Dictionnaire

Acide nucléique

Un acide nucléique est une macromolécule formée d'une longue chaîne de nucléotides. Il en existe deux sortes : l'ADN et l'ARN. On les appelle « nucléiques » parce que Friedrich Miescher les a découverts en 1869 dans le noyau des cellules, et « acides » à cause des groupes phosphate qui libèrent des protons (H⁺) dans l'eau.

Leur rôle est de stocker et de transmettre l'information génétique. Le squelette de la chaîne alterne sucre et phosphate, toujours identique ; l'information est portée par la suite des bases accrochées à ce squelette, comme les lettres d'un texte.

Dans un virus, l'acide nucléique est le génome que la capside protège.

ADN

L'ADN (acide désoxyribonucléique) est la molécule qui porte le génome de tous les êtres vivants cellulaires et de nombreux virus. C'est un acide nucléique dont le sucre est le désoxyribose, d'où son nom.

Il est formé de deux brins enroulés l'un autour de l'autre en double hélice. Chaque brin est une chaîne de nucléotides, et les deux brins sont complémentaires : en face d'une adénine (A) se trouve toujours une thymine (T), en face d'une guanine (G) toujours une cytosine (C). Connaître un brin suffit donc à reconstruire l'autre, ce qui permet la copie de l'ADN à chaque division cellulaire.

Le génome humain compte environ 3,2 milliards de paires de bases. Mis bout à bout, l'ADN d'une seule cellule mesure environ 2 mètres ; il tient pourtant dans un noyau de quelques micromètres, parce qu'il est compacté en chromatine.

Amorphe (solide)

Un solide amorphe est un solide dont les atomes n'ont pas d'arrangement régulier à grande distance. Le mot vient du grec et signifie « sans forme ». Il s'oppose au cristal, où les atomes se répètent selon un réseau périodique.

Dans un amorphe, chaque atome a bien des voisins proches à des distances à peu près fixes (un ordre à courte distance), mais cet ordre se perd au bout de quelques atomes. Il n'y a donc ni maille ni réseau. Pourtant l'amorphe est bien un solide : ses atomes vibrent autour de positions fixes et il résiste au cisaillement.

Le verre est l'exemple le plus courant ; certains plastiques, le silicium amorphe des panneaux solaires ou les alliages métalliques trempés très vite en sont d'autres.

Antiquark

Un antiquark est l'antiparticule d'un quark : il a la même masse, mais des charges opposées (charge électrique et charge de couleur). L'antiquark up porte ainsi une charge de −2/3, l'antiquark down une charge de +1/3.

Un quark et un antiquark de même type peuvent s'annihiler, et des paires quark-antiquark apparaissent et disparaissent sans cesse à l'intérieur des nucléons. C'est pour cela qu'un proton n'est pas « trois quarks » au sens strict : on ne peut fixer que le bilan net, c'est-à-dire le nombre de quarks moins le nombre d'antiquarks, qui vaut deux up et un down.

Certaines particules, les mésons (comme le pion), sont formées d'un quark et d'un antiquark.

Appareil (ou système)

Un appareil, ou système, est un ensemble d'organes qui coopèrent à une même grande fonction de l'organisme. C'est l'étape 13 du tableau, entre l'organe et l'organisme.

L'appareil digestif, par exemple, relie la bouche, l'œsophage, l'estomac, l'intestin grêle et le gros intestin, aidés par des glandes comme le foie et le pancréas : ensemble, ils transforment les aliments en nutriments que le sang peut transporter.

Le corps humain compte une dizaine de systèmes, parmi lesquels :

• les systèmes nerveux, endocrinien, immunitaire ;
• les appareils digestif, respiratoire, circulatoire, urinaire, reproducteur ;
• le système musculaire et le squelette, souvent réunis en appareil locomoteur, et la peau (système tégumentaire).

On emploie plutôt « appareil » quand les organes sont reliés physiquement (comme un tube digestif) et « système » quand ils sont répartis dans le corps, mais l'usage n'est pas strict.

Appareil de Golgi

L'appareil de Golgi est un organite des cellules eucaryotes, formé d'un empilement de sacs aplatis entourés d'une membrane. Il porte le nom de Camillo Golgi, qui l'a observé en 1898.

C'est le centre de tri et d'expédition de la cellule. Il reçoit les protéines fabriquées dans le réticulum endoplasmique, les modifie (en leur ajoutant par exemple des chaînes de sucres), puis les emballe dans de petites vésicules selon leur destination : la membrane de la cellule, l'extérieur de la cellule ou d'autres organites.

Dans l'estomac, ce sont par exemple les cellules épithéliales qui sécrètent le mucus protecteur, après son passage dans l'appareil de Golgi.

ARN

L'ARN (acide ribonucléique) est un acide nucléique proche de l'ADN, avec trois différences :

• son sucre est le ribose, qui porte un groupe OH de plus que le désoxyribose ;
• la base thymine (T) y est remplacée par l'uracile (U) ;
• il est le plus souvent formé d'un seul brin, qui peut se replier sur lui-même.

L'ARN sert surtout d'intermédiaire entre l'ADN et les protéines. L'ARN messager recopie un gène et l'emporte hors du noyau ; l'ARN de transfert apporte les acides aminés ; l'ARN ribosomique forme le cœur des ribosomes, qui assemblent les protéines.

Certains virus, comme ceux de la grippe ou de la Covid-19, ont un génome fait d'ARN et non d'ADN.

Atome

L'atome est la plus petite partie d'un élément chimique qui en garde les propriétés. Il est formé d'un noyau très petit et très lourd, qui contient des protons et des neutrons, entouré d'électrons liés à lui par l'interaction électromagnétique. C'est l'étape 5 du tableau.

Un atome mesure environ un dixième de nanomètre (10⁻¹⁰ m), mais son noyau est environ cent mille fois plus petit. Le noyau porte pourtant plus de 99,9 % de la masse : l'atome est presque entièrement vide, et ce sont les électrons qui en fixent la taille. Celle-ci dépend de la masse de l'électron, elle-même donnée par le champ de Higgs.

Les électrons se répartissent en couches parce que deux d'entre eux ne peuvent pas occuper le même état (principe d'exclusion de Pauli). C'est cette organisation en couches qui explique la chimie et la classification périodique. Un atome qui a perdu ou gagné des électrons devient un ion.

Bactérie

Une bactérie est un être vivant formé d'une seule cellule, sans noyau : son ADN, le plus souvent un unique chromosome circulaire, flotte directement dans le cytoplasme. Les bactéries sont des procaryotes, par opposition aux eucaryotes.

Elles mesurent en général de 1 à 5 micromètres, soit environ dix fois moins qu'une cellule humaine, et comptent de l'ordre de 10¹¹ atomes. Leur membrane est le plus souvent entourée d'une paroi rigide qui leur donne leur forme (bâtonnet, sphère, spirale).

Les bactéries sont apparues il y a plus de 3,5 milliards d'années et vivent partout, jusque dans notre intestin, qui en abrite à peu près autant que le corps compte de cellules. Elles sont bien plus grandes que les virus : un grain d'un milliard d'atomes, d'environ 0,2 micromètre de côté, est plus petit qu'une bactérie.

Base

La « base », c'est la base azotée : une molécule cyclique riche en atomes d'azote, accrochée au sucre (sur son carbone 1'). On l'appelle « base » parce que ses atomes d'azote peuvent capter des protons (H⁺), ce qui lui donne un caractère basique au sens chimique.

C'est la partie qui porte l'information génétique. Le phosphate et le sucre forment le squelette, identique tout le long de la molécule. La séquence des bases constitue le « texte » de l'ADN.

Il en existe cinq, réparties en deux familles :

• Purines, avec deux cycles : adénine (A) et guanine (G)
• Pyrimidines, avec un seul cycle : cytosine (C), thymine (T) dans l'ADN, et uracile (U), qui remplace T dans l'ARN

Dans la double hélice, les bases des deux brins s'apparient par liaisons hydrogène, toujours une purine avec une pyrimidine : A–T (2 liaisons) et G–C (3 liaisons). C'est cette complémentarité qui permet la copie de l'ADN.

Bosons W et Z

Les bosons W⁺, W⁻ et Z⁰ sont les médiateurs de l'interaction faible (la force nucléaire responsable de certaines radioactivités et des réactions qui font briller le Soleil). Ils sont les cousins massifs du photon.

Contrairement au photon, ils sont très lourds : environ 80 GeV pour le W et 91 GeV pour le Z, soit près de cent fois la masse du proton. C'est pour cela que l'interaction faible a une portée minuscule, de l'ordre de 10⁻¹⁸ m. Cette masse leur vient du mécanisme de Higgs, qui brise la symétrie électrofaible.

Prédits dans les années 1960 par la théorie électrofaible de Glashow, Weinberg et Salam, ils ont été découverts au CERN en 1983. Le W, chargé, peut transformer un quark down en quark up : c'est ainsi qu'un neutron se change en proton dans la radioactivité bêta.

