vaisseaux sanguins du patient, mais l’ont gardé à l’extérieur du corps pour pouvoir l’observer avant de le retirer trois jours après. Et non seulement l’organe n’a pas été rejeté par l'organisme du patient, mais il fonctionnait normalement, en produisant une quantité normale d’urine et en normalisant les niveaux sanguins de créatinine, un produit de la déshydratation du muscle qui, normalement, est éliminé par l’urine (Voir NYU Langone). Jusqu’à présent, toutes les tentatives de xénogreffe provenant du porc s’étaient heurtées au redoutable obstacle du rejet immunitaire provoqué principalement par le glycane, un sucre présent dans les organes du cochon qui déclenche une forte réponse immunitaire chez l’humain. Pour éviter ce risque de rejet, le cochon utilisé par les chirurgiens new-yorkais avait été modifié génétiquement par l’entreprise américaine Revivicor (United Therapeutics), pour ne plus produire cette molécule. Un premier essai clinique sur l’homme avec une xénogreffe d'un coeur de porc a été tenté ces jours derniers. Cela fait déjà 5 jours qu'à eu lieu cette transplantation et les médecins n'ont signalé aucun phénomène de rejet. Selon les chirurgiens de NYU, en cas de succès, cette première xénogreffe d'un coeur de cochon génétiquement modifié sur un être humain pourrait révolutionner les perspectives de transplantation d’organes fonctionnels chez l’homme.

Toujours aux Etats-Unis, une autre équipe de recherche de la NortWestern University (Illinois) a mis au point un médicament d'un nouveau type qui permet, en moins d’un mois, la régénération des cellules nerveuses et évite la paralysie de souris, dont la colonne vertébrale est brisée. « L'objectif de notre recherche était de développer une thérapie transférable à l'humain qui pourrait être utilisée dans les hôpitaux pour éviter la paralysie aux victimes de traumatismes majeurs ou souffrant de maladies », souligne le professeur Samuel Stupp, qui a dirigé l'étude (Voir Science). Pour parvenir à ce résultat assez stupéfiant, ces chercheurs ont utilisé des nanofibres, 10 000 fois plus fines qu'un cheveu, constituées de centaines de milliers de peptides, des molécules qui transmettent des signaux facilitant la régénération des nerfs. Les souris ainsi traitées ont retrouvé, en seulement quelques semaines, une capacité de locomotion presque identique à celles n’ayant pas eu la colonne vertébrale brisée…

En France, le CEA, le CHU Grenoble Alpes, l'Université Grenoble Alpes et Boston Scientific Corporation, qui conçoit des dispositifs médicaux, ont démarré un essai clinique du projet Near Infra Red (NIR), en mars 2021, pour une durée de quatre ans. Le projet repose sur une technologie proche infrarouge développée par le CEA, en collaboration avec Boston Scientific. Ce dispositif technologique pourrait réduire significativement la progression de la maladie de Parkinson, qui touche plus de 6,5 millions de personnes dans le monde. La neurostimulation cérébrale profonde, procédure conçue et testée à Grenoble, notamment par le Professeur Benabid, et pratiquée depuis 34 ans, a permis de réduire significativement les symptômes moteurs de 200 000 personnes atteintes de la maladie de Parkinson dans le monde. Distincte de la stimulation cérébrale profonde traditionnelle, l'illumination dans le proche infrarouge, également appelée photobiomodulation, cible la substance noire, site de la dégénérescence des neurones dopaminergiques à l'origine des symptômes moteurs de la maladie de Parkinson. Contrairement aux thérapies actuelles qui ne font que retarder les symptômes, cette thérapie lumineuse s’avère en mesure de stopper la dégénérescence de ces neurones, et pourrait ouvrir une toute nouvelle voie thérapeutique non chimique, contre la maladie de Parkinson, et peut-être, à terme, contre d’autres pathologies neurologiques.