Brisure spontanée de symétrie

Il y a brisure spontanée de symétrie quand les lois d'un système ont une symétrie que son état d'équilibre n'a plus. Les lois ne changent pas : c'est l'état choisi par le système qui « oublie » la symétrie.

L'image classique est un crayon posé sur sa pointe : la situation est symétrique dans toutes les directions, mais le crayon finit par tomber dans une direction particulière. De même :

• un cristal place ses atomes en des points précis, alors que les lois de la physique sont les mêmes partout : il brise la symétrie de translation ;
• dans un aimant, les spins s'alignent dans une direction commune : la symétrie de rotation est brisée ;
• le champ de Higgs prend une valeur non nulle dans tout l'univers : il brise la symétrie électrofaible.

Quand la symétrie brisée est continue, le théorème de Goldstone prédit l'apparition d'excitations collectives de très basse énergie : phonons dans un cristal, magnons dans un aimant.

Capside

La capside est la coque de protéines qui enferme et protège le génome d'un virus. Elle est formée de nombreuses copies d'une même protéine, ou de quelques protéines différentes, qui s'assemblent d'elles-mêmes, sans aide extérieure.

Cet auto-assemblage repose sur des interactions faibles (liaisons hydrogène, effet hydrophobe, attractions électrostatiques). Comme la cellule infectée fabrique beaucoup de copies identiques, la capside adopte des formes très symétriques :

• icosaédrique, c'est-à-dire en forme de polyèdre à vingt faces triangulaires, comme chez l'adénovirus ;
• hélicoïdale, en bâtonnet creux autour de l'acide nucléique, comme chez le virus de la mosaïque du tabac.

Cette régularité permet même de cristalliser des virus purifiés, comme l'a fait Wendell Stanley en 1935.

Cellule

La cellule est la plus petite unité capable de vivre seule : elle se nourrit, se maintient et se reproduit. C'est l'étape 10 du tableau.

Toute cellule est délimitée par une membrane de lipides qui enferme le cytoplasme et l'information génétique (ADN). On distingue deux grands types :

• les cellules procaryotes, sans noyau, comme les bactéries ;
• les cellules eucaryotes, plus grandes, dont l'ADN est enfermé dans un noyau et qui contiennent des organites (mitochondries, réticulum endoplasmique, appareil de Golgi).

Une cellule humaine compte de l'ordre de 10¹⁴ atomes et environ 70 % d'eau en masse. Physiquement, ce n'est ni un solide ni un liquide, mais de la matière molle. Surtout, c'est un système ouvert : elle ne garde son organisation qu'en consommant de l'énergie en permanence. Si ce flux s'arrête, elle meurt.

Champ de Higgs

Le champ de Higgs est un champ quantique qui emplit tout l'univers et, contrairement aux autres, garde une valeur non nulle même dans le vide. Les particules qui interagissent avec lui en tirent leur masse : l'électron, les quarks et les bosons W et Z. Le photon et les gluons, qui n'interagissent pas avec lui, restent sans masse.

Son excitation est le boson de Higgs, découvert au CERN en 2012, d'une masse d'environ 125 GeV.

Pour le solide, son rôle est indirect mais décisif : il fixe la masse de l'électron, et c'est cette masse qui détermine la taille des atomes. Un électron plus léger donnerait des atomes plus gros. En revanche, il ne fournit qu'environ 1 % de la masse du proton : le reste vient de l'énergie du champ de gluons.

Champ quantique

Un champ quantique est une grandeur physique définie en chaque point de l'espace et à chaque instant, et soumise aux règles de la mécanique quantique. C'est l'objet de base de la théorie quantique des champs : les particules n'y sont pas des billes, mais des excitations de ces champs.

À chaque type de particule correspond un champ qui remplit tout l'univers : un champ de l'électron, un champ pour chaque sorte de quark, un champ des gluons, le champ électromagnétique (dont les quanta sont les photons), le champ de Higgs. L'état de plus basse énergie est le vide. Une excitation d'énergie minimale, un quantum, est une particule ; tous les électrons de l'univers sont identiques parce qu'ils sont des excitations d'un seul et même champ.

Cinq champs suffisent pour l'essentiel à fabriquer un solide ordinaire : l'électron, les quarks up et down, les gluons et le photon. Le solide n'est pas une excitation unique, mais un état de ces champs, dans lequel le nombre net d'électrons et de quarks est fixé.

Chromatine

La chromatine est l'association de l'ADN et des protéines qui le compactent dans le noyau des cellules eucaryotes. C'est l'étape 8 de la colonne Vivant.

Son premier niveau est le nucléosome : l'ADN s'enroule autour de petites protéines, les histones, et forme une fibre de 11 nm qui ressemble à un collier de perles. Cette fibre se replie ensuite en boucles et en domaines de plus en plus serrés.

La chromatine n'est pas qu'un rangement. Plus ou moins compacte, elle rend les gènes plus ou moins accessibles : la chromatine lâche (euchromatine) contient des gènes actifs, la chromatine dense (hétérochromatine) des gènes silencieux. Au moment de la division cellulaire, elle se condense au maximum et forme les chromosomes visibles au microscope.

Cisaillement

Le cisaillement est une déformation dans laquelle des couches de matière glissent les unes par rapport aux autres, comme les cartes d'un jeu que l'on pousse par le dessus. Une force tangentielle (parallèle à la surface) tend à changer la forme d'un objet sans changer son volume.

La résistance au cisaillement est ce qui définit un solide : il garde sa forme, et une force de cisaillement ne fait que le déformer légèrement, de façon élastique. Un liquide, lui, coule : il ne résiste pas à un cisaillement maintenu, quelle que soit sa viscosité.

Cette différence se voit dans les ondes. Un solide transmet des ondes de cisaillement (ondes transversales), un liquide non. En sismologie, ces ondes « S » ne traversent pas le noyau externe de la Terre, ce qui a montré qu'il est liquide. Dans un cristal, ces ondes sont portées par les phonons acoustiques transverses.

Cohérent (état)

En physique quantique, un état cohérent est un état très particulier d'un champ, dont le comportement ressemble le plus possible à une onde classique : une amplitude et une phase bien définies, avec le minimum d'incertitude permis. La lumière d'un laser en est l'exemple type ; Roy Glauber en a donné la théorie en 1963.

Dans un état cohérent, le nombre de photons n'est pas fixé : il fluctue autour d'une valeur moyenne.

C'est pourquoi la page conseille d'écrire qu'un solide est un état « ordonné » plutôt que « cohérent ». L'ordre d'un cristal (atomes en positions régulières) n'a rien à voir avec la cohérence quantique au sens du laser. Employer ce mot créerait une confusion.

Cristal

Un cristal est un solide dont les atomes sont rangés de façon régulière et périodique dans les trois directions de l'espace. On le décrit comme un réseau de points, à chacun desquels on accroche le même motif d'atomes ; la maille est le plus petit volume qui, répété, reconstitue l'ensemble.

Le sel, le quartz, le diamant ou les métaux sont des cristaux. Un métal usuel n'est cependant presque jamais un seul cristal : il est fait de nombreux petits cristaux, les cristallites (ou grains), orientés différemment.

En se rangeant ainsi, le cristal choisit des positions particulières alors que les lois de la physique sont les mêmes en tout point : c'est une brisure spontanée de symétrie, celle de la translation. Ses vibrations collectives sont les phonons. Tous les solides ne sont pas des cristaux : le verre est un solide amorphe.

Cristal apériodique

« Cristal apériodique » est l'expression qu'Erwin Schrödinger a employée en 1944, dans son livre Qu'est-ce que la vie ?, pour décrire ce que devait être le support de l'hérédité, près de dix ans avant la découverte de la structure de l'ADN.

Son raisonnement était le suivant. Un cristal ordinaire répète toujours le même motif : il est stable, mais il ne dit rien de plus qu'une seule maille. Pour porter une information, il faut une structure tout aussi stable, mais dont les éléments varient d'une position à l'autre, comme les lettres d'un texte.

L'ADN réalise exactement cette idée. Sa double hélice répète le même squelette sucre-phosphate, comme un cristal répète sa maille, mais la suite de ses bases n'est pas périodique : c'est elle qui porte l'information génétique.

Cristallisation

La cristallisation est le passage d'un liquide, d'une solution ou d'un gaz à l'état de cristal. Elle se fait en deux temps :

• la nucléation : un petit amas d'atomes ordonné, le germe, apparaît par hasard ;
• la croissance : si ce germe est assez gros, d'autres atomes viennent s'y ranger et il grandit.

Un germe a une surface qui lui coûte de l'énergie et un volume qui lui en fait gagner. Tant qu'il est petit, la surface l'emporte et il se redissout. Il ne survit que s'il dépasse une taille critique, de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines d'atomes. C'est pour cela que l'état solide est une propriété collective, qui n'apparaît qu'avec un nombre suffisant d'atomes.

C'est aussi pourquoi un liquide très pur peut rester liquide sous son point de fusion (surfusion), et pourquoi une poussière ou une rayure, qui servent de germe, déclenchent souvent la cristallisation.

Cristallite

Une cristallite, ou grain, est un petit cristal qui fait partie d'un solide plus grand. La plupart des solides cristallins, et presque tous les métaux, sont polycristallins : ils sont faits d'une multitude de grains accolés, chacun parfaitement ordonné, mais orientés différemment de leurs voisins.

La taille des grains va de quelques nanomètres à plusieurs millimètres. Leurs frontières, les joints de grains, sont des zones de désordre où les rangées d'atomes changent de direction.

Les joints de grains jouent un grand rôle dans les propriétés d'un métal : en général, plus les grains sont petits, plus le métal est dur. On peut les voir à l'œil nu sur le zinc d'une tôle galvanisée, qui présente des taches de reflets différents. Un solide formé d'un seul grain s'appelle un monocristal ; c'est le cas des plaquettes de silicium de l'électronique.

Cytoplasme

Le cytoplasme est tout ce que contient une cellule à l'intérieur de sa membrane, à l'exception du noyau. Il comprend :

• le cytosol, un liquide épais fait surtout d'eau, d'ions, de petites molécules et de protéines dissoutes ;
• les organites : mitochondries, réticulum endoplasmique, appareil de Golgi, et les ribosomes ;
• le cytosquelette, qui le parcourt de part en part.

Le cytoplasme n'est pas une simple soupe : il est encombré de grosses molécules, et beaucoup de réactions chimiques de la cellule s'y déroulent, comme la fabrication des protéines par les ribosomes ou la première étape de la dégradation du glucose. Chez les bactéries, qui n'ont pas de noyau, l'ADN se trouve lui aussi dans le cytoplasme.

Cytosquelette

Le cytosquelette est le réseau de filaments de protéines qui parcourt le cytoplasme d'une cellule. Il lui donne sa forme, lui permet de se déplacer et organise le transport à l'intérieur de la cellule.

On distingue trois sortes de filaments :

• les microfilaments d'actine, les plus fins (environ 7 nm), qui permettent les changements de forme et, dans les muscles, la contraction ;
• les microtubules, des tubes creux de tubuline (environ 25 nm), qui servent de rails aux transports et séparent les chromosomes lors de la division ;
• les filaments intermédiaires, qui donnent à la cellule sa résistance mécanique.

Contrairement au squelette d'un animal, le cytosquelette n'est pas figé : ses filaments se montent et se démontent en permanence, en consommant de l'énergie. C'est un bon exemple d'assemblage supramoléculaire hors d'équilibre.

Diagramme de Feynman

Un diagramme de Feynman est un dessin qui représente une contribution au calcul d'un processus en théorie quantique des champs. Richard Feynman les a introduits vers 1948 pour organiser les calculs d'électrodynamique quantique.

Chaque ligne représente une particule, chaque point de rencontre (vertex) une interaction. Les lignes qui entrent et sortent du dessin sont des particules réelles, détectables. Les lignes internes, qui relient deux vertex, sont des particules virtuelles : elles ne sont pas observables et correspondent à des termes du calcul.

Par exemple, la répulsion entre deux électrons se dessine comme l'échange d'un photon virtuel. C'est une image très parlante, mais il faut la prendre avec prudence : aucun photon ne fait réellement l'aller-retour. Le diagramme est un outil de calcul, chaque dessin donnant un terme d'une somme d'approximations de plus en plus fines.

Double hélice

La double hélice est la forme de la molécule d'ADN : deux brins enroulés l'un autour de l'autre, comme un escalier en colimaçon. Les montants de l'escalier sont les squelettes sucre-phosphate, et les marches sont les paires de bases (A–T et G–C), reliées par des liaisons hydrogène. C'est l'étape 7 de la colonne Vivant.

James Watson et Francis Crick en ont proposé la structure en 1953, en s'appuyant sur les clichés de diffraction de rayons X obtenus par Rosalind Franklin et Raymond Gosling.

La double hélice mesure environ 2 nm de diamètre et fait un tour complet environ tous les 10 paires de bases, soit 3,4 nm. Elle répète le même nucléotide le long d'une chaîne, comme un cristal répète sa maille, mais la suite des bases n'est pas périodique : c'est un cristal apériodique. Pour copier l'ADN, la cellule sépare les deux brins, et chacun sert de modèle pour fabriquer son complémentaire.

Effet hydrophobe

L'effet hydrophobe est la tendance des molécules ou des parties de molécules qui ne se mélangent pas à l'eau (les parties « hydrophobes », comme les chaînes grasses) à se regrouper entre elles quand elles sont dans l'eau. C'est ce qui rassemble les gouttes d'huile à la surface d'une vinaigrette.

Il ne s'agit pas d'une attraction particulière entre les parties hydrophobes. C'est l'eau qui les pousse à se regrouper. Les molécules d'eau, liées entre elles par des liaisons hydrogène, doivent s'organiser de façon plus contrainte autour d'une surface qui ne peut pas en former. En regroupant les parties hydrophobes, on réduit cette surface et on rend de la liberté à l'eau : le désordre total (l'entropie) augmente.

C'est l'une des principales interactions faibles du vivant. Elle replie les protéines en cachant leurs parties hydrophobes au centre, elle forme les membranes en bicouche, et elle aide les protéines d'une capside à s'assembler.

Effet Meissner

L'effet Meissner est l'expulsion d'un champ magnétique hors d'un matériau qui devient supraconducteur. Walther Meissner et Robert Ochsenfeld l'ont découvert en 1933.

Si l'on refroidit un supraconducteur placé dans un champ magnétique, le champ est chassé de l'intérieur au moment où le matériau passe sous sa température critique, au lieu de rester piégé. C'est ce qui permet de faire léviter un aimant au-dessus d'un supraconducteur.

Cet effet montre qu'un supraconducteur est bien plus qu'un conducteur parfait. À l'intérieur, le champ électromagnétique se comporte comme si le photon avait acquis une masse : il ne pénètre que sur une très courte distance, la longueur de pénétration de London. Philip Anderson y a vu en 1963 le modèle d'un médiateur de jauge devenu massif, idée reprise l'année suivante dans le mécanisme de Higgs.

Électron

L'électron est une particule élémentaire de charge électrique négative (−e) et de spin 1/2 : c'est un fermion. Il est le quantum du champ électronique. Joseph John Thomson l'a mis en évidence en 1897.

Sa masse est très faible : environ 9,1 × 10⁻³¹ kg, soit près de 1 840 fois moins que celle du proton. Elle lui vient du champ de Higgs. Comme il est léger, il occupe un grand volume autour du noyau, et c'est lui qui fixe la taille des atomes.

Les électrons font presque toute la physique et la chimie du solide :

• ils forment les liaisons chimiques entre atomes ;
• dans un métal, certains se déplacent librement et conduisent l'électricité et la chaleur ;
• parce qu'ils obéissent au principe d'exclusion de Pauli, ils empêchent la matière de s'effondrer.

Électronvolt

L'électronvolt (eV) est une unité d'énergie : c'est l'énergie que gagne un électron accéléré par une tension d'un volt. Il vaut environ 1,6 × 10⁻¹⁹ joule.

C'est une unité très petite à notre échelle, mais bien adaptée au monde des atomes. Elle permet de comparer les différents niveaux de description :

• les phonons d'un solide : environ un centième d'électronvolt ;
• la chimie (liaisons, lumière visible) : quelques électronvolts ;
• les noyaux atomiques : des millions d'électronvolts (MeV) ;
• les particules lourdes : des milliards d'électronvolts (GeV), comme le boson de Higgs à 125 GeV.

Grâce à l'équivalence E = mc², on l'emploie aussi pour les masses : celle de l'électron vaut 0,511 MeV, celle du proton environ 938 MeV. Ces écarts expliquent pourquoi, en physique des solides, les quarks et les gluons restent « gelés » : il faudrait des énergies un million de fois plus grandes que celles de la chimie pour les remuer.

Émergence

L'émergence est l'apparition, dans un système formé de très nombreux éléments, de propriétés qu'aucun élément ne possède seul et qu'il serait inutile de chercher dans un élément isolé. Philip Anderson l'a résumée en 1972 par une formule restée célèbre : « More is different » (« plus, c'est différent »).

La page en donne plusieurs exemples. Un atome n'est pas solide : la rigidité apparaît seulement quand un grand nombre d'atomes sont liés. Une molécule d'eau n'est pas mouillée. Les phonons ou les magnons n'existent que dans un solide. La vie, enfin, est une propriété collective d'un ensemble de molécules.

L'émergence ne contredit pas les lois de base : tout découle en principe des champs fondamentaux. Mais elle demande de nouveaux concepts à chaque échelle. Certains physiciens se demandent même si nos particules élémentaires ne seraient pas elles-mêmes des quasiparticules émergentes d'un milieu plus profond.

Enveloppe (virale)

L'enveloppe virale est une membrane de lipides qui entoure la capside de certains virus. Le virus ne la fabrique pas : il l'emprunte à la cellule infectée, en emportant un morceau de sa membrane au moment où il en sort, par bourgeonnement.