Une autre équipe de recherche internationale dirigée par les professeurs José-Alain Sahel et Botond Roska, et associant l’Institut de la Vision (Sorbonne Université/Inserm/CNRS), l’hôpital d’ophtalmologie des Quinze-Vingts, l’Université de Pittsburgh, l’Institut d’ophtalmologie moléculaire et clinique de Bâle (IOB) ainsi que les sociétés Streetlab et GenSight Biologics, a montré que la thérapie optogénétique pouvait partiellement restaurer la vision chez un patient aveugle atteint de rétinopathie pigmentaire à un stade avancé. Technique promise à un grand avenir, l’optogénétique, consiste à introduire dans une cellule un gène qui code pour une protéine photosensible, qui va s'activer lorsqu'elle est ciblée par un flux lumineux d’une longueur d’onde précise, conduit par une fibre optique. Dans ce cas précis, cette technique permet de modifier génétiquement les cellules afin qu’elles produisent des protéines sensibles à la lumière appelées "channelrhodopsines". Le but de cette recherche est de traiter les maladies héréditaires des photorécepteurs (cellules de détection de la lumière dans la rétine), qui sont des causes très répandues de cécité. Le patient traité par cette méthode a commencé à montrer des signes d’amélioration visuelle sept mois après le traitement, et, avec l’aide des lunettes, il peut désormais localiser, compter et toucher des objets. « Les personnes aveugles atteintes de différents types de maladies neurodégénératives des photorécepteurs et d’un nerf optique fonctionnel seront potentiellement éligibles pour le traitement, et nous allons lancer prochainement un essai de phase 3 pour confirmer l’efficacité de cette approche thérapeutique », conclut le Professeur José-Alain Sahel (Voir Nature medicine).

En 2021, des scientifiques québécois de l’Université Concordia ont présenté une nouvelle technique qui permet de détecter le cancer du sein à l’échelle nanométrique. Ces scientifiques expliquent que leur technologie de microfluidique, aussi appelée laboratoire sur puce, utilise des particules magnétiques pour détecter les biomarqueurs suspects avant même la formation d’une première tumeur (Voir Université Concordia). Cette méthode permet d’établir un diagnostic très précoce de cancer, ce qui permet de mettre en œuvre, avec des chances de succès bien plus grandes, des solutions thérapeutiques adaptées. A terme, ces chercheurs pensent que leur outil de dépistage précoce pourra être étendu à de nombreux cancers.

Enfin, le 25 décembre 2021, Ariane 5 a parfaitement réussi sa 112ème mission depuis le Centre Spatial Guyanais (CSG), puisqu’elle a lancé avec succès le télescope spatial James Webb de la NASA, développé en coopération avec l’ESA et l’Agence Spatiale Canadienne (CSA). Ariane 5 a placé Webb sur une trajectoire parfaite qui l’emmènera directement, d’ici fin janvier, vers sa destination finale : le second point de Lagrange (L2), une orbite stable, située à 1,5 million de kilomètres de la Terre. D’une masse de 6,5 tonnes, Webb est un télescope spatial observant dans le domaine de l’infrarouge et ayant pour objectifs principaux de détecter la lumière des premières étoiles et galaxies apparues après le Big Bang, d’étudier la formation et l’évolution des galaxies, des étoiles et des systèmes planétaires, ainsi que de caractériser l’atmosphère des exoplanètes connues. Succédant au télescope spatial Hubble, le télescope spatial James Webb est le plus grand et le plus puissant télescope jamais lancé dans l’espace. Cet outil extraordinaire de puissance et de résolution devrait permettre de réaliser des avancées décisives dans la connaissance de notre Univers. Grâce à l’extrême précision de la trajectoire d'Ariane 5, le James Webb devrait disposer de suffisamment de carburant pour fonctionner bien au-delà des dix ans initialement prévus, comme vient de l’annoncer la NASA. Cette reconnaissance américaine de la maîtrise européenne en matière de technologies spatiales doit nous inciter à poursuivre notre effort de recherche dans ce domaine capital pour l'avenir de l'Humanité, car ces technologies spatiales, loin d’être des dépenses inutiles, comme on l’entend parfois, ont de multiples retombées dans tous les secteurs scientifiques et industriels, environnement, climat, médecine, biologie, matériaux, énergie... (Voir Space).

Ce trop rapide tour d’horizon des multiples avancées et découvertes scientifiques qui ont parsemé 2021 nous montre à quel point la science est nécessaire, non seulement pour améliorer concrètement la vie des hommes, mais également pour progresser dans la connaissance fondamentale de notre planète et, plus largement, de notre Univers. Il est également important de souligner que la très grande majorité des scientifiques ont à présent à cœur de rendre leurs savoirs largement compréhensibles et accessibles au plus grand nombre et font un réel effort de diffusion et de vulgarisation de leurs recherches. C’est cet effort, plus que jamais nécessaire pour éclairer les grands choix démocratiques, que doit faire notre pays, que nous souhaitons, au travers de notre modeste lettre, et avec votre soutien actif et exigeant, continuer à relayer encore longtemps...

René TRÉGOUËT

Sénateur honoraire

Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat

e-mail : tregouet@gmail.com

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