Le virus y insère ses propres protéines, souvent couvertes de sucres (les glycoprotéines). Elles forment les spicules qui dépassent de la surface et lui permettent de reconnaître et d'infecter de nouvelles cellules, comme la protéine Spike du coronavirus.

On distingue donc les virus enveloppés (grippe, VIH, coronavirus, herpès) des virus nus, réduits à leur capside (rhinovirus du rhume, adénovirus). L'enveloppe est fragile : le savon et l'alcool la dissolvent, ce qui rend les virus enveloppés plus faciles à inactiver.

Épithélium

Un épithélium est un tissu formé de cellules serrées les unes contre les autres, liées par des jonctions, qui recouvre une surface du corps ou tapisse une cavité. C'est l'un des quatre grands types de tissus, avec les tissus conjonctif, musculaire et nerveux.

Les cellules d'un épithélium reposent sur une fine couche de matrice extracellulaire, la lame basale, et ne sont pas traversées par des vaisseaux sanguins. Il peut être formé d'une seule couche de cellules ou de plusieurs, comme dans la peau.

Il protège, mais il échange aussi : il absorbe et sécrète. L'épithélium qui tapisse l'intérieur de l'estomac (étape 11 du tableau) sécrète un mucus qui le protège de sa propre acidité, ainsi que l'acide et les enzymes de la digestion. Il se renouvelle en quelques jours.

Équilibre (état d')

Un système est dans un état d'équilibre thermodynamique quand ses grandeurs (température, pression, composition, organisation) ne changent plus et qu'aucun flux d'énergie ou de matière ne le traverse. Il peut se maintenir indéfiniment sans rien consommer.

Un solide est un état d'équilibre, ou très proche de l'équilibre : une fois formé, un cristal reste un cristal sans avoir besoin d'énergie. Un virus hors d'une cellule l'est aussi.

Une cellule vivante est au contraire loin de l'équilibre : c'est un système ouvert, traversé en permanence par un flux d'énergie. Pour un être vivant, l'équilibre thermodynamique, c'est la mort : l'organisation se défait et la matière finit par se mettre au même état que son environnement. C'est l'une des différences les plus profondes entre le vivant et le non vivant.

Eucaryote

Un eucaryote est un être vivant dont les cellules ont un vrai noyau, entouré d'une double membrane, qui renferme l'ADN. Le mot vient du grec et signifie « vrai noyau ». Les animaux, les plantes, les champignons et beaucoup d'êtres unicellulaires (comme les amibes) sont des eucaryotes.

Ils s'opposent aux procaryotes, les bactéries et les archées, dont l'ADN flotte librement dans le cytoplasme.

Les cellules eucaryotes sont en général dix fois plus grandes que les procaryotes et contiennent des organites délimités par des membranes : mitochondries, réticulum endoplasmique, appareil de Golgi, et chloroplastes chez les plantes. Elles sont apparues il y a environ deux milliards d'années, sans doute quand une cellule en a englouti une autre, devenue la mitochondrie.

Excitation

Une excitation est un état d'un système qui a plus d'énergie que son état fondamental, c'est-à-dire que son état de plus basse énergie. Pour un atome, c'est un électron passé sur un niveau plus élevé ; pour une corde de guitare, c'est une vibration.

En théorie quantique des champs, le mot a un sens précis. L'état fondamental d'un champ quantique est le vide, et son excitation élémentaire est un quantum de ce champ, c'est-à-dire une particule d'un seul type. Un solide ne peut donc pas être « une » excitation : il contient plusieurs sortes de particules, donc plusieurs champs.

Le mot demande une précaution. Il convient bien aux particules libres, mais moins aux états fortement liés : un proton n'est pas « trois quanta », car le nombre de quarks et de gluons y fluctue sans cesse. Il est plus juste de parler d'un état des champs. À leur tour, les solides ont leurs propres excitations collectives, les quasiparticules.

Fermion

Un fermion est une particule de spin demi-entier (1/2, 3/2…). Les électrons, les quarks, les protons et les neutrons sont des fermions. Le nom vient d'Enrico Fermi.

Leur propriété essentielle est le principe d'exclusion de Pauli : deux fermions identiques ne peuvent pas occuper le même état quantique. On dit qu'un champ est « fermionique » quand ses quanta sont des fermions.

Les autres particules, de spin entier (0, 1, 2…), sont des bosons. Les médiateurs des forces (photon, gluons, bosons W et Z) et le boson de Higgs sont des bosons ; ils peuvent au contraire s'accumuler en grand nombre dans le même état, comme les photons d'un laser.

En gros, les fermions forment la matière et les bosons transmettent les forces. C'est parce que les électrons sont des fermions que les atomes ont des couches et que la matière ne s'écrase pas.

Force nucléaire

La force nucléaire est la force qui lie les protons et les neutrons dans le noyau atomique. Elle est très intense, plus forte que la répulsion électrique entre protons, mais de très courte portée : environ 10⁻¹⁵ m, la taille d'un noyau. Au-delà, elle s'annule presque.

Ce n'est pas une force fondamentale. C'est un résidu de l'interaction forte entre les quarks, qui « déborde » un peu des nucléons, de la même façon que les forces de van der Waals entre molécules neutres sont un résidu de l'électromagnétisme. Hideki Yukawa l'a décrite en 1935 comme un échange de particules, les pions.

À très courte distance, elle devient répulsive, ce qui empêche les nucléons de se fondre les uns dans les autres. Son énergie est de l'ordre du million d'électronvolts par nucléon : c'est elle que libèrent la fission et la fusion.

Fréquence plasma

La fréquence plasma est la fréquence propre à laquelle oscille, d'un seul bloc, le gaz d'électrons libres d'un métal (ou d'un plasma) quand on le déplace un peu par rapport aux ions. Les électrons, rappelés par la force électrique, oscillent autour de leur position d'équilibre. Elle ne dépend que de la densité des électrons : plus ils sont nombreux, plus elle est élevée.

Dans les métaux, elle se situe dans l'ultraviolet. Elle a une conséquence visible :

• en dessous de cette fréquence, les électrons suivent le champ de la lumière et la renvoient : la lumière visible est réfléchie, d'où l'éclat métallique ;
• au-dessus, ils n'ont plus le temps de réagir et le métal devient transparent, comme les métaux alcalins dans l'ultraviolet.

Le quantum de cette oscillation est le plasmon. Son énergie minimale non nulle montre que la lumière se comporte dans le métal comme si le photon avait acquis une masse.

Gluon

Le gluon est le médiateur de l'interaction forte, le quantum du champ des gluons. Son nom vient de l'anglais glue, la colle : c'est lui qui colle les quarks entre eux. Il en existe huit sortes.

Comme le photon, il est sans masse et de spin 1. Mais il porte lui-même une charge de couleur, alors que le photon ne porte pas de charge électrique. Les gluons interagissent donc entre eux, ce qui rend l'interaction forte très différente de l'électromagnétisme : son intensité augmente quand les quarks s'éloignent, si bien qu'aucun quark ni gluon ne peut être isolé (c'est le confinement).

Dans un proton, les gluons apparaissent et disparaissent sans cesse. L'énergie de leur champ, avec le mouvement des quarks, fournit environ 99 % de la masse du proton. Une grande partie de la masse d'un solide est donc de l'énergie du champ de gluons.

Goldstone (théorème et mode de)

Le théorème de Goldstone affirme que lorsqu'une symétrie continue est spontanément brisée, il apparaît des excitations collectives dont l'énergie tend vers zéro quand leur longueur d'onde devient grande. Ces excitations sont les modes de Goldstone. Yoichiro Nambu et Jeffrey Goldstone l'ont établi en 1960-1961.

L'idée est simple. Si l'état choisi par le système aurait pu être un autre, tout aussi bon (un cristal un peu décalé, un aimant tourné), alors passer très lentement de l'un à l'autre ne coûte presque rien. Une ondulation de très grande longueur d'onde entre ces états a donc une énergie presque nulle.

Les exemples de la page :

• dans un cristal, qui brise la symétrie de translation, ce sont les phonons acoustiques ;
• dans un aimant, qui brise la symétrie de rotation, ce sont les magnons.

Quand la force en jeu est de longue portée, comme pour les plasmons ou dans le mécanisme de Higgs, le mode de Goldstone disparaît et un médiateur devient massif à sa place.

Histone

Les histones sont de petites protéines autour desquelles s'enroule l'ADN dans le noyau des cellules eucaryotes. Huit histones (deux de chacun des quatre types H2A, H2B, H3 et H4) forment une bobine, autour de laquelle l'ADN fait un peu moins de deux tours, sur environ 147 paires de bases. L'ensemble forme un nucléosome.

Les histones sont chargées positivement, car riches en acides aminés basiques, alors que l'ADN est chargé négativement par ses phosphates. Cette attraction électrique maintient l'ADN enroulé.

Leurs « queues » dépassent de la bobine et peuvent être modifiées chimiquement, par exemple par l'ajout de petits groupes chimiques. Ces marques changent le degré de compaction de la chromatine, et donc l'activité des gènes, sans modifier la séquence de l'ADN : c'est l'un des mécanismes de l'épigénétique.

Interaction électromagnétique

L'interaction électromagnétique est la force qui s'exerce entre des particules chargées électriquement. C'est l'une des quatre interactions fondamentales, avec l'interaction forte, l'interaction faible et la gravitation. Son médiateur est le photon, et elle est de portée infinie : elle décroît comme l'inverse du carré de la distance.

Dans le solide, c'est elle qui fait presque tout le travail :

• elle lie les électrons au noyau pour former les atomes ;
• elle est à l'origine de toutes les liaisons chimiques et des interactions faibles entre molécules ;
• dans le vivant, elle tient les protéines, l'ADN et les membranes.

Elle ne fait pas tout cependant. Dans le noyau, elle tend au contraire à faire éclater les protons, qui se repoussent ; c'est l'interaction forte qui les retient. Et elle n'explique pas à elle seule pourquoi la matière ne s'effondre pas : il faut y ajouter le principe d'exclusion de Pauli.

Interaction forte

L'interaction forte est la plus intense des quatre interactions fondamentales. Elle agit entre les quarks, qui portent une charge appelée « couleur » (trois sortes, sans lien avec les couleurs visibles), et son médiateur est le gluon. La théorie qui la décrit est la chromodynamique quantique.

Elle a deux propriétés étonnantes :

• le confinement : sa force ne diminue pas quand les quarks s'éloignent, si bien qu'on ne peut jamais isoler un quark ;
• la liberté asymptotique : à très courte distance, au contraire, les quarks sont presque libres (Gross, Wilczek et Politzer, 1973).

Elle soude les quarks en nucléons, et son résidu, la force nucléaire, soude les nucléons en noyaux. C'est elle, et non l'électromagnétisme, qui maintient le noyau d'un atome.

Interactions faibles (non covalentes)

En chimie et en biologie, les « interactions faibles » désignent toutes les attractions entre atomes ou molécules qui ne sont pas des liaisons covalentes. Elles sont dix à cent fois moins énergétiques qu'une liaison covalente, et se font et se défont facilement à température ambiante. On parle aussi de liaisons non covalentes.

Les principales sont :

• les liaisons hydrogène ;
• l'effet hydrophobe ;
• les attractions électrostatiques entre groupes chargés ;
• les forces de van der Waals.

Toutes sont d'origine électromagnétique. Leur faiblesse fait leur intérêt : elles permettent l'auto-assemblage des capsides, le repliement des protéines, l'appariement des deux brins de l'ADN, qui peuvent ainsi se séparer pour être copiés.

Attention à ne pas les confondre avec l'interaction faible, au singulier, qui est une force fondamentale de la physique des particules, portée par les bosons W et Z.

Liaison chimique

Une liaison chimique est ce qui maintient des atomes assemblés dans une molécule ou un solide. Elle naît du partage ou du transfert d'électrons entre atomes, et elle est toujours d'origine électromagnétique : les électrons d'un atome sont attirés par le noyau de l'autre.

On distingue plusieurs grands types :

• la liaison covalente, où deux atomes partagent des électrons (les molécules organiques, le diamant) ;
• la liaison ionique, où un atome cède un électron à un autre et où les ions formés s'attirent (le sel de cuisine) ;
• la liaison métallique, où certains électrons sont partagés par tout le cristal (les métaux).

Au sens large, on y ajoute les interactions faibles entre molécules. L'étape 6 du tableau, le motif élémentaire, est justement un petit groupe d'atomes unis par des liaisons chimiques.

Liaison covalente

Une liaison covalente est une liaison chimique dans laquelle deux atomes mettent en commun une paire d'électrons, un électron venant en général de chacun. Cette paire, partagée entre les deux noyaux, les attire tous deux et les tient ensemble.

C'est une liaison forte, de quelques électronvolts, soit environ 350 kJ par mole pour une liaison simple carbone-carbone. Elle est aussi dirigée : elle fixe des angles précis entre les liaisons d'un même atome, ce qui donne leur forme aux molécules. Deux atomes peuvent partager plusieurs paires d'électrons (liaisons doubles, triples).

C'est la liaison de la chimie organique et du vivant : elle relie les atomes d'un nucléotide, d'une protéine, d'un sucre. Dans un virus ou une cellule, les atomes sont d'abord liés par des liaisons covalentes en molécules, avant que ces molécules s'assemblent par des interactions faibles. Le diamant est un cristal entièrement covalent.

Liaison hydrogène

Une liaison hydrogène est une attraction entre un atome d'hydrogène, déjà lié à un atome très électronégatif (oxygène, azote ou fluor), et un autre atome électronégatif voisin. L'atome électronégatif attire à lui les électrons de sa liaison, l'hydrogène porte donc une petite charge positive, qui est attirée par le doublet d'électrons de l'atome voisin.

C'est une interaction faible : environ dix fois moins énergétique qu'une liaison covalente. Mais elle est nombreuse et dirigée, et joue un rôle immense :

• elle explique les propriétés étonnantes de l'eau (point d'ébullition élevé, glace moins dense que le liquide) ;
• elle apparie les bases des deux brins de l'ADN : deux liaisons pour A–T, trois pour G–C ;
• elle stabilise le repliement des protéines et l'assemblage des capsides.

Comme elle se défait facilement, les deux brins de l'ADN peuvent être séparés pour être copiés.

Macromolécule

Une macromolécule est une très grande molécule, formée de centaines à des millions d'atomes, le plus souvent par l'enchaînement de petites unités semblables, les monomères. Hermann Staudinger a imposé cette idée dans les années 1920, alors que beaucoup de chimistes y voyaient de simples amas de petites molécules.

Les atomes d'une macromolécule sont liés par des liaisons covalentes. Les grandes macromolécules du vivant sont :

• les protéines, chaînes d'acides aminés ;
• les acides nucléiques (ADN et ARN), chaînes de nucléotides ;
• les polysaccharides, chaînes de sucres, comme l'amidon ou la cellulose.

Les plastiques sont des macromolécules synthétiques. Dans la bifurcation du vivant, les macromolécules forment l'étage qui suit les petites molécules, avant les assemblages supramoléculaires.

Magnon

Un magnon est le quantum d'une onde de spin, c'est-à-dire une quasiparticule qui transporte une petite perturbation de l'orientation des spins dans un matériau magnétique. Felix Bloch en a introduit l'idée en 1930.

Dans un aimant, les spins des atomes s'alignent tous dans une même direction. Ils auraient pu choisir n'importe quelle autre : l'aimant brise donc la symétrie de rotation. Si l'on écarte légèrement un spin, il entraîne ses voisins, et la perturbation se propage comme une vague le long du cristal.

Le magnon est le mode de Goldstone de cette symétrie brisée : son énergie tend vers zéro aux grandes longueurs d'onde. Les magnons expliquent pourquoi l'aimantation d'un aimant diminue quand on le chauffe. On cherche aujourd'hui à s'en servir pour transporter de l'information sans courant électrique (la magnonique).

Maille

La maille est le plus petit volume d'un cristal qui, répété par translation dans les trois directions, reconstitue le cristal entier, comme un carreau répété reconstitue un carrelage. C'est l'étape 6 de la colonne métal.

On la décrit par ses trois arêtes et leurs angles, et par les atomes qu'elle contient. La maille du lithium, celle de l'image, est un cube avec un atome à chaque sommet et un au centre (cubique centré) ; celle du cuivre a un atome à chaque sommet et au centre de chaque face (cubique à faces centrées), et mesure environ 0,36 nm de côté.

La maille est un découpage mental du cristal, pas un objet réel. Une maille isolée, par exemple les neuf atomes de lithium de l'image, ne serait qu'un petit agrégat d'atomes, pas un morceau de solide. Et un solide n'a pas besoin de maille : le verre n'en a pas. La maille décrit l'ordre d'un cristal, alors que l'état solide se définit par la rigidité.

Matière molle

La matière molle désigne des matériaux intermédiaires entre le solide et le liquide, faciles à déformer, dont la structure est organisée à une échelle bien plus grande que l'atome (du nanomètre au micromètre). Pierre-Gilles de Gennes, prix Nobel de physique en 1991, en a fait un domaine de recherche à part entière.

En font partie :

• les polymères et les gels (caoutchouc, gélatine) ;
• les cristaux liquides des écrans ;
• les mousses, les émulsions (mayonnaise) et les suspensions colloïdales (peinture) ;
• la plupart des matériaux biologiques.

Leurs constituants sont liés par des interactions faibles, dont l'énergie est comparable à celle de l'agitation thermique : une petite force ou un faible changement de température suffit à les réorganiser. C'est le cas de la cellule, faite à environ 70 % d'eau, qui n'est ni un solide ni un liquide.

Matrice extracellulaire

La matrice extracellulaire est le réseau de protéines et de sucres que les cellules sécrètent autour d'elles et qui remplit l'espace entre les cellules d'un tissu. Elle sert à la fois de charpente, de colle et de milieu de communication.

Ses principaux composants sont :

• des fibres de collagène, la protéine la plus abondante du corps, qui résistent à la traction ;
• des fibres d'élastine, qui donnent leur souplesse à la peau ou aux artères ;
• des chaînes de sucres très hydratées, qui forment un gel.

Elle est peu abondante dans un épithélium, où elle forme seulement une fine lame basale sous les cellules. Elle domine au contraire dans les tissus conjonctifs : l'os est une matrice de collagène durcie par des cristaux de phosphate de calcium, le cartilage une matrice gélifiée.

Mécanisme de Higgs

Le mécanisme de Higgs, ou de Brout-Englert-Higgs, explique comment un médiateur de jauge peut devenir massif sans que la symétrie des lois soit perdue. Il a été proposé en 1964 par Robert Brout et François Englert, puis par Peter Higgs, et par Guralnik, Hagen et Kibble. Englert et Higgs ont reçu le prix Nobel en 2013.

Le champ de Higgs prend une valeur non nulle dans tout l'univers et brise la symétrie électrofaible. Les modes de Goldstone qui devraient apparaître sont absorbés par les bosons W et Z, qui deviennent massifs ; le photon, lui, reste sans masse. Le même champ donne aussi leur masse aux électrons et aux quarks.

L'idée vient en partie de la physique des solides. En 1963, Philip Anderson avait remarqué que dans un supraconducteur, le photon se comporte comme s'il était massif (effet Meissner). Le plasmon des métaux en est une autre version, moins complète.

Médiateur de jauge

Un médiateur de jauge, ou boson de jauge, est la particule qui transmet une interaction fondamentale entre les particules de matière. C'est le quantum du champ associé à cette interaction. Tous les médiateurs de jauge ont un spin égal à 1.

Le modèle standard en compte trois familles :

• le photon, pour l'interaction électromagnétique ;
• les huit gluons, pour l'interaction forte ;
• les bosons W et Z, pour l'interaction faible.

Le mot « jauge » renvoie à une symétrie particulière, dite locale : on peut changer la phase des champs différemment en chaque point sans changer la physique. Pour que cela reste vrai, il faut introduire un nouveau champ qui compense ces changements, et c'est ce champ dont le médiateur est le quantum. Cette symétrie impose en principe une masse nulle ; les W et Z ne deviennent massifs que par le mécanisme de Higgs.

Membrane

Une membrane biologique est une fine paroi, d'environ 5 à 10 nm d'épaisseur, qui entoure une cellule ou un organite. Elle est formée d'une double couche de lipides (une bicouche) dans laquelle sont insérées des protéines.

Les lipides des membranes, les phospholipides, ont une tête qui aime l'eau et deux queues grasses qui la fuient. Dans l'eau, ils s'assemblent spontanément en bicouche, queues à l'intérieur, sous l'effet de l'effet hydrophobe. La membrane est fluide : ses lipides et ses protéines se déplacent latéralement en permanence.

Elle sépare l'intérieur de l'extérieur, mais elle laisse passer ce qu'il faut. Ses protéines servent de canaux, de pompes et de récepteurs qui trient les échanges et captent les signaux. Les membranes sont l'un des assemblages supramoléculaires qui font le lien entre les molécules et la cellule.

Métabolisme

Le métabolisme est l'ensemble des réactions chimiques qui se déroulent dans un être vivant pour le maintenir en vie. Il a deux faces :

• le catabolisme, qui dégrade des molécules (sucres, graisses) pour en tirer de l'énergie ;
• l'anabolisme, qui utilise cette énergie pour fabriquer les molécules de la cellule (protéines, ADN, membranes).

L'énergie circule entre les deux grâce à une molécule, l'ATP, fabriquée surtout dans les mitochondries. Presque toutes ces réactions sont accélérées par des enzymes, des protéines spécialisées.

Le métabolisme est ce qui fait de la cellule un système ouvert : il entretient en permanence le flux d'énergie qui la maintient loin de l'équilibre. Les virus n'en ont pas : ils ne se reproduisent qu'en détournant celui d'une cellule, et c'est l'une des raisons pour lesquelles leur statut d'êtres vivants reste débattu.

Mitochondrie

La mitochondrie est un organite des cellules eucaryotes, de la taille d'une petite bactérie (environ 1 à 2 micromètres), entouré de deux membranes. On l'appelle souvent la « centrale énergétique » de la cellule.

Elle réalise la respiration cellulaire : elle utilise l'oxygène pour achever la dégradation des sucres et des graisses, et en tire l'essentiel de l'ATP, la molécule qui fournit l'énergie de la cellule. Sa membrane intérieure, très repliée, porte les protéines de cette chaîne de production.

Particularité étonnante, la mitochondrie possède son propre petit ADN, circulaire comme celui des bactéries, et se divise elle-même. C'est la trace de son origine : elle descend d'une bactérie engloutie par une autre cellule il y a environ deux milliards d'années (théorie de l'endosymbiose). Une cellule en contient de quelques-unes à plusieurs milliers.

Monomère

Un monomère est une petite molécule qui peut se lier à d'autres molécules semblables pour former une longue chaîne, un polymère. Le mot vient du grec : « une seule partie ».

Dans le vivant, les grands polymères sont construits à partir de quelques familles de monomères :

• les nucléotides, pour l'ADN et l'ARN ;
• les acides aminés (une vingtaine), pour les protéines ;
• les sucres simples (comme le glucose), pour l'amidon ou la cellulose.

Les monomères sont reliés par des liaisons covalentes. Dans la colonne Vivant du tableau, le monomère joue le rôle que joue la maille pour un cristal : c'est la brique élémentaire que l'étape suivante va répéter. La différence est que la maille se répète à l'identique, alors que la suite des monomères d'un ADN ou d'une protéine varie et porte de l'information.

Motif

En cristallographie, le motif est le groupe d'atomes, toujours le même, qu'on place sur chaque nœud du réseau pour reconstituer un cristal. On résume souvent : cristal = réseau + motif. Pour le cuivre, le motif est un seul atome ; pour le sel, une paire formée d'un ion sodium et d'un ion chlorure.

Dans le tableau de la page, l'étape 6 s'appelle plus largement « motif élémentaire » : c'est le petit groupe d'atomes unis par des liaisons chimiques qui sert de brique à l'étape suivante. Pour le métal, c'est la maille ; pour le vivant, c'est le monomère, ici le nucléotide.

L'étape 7 répète ce motif. Le cristal le répète de façon périodique dans les trois directions, l'ADN le répète le long d'une chaîne en faisant varier sa base. C'est pendant cette répétition que l'état solide apparaît.

Nanoparticule

Une nanoparticule est un objet dont la taille est comprise entre environ 1 et 100 nanomètres, soit de quelques dizaines à quelques millions d'atomes. À cette échelle, une grande partie des atomes se trouve à la surface, et les propriétés de la matière changent.

L'exemple de la page est celui de l'or. L'or massif fond à 1 064 °C, mais des nanoparticules de quelques nanomètres fondent à une température nettement plus basse, de plusieurs centaines de degrés pour les plus petites. Les atomes de surface, moins entourés de voisins, sont moins bien retenus. Cela montre que l'état solide ne s'installe que progressivement quand le nombre d'atomes augmente.

D'autres propriétés changent aussi. Des nanoparticules d'or en suspension sont rouges ou violettes, et non dorées, à cause de leurs plasmons de surface : c'est ce qui colore certains vitraux depuis le Moyen Âge.

Neutron

Le neutron est l'un des deux nucléons qui forment le noyau atomique. Il est électriquement neutre, d'où son nom, et un peu plus lourd que le proton (939,6 MeV contre 938,3 MeV). James Chadwick l'a découvert en 1932.

Il est formé, en bilan net, d'un quark up et de deux quarks down, liés par l'interaction forte ; les charges +2/3 −1/3 −1/3 s'annulent. Comme le proton, c'est un fermion de spin 1/2.

Seul, le neutron n'est pas stable : il se désintègre en un proton, un électron et un antineutrino, avec une demi-vie d'environ dix minutes (radioactivité bêta). Dans un noyau stable, en revanche, il peut vivre indéfiniment. Les neutrons servent de « ciment » nucléaire : ils apportent l'attraction de la force nucléaire sans ajouter de répulsion électrique.

Noyau atomique

Le noyau atomique est la partie centrale de l'atome, formée de protons et de neutrons. C'est l'étape 4 du tableau. Ernest Rutherford l'a découvert en 1911, en bombardant une feuille d'or avec des particules alpha.

Il est minuscule : quelques femtomètres (10⁻¹⁵ m), soit environ cent mille fois moins que l'atome. Il concentre pourtant plus de 99,9 % de sa masse. Le nombre de protons fixe l'élément chimique : six pour le carbone, dont le noyau le plus courant, le carbone 12, compte aussi six neutrons.

Le noyau n'est pas tenu par l'électromagnétisme, qui tend au contraire à le faire éclater puisque les protons se repoussent, mais par la force nucléaire, résidu de l'interaction forte. Ses énergies se mesurent en millions d'électronvolts. En physique des solides, on peut donc traiter chaque noyau comme une simple particule chargée ponctuelle.

Noyau cellulaire

Le noyau cellulaire est l'organite qui contient l'ADN des cellules eucaryotes. C'est l'étape 9 de la colonne Vivant. À ne pas confondre avec le noyau atomique, environ un milliard de fois plus petit.

Il est entouré d'une double membrane, l'enveloppe nucléaire, percée de pores qui laissent passer les ARN messagers vers le cytoplasme et les protéines vers l'intérieur. Il mesure de 5 à 10 micromètres et renferme environ 2 mètres d'ADN, compacté en chromatine. On y trouve aussi le nucléole, où sont fabriqués les ribosomes.

Le noyau est à la fois la bibliothèque et le centre de copie de la cellule : l'ADN y est conservé, recopié avant chaque division, et transcrit en ARN. Les bactéries n'ont pas de noyau.

Nucléole

Le nucléole est une zone dense, visible au microscope, à l'intérieur du noyau cellulaire. Ce n'est pas un organite entouré de membrane, mais un regroupement de molécules autour des gènes qui codent l'ARN des ribosomes.

C'est l'usine à ribosomes de la cellule. On y fabrique l'ARN ribosomique, puis on l'assemble avec des protéines importées du cytoplasme pour former les deux sous-unités du ribosome. Ces sous-unités sortent ensuite du noyau par les pores pour aller fabriquer les protéines dans le cytoplasme.

La taille du nucléole reflète l'activité de la cellule : il est gros dans les cellules qui fabriquent beaucoup de protéines. Il se défait pendant la division cellulaire et se reforme ensuite.

Nucléon

Nucléon est le nom commun aux deux particules qui forment le noyau atomique : le proton et le neutron. C'est l'étape 3 du tableau. Leurs masses sont presque égales et ils se comportent de façon très semblable vis-à-vis de l'interaction forte, qui ne fait pas de différence entre eux.

Chaque nucléon est un état lié de quarks et de gluons, soudés par l'interaction forte. En bilan net, le proton contient deux quarks up et un down, le neutron un up et deux down. Mais leur intérieur est une mer bouillonnante de quarks, d'antiquarks et de gluons qui apparaissent et disparaissent.

La masse des trois quarks nets ne représente qu'environ 1 % de celle du nucléon. Le reste est de l'énergie, celle du champ de gluons et du mouvement des quarks confinés. Comme les nucléons portent presque toute la masse des atomes, la masse de la matière ordinaire est, pour l'essentiel, de l'énergie de champ.

Nucléosome

Le nucléosome est l'unité de base de la chromatine : une bobine de huit histones autour de laquelle l'ADN fait un peu moins de deux tours, sur environ 147 paires de bases. Il mesure environ 11 nm de diamètre.

Les nucléosomes se suivent le long de l'ADN, séparés par de courts segments d'ADN de liaison, comme des perles sur un fil. Ce « collier de perles » est la première étape du compactage de l'ADN, qui réduit sa longueur d'un facteur six à sept environ. L'image 8 de la page montre deux nucléosomes, sur environ 26 nm.

Les nucléosomes ne sont pas fixes : la cellule peut les faire glisser ou les retirer pour donner accès à un gène, puis les remettre en place.

Nucléotide

Le nucléotide est la brique de base des acides nucléiques, l'ADN et l'ARN. C'est l'étape 6 de la colonne Vivant, l'équivalent de la maille pour un cristal. Il est formé de trois parties :

• un phosphate ;
• un sucre à cinq carbones, le désoxyribose dans l'ADN, le ribose dans l'ARN ;
• une base azotée : A, G, C, T ou U.

Le nucléotide de l'image est la désoxycytidine monophosphate, celui de l'ADN qui porte la cytosine. C'est un motif d'une trentaine d'atomes, d'environ 1,7 nm.

Les nucléotides s'enchaînent par leurs phosphates : le phosphate de l'un se lie au sucre du suivant, ce qui forme le squelette sucre-phosphate de la chaîne. Les nucléotides servent aussi à d'autres choses dans la cellule : l'ATP, qui transporte l'énergie, est un nucléotide.

Organe

Un organe est une structure du corps, faite de plusieurs tissus associés, qui remplit une ou plusieurs fonctions précises. C'est l'étape 12 du tableau. Le cœur, le foie, les poumons, le cerveau ou la peau sont des organes.

Ses tissus se répartissent le travail. L'estomac de l'image superpose :

• une muqueuse, dont l'épithélium sécrète le mucus, l'acide et les enzymes ;
• du tissu conjonctif, qui porte les vaisseaux sanguins ;
• trois couches de muscle, qui brassent les aliments ;
• des nerfs, qui commandent l'ensemble.

L'estomac brasse ainsi les aliments et commence à les digérer. Plusieurs organes qui coopèrent forment un appareil, ou système.

Organisme

Un organisme est un être vivant complet et autonome, capable de se nourrir, de se maintenir et de se reproduire. C'est la dernière étape du tableau (étape 14), où les appareils coopèrent pour former un tout.

Un organisme peut être formé d'une seule cellule, comme une bactérie ou une levure, ou de milliards de cellules spécialisées. Le corps humain compte environ 30 000 milliards de cellules et de l'ordre de 7 × 10²⁷ atomes. Il héberge en outre à peu près autant de bactéries, surtout dans l'intestin.

Ce qui distingue un organisme d'un solide n'est pas seulement sa complexité. C'est un système ouvert, maintenu loin de l'équilibre par un apport continu d'énergie. Ses atomes sont d'ailleurs en grande partie renouvelés au fil des années, alors que sa forme et son organisation persistent.

Organite

Un organite est une structure spécialisée à l'intérieur d'une cellule, qui y remplit une fonction particulière, comme un organe dans le corps. Le mot est un diminutif d'« organe ».

Dans les cellules eucaryotes, la plupart des organites sont entourés d'une membrane qui délimite un compartiment séparé :

• le noyau, qui contient l'ADN ;
• les mitochondries, qui produisent l'énergie ;
• le réticulum endoplasmique et l'appareil de Golgi, qui fabriquent, trient et expédient les protéines ;
• les lysosomes, qui digèrent les déchets, et les chloroplastes chez les plantes.

Au sens large, on compte aussi parmi les organites des structures sans membrane, comme les ribosomes ou le nucléole. Les bactéries n'ont presque pas d'organites à membrane.

Particule élémentaire

Une particule élémentaire est une particule qui, dans l'état actuel des connaissances, n'est faite d'aucune particule plus petite. En théorie quantique des champs, c'est le quantum d'un champ fondamental.

Le modèle standard en compte dix-sept :

• six quarks (up, down, étrange, charme, bottom, top) ;
• six leptons, dont l'électron et les neutrinos ;
• quatre sortes de médiateurs : le photon, le gluon, les bosons W et Z ;
• le boson de Higgs.

Le proton et le neutron ne sont pas élémentaires : ils sont faits de quarks et de gluons. Pour un solide ordinaire, il suffit de l'électron, des quarks up et down, du gluon et du photon (étape 2 du tableau). Certains physiciens se demandent si ces particules ne seraient pas elles-mêmes des quasiparticules d'un milieu plus profond, mais cela reste spéculatif.

Particule virtuelle

Une particule virtuelle est une ligne interne d'un diagramme de Feynman : elle relie deux interactions et n'entre ni ne sort du processus. Elle a les mêmes charges qu'une particule réelle, mais pas la relation habituelle entre son énergie et sa masse, et on ne peut jamais la détecter.

C'est en ce sens qu'on dit que deux électrons se repoussent en « échangeant un photon virtuel », ou que l'électron est lié au noyau par des photons virtuels. L'expression est commode, mais il faut la prendre avec précaution : aucun photon détectable ne fait l'aller-retour entre l'électron et le noyau.

Les particules virtuelles sont une façon de représenter les termes d'un calcul par approximations successives, plus qu'une description de ce qui se passe réellement. Elles traduisent l'effet du champ entre les particules. C'est pourquoi la page insiste pour préciser « photons virtuels » quand on parle de l'« échange de photons ».

Phonon

Un phonon est le quantum de vibration d'un cristal : une quasiparticule qui transporte une onde de vibration collective des atomes. Le mot vient du grec phônê, la voix, parce que le son est une vibration de ce type.

Les atomes d'un cristal ne vibrent pas chacun pour soi : ils sont liés, et leurs vibrations se propagent en ondes. La mécanique quantique impose que l'énergie de chacune de ces ondes ne varie que par paquets, les phonons, d'environ un centième d'électronvolt. On distingue :

• les phonons acoustiques, où des atomes voisins bougent ensemble : ce sont les ondes sonores du cristal ;
• les phonons optiques, où des atomes voisins bougent en sens opposé.

Les phonons acoustiques sont les modes de Goldstone de la symétrie de translation brisée par le cristal : leur énergie tend vers zéro aux grandes longueurs d'onde. Les phonons transportent la chaleur dans les isolants et expliquent la capacité calorifique des solides.

Phosphate

Le phosphate est un groupe chimique formé d'un atome de phosphore entouré de quatre atomes d'oxygène (PO₄). Dans l'eau, il porte des charges négatives.

Dans un nucléotide, le phosphate est accroché au sucre. Dans un acide nucléique, chaque phosphate relie le sucre d'un nucléotide (sur son carbone 3') au sucre du suivant (sur son carbone 5'). Avec les sucres, il forme le squelette de l'ADN et de l'ARN, identique tout le long de la molécule. Ce sont ses charges négatives qui rendent l'ADN acide, et qui l'attirent vers les histones, chargées positivement.

Le phosphate joue bien d'autres rôles : il stocke l'énergie dans l'ATP, qui en porte trois à la suite, il forme la tête des lipides des membranes, et il durcit les os sous forme de phosphate de calcium.

Photon

Le photon est le quantum du champ électromagnétique, la particule de la lumière. C'est le médiateur de l'interaction électromagnétique. Albert Einstein en a introduit l'idée en 1905 pour expliquer l'effet photoélectrique.

Il n'a pas de masse et voyage donc à la vitesse de la lumière. Son énergie est proportionnelle à sa fréquence (E = hν) : quelques électronvolts pour la lumière visible, beaucoup plus pour les rayons X ou gamma. Il a un spin de 1 et ne porte pas de charge électrique, si bien que les photons n'interagissent pas directement entre eux.

Dans un solide, les photons réels sont absorbés, émis ou réfléchis par les électrons. Mais les forces électriques qui lient les atomes sont décrites par des photons virtuels. Dans un métal ou un supraconducteur, enfin, le photon se comporte comme s'il avait une masse : c'est le lien avec le plasmon et le mécanisme de Higgs.

Plasmon

Un plasmon est le quantum de l'oscillation collective des électrons libres d'un métal : une quasiparticule qui correspond à tout le gaz d'électrons oscillant d'un bloc par rapport aux ions. David Pines et David Bohm en ont fait la théorie au début des années 1950.

Contrairement au phonon ou au magnon, le plasmon a une énergie minimale non nulle, fixée par la fréquence plasma : de l'ordre de 5 à 15 électronvolts selon les métaux. C'est parce que les électrons interagissent par la force de Coulomb, de portée infinie, qui rappelle fortement tout le gaz vers l'équilibre.

C'est l'exemple le plus proche du mécanisme de Higgs : dans le métal, la lumière se comporte comme si le photon était devenu massif, et elle ne peut pas s'y propager en dessous de la fréquence plasma. D'où l'éclat des métaux. À la surface des nanoparticules, les plasmons donnent aussi de vives couleurs.

Principe d'exclusion de Pauli

Le principe d'exclusion de Pauli dit que deux fermions identiques ne peuvent pas occuper le même état quantique. Wolfgang Pauli l'a énoncé en 1925 pour expliquer la structure des atomes.

Dans un atome, chaque état est défini par l'orbite de l'électron et l'orientation de son spin. Comme deux électrons ne peuvent pas partager le même état, ils ne peuvent pas tous s'entasser au plus bas niveau d'énergie : ils remplissent des couches successives. C'est ce qui donne aux éléments leurs propriétés chimiques différentes et fonde la classification périodique.

Ce principe explique aussi pourquoi un solide est solide. L'électromagnétisme rend compte de l'attraction entre noyaux et électrons, mais ce qui empêche la matière de s'écraser, c'est que les électrons refusent de partager le même état : comprimer la matière, c'est les forcer à monter en énergie. Freeman Dyson et Andrew Lenard ont démontré en 1967 que la stabilité de la matière repose sur ce principe. Sans lui, la matière en vrac s'effondrerait sur elle-même.

Protéine

Une protéine est une macromolécule formée d'une ou plusieurs longues chaînes d'acides aminés. Il existe vingt acides aminés différents, et c'est leur ordre, dicté par un gène de l'ADN, qui détermine la protéine. Les ribosomes les assemblent un à un.

Une fois fabriquée, la chaîne se replie sur elle-même en une forme précise, sous l'effet des interactions faibles (liaisons hydrogène, effet hydrophobe). Cette forme fixe la fonction de la protéine. Les protéines font presque tout le travail de la cellule :

• les enzymes accélèrent les réactions chimiques ;
• d'autres forment des structures, comme le collagène, la kératine ou le cytosquelette ;
• d'autres transportent (l'hémoglobine), défendent (les anticorps) ou transmettent des signaux.

Dans un virus, des protéines s'assemblent pour former la capside ; dans le noyau, les histones enroulent l'ADN.

Proton

Le proton est l'un des deux nucléons du noyau atomique. Il porte une charge électrique positive (+e), exactement opposée à celle de l'électron, et une masse d'environ 938 MeV, soit près de 1 840 fois celle de l'électron. Le noyau d'hydrogène est un simple proton.

En bilan net, il est formé de deux quarks up et d'un quark down (+2/3 +2/3 −1/3 = +1), liés par l'interaction forte. Mais ce n'est pas « trois quanta » : son intérieur est une mer de quarks, d'antiquarks et de gluons qui fluctue sans cesse. La masse des trois quarks nets ne fait qu'environ 1 % de la sienne ; le reste est de l'énergie de champ.

Le nombre de protons d'un noyau définit l'élément chimique. Le proton semble parfaitement stable : on n'a jamais observé sa désintégration, et sa durée de vie dépasse 10³⁴ ans.

Purine

Les purines sont l'une des deux familles de bases azotées des acides nucléiques. Leur molécule est formée de deux cycles accolés, un cycle à six atomes et un cycle à cinq atomes, qui contiennent quatre atomes d'azote.

Il y en a deux dans l'ADN comme dans l'ARN :

• l'adénine (A) ;
• la guanine (G).

Dans la double hélice, une purine s'apparie toujours avec une pyrimidine : A avec T (ou U dans l'ARN), G avec C. Comme une paire réunit toujours une base à deux cycles et une base à un cycle, toutes les paires ont la même largeur, et les deux brins restent à distance constante tout le long de la molécule.

L'adénine se retrouve aussi ailleurs dans la cellule, par exemple dans l'ATP, la molécule qui transporte l'énergie.

Pyrimidine

Les pyrimidines sont l'une des deux familles de bases azotées des acides nucléiques. Leur molécule est formée d'un seul cycle de six atomes, qui contient deux atomes d'azote. Elles sont donc plus petites que les purines.

Il y en a trois :

• la cytosine (C), dans l'ADN et dans l'ARN ;
• la thymine (T), dans l'ADN seulement ;
• l'uracile (U), qui remplace la thymine dans l'ARN.

Dans la double hélice, chaque pyrimidine s'apparie avec une purine : C avec G par trois liaisons hydrogène, T avec A par deux. La thymine ne diffère de l'uracile que par un petit groupe méthyle (CH₃), qui aide la cellule à repérer certaines erreurs de copie de l'ADN. Le nucléotide de l'image 6, la désoxycytidine monophosphate, porte une cytosine.

Quantum

Un quantum (au pluriel : quanta) est la plus petite quantité indivisible d'une grandeur qui ne peut varier que par paquets. Max Planck a introduit l'idée en 1900 : l'énergie de la lumière de fréquence ν s'échange par paquets E = hν, où h est la constante de Planck.

En théorie quantique des champs, le quantum d'un champ quantique est son excitation élémentaire, et c'est ce qu'on appelle une particule. Le photon est le quantum du champ électromagnétique, l'électron celui du champ électronique, le gluon celui du champ des gluons.

L'idée s'applique aussi aux excitations collectives d'un solide. Le phonon est le quantum des vibrations du cristal, le magnon celui des ondes de spin, le plasmon celui des oscillations du gaz d'électrons. C'est de là que vient le mot « quantique ».

Quark

Un quark est une particule élémentaire de matière, de spin 1/2, qui ressent l'interaction forte. Murray Gell-Mann et George Zweig en ont proposé l'existence en 1964. Il en existe six sortes (on dit six « saveurs ») : up, down, étrange, charme, bottom et top.

La matière ordinaire n'utilise que les deux plus légers :

• le quark up, de charge +2/3 ;
• le quark down, de charge −1/3.

Le proton (deux up, un down) et le neutron (un up, deux down) en sont formés. Leurs charges sont des fractions de celle de l'électron.

Les quarks portent aussi une charge de « couleur », source de l'interaction forte, et sont toujours confinés : on ne peut jamais en isoler un. Leur masse, donnée par le champ de Higgs, est très faible pour up et down (quelques MeV). C'est pourquoi la masse du proton vient surtout de l'énergie des gluons. Chaque quark a son antiquark.

Quasiparticule

Une quasiparticule est une excitation collective d'un milieu (un solide, un liquide) qui se comporte comme une particule : elle a une énergie, une quantité de mouvement, parfois une charge ou un spin, et elle se propage. Mais elle n'existe pas hors de ce milieu. Lev Landau en a fait un outil central de la physique de la matière condensée.

Un solide, déjà état de plusieurs champs, possède ainsi ses propres excitations :

• le phonon, quantum de vibration du réseau ;
• le magnon, quantum d'onde de spin ;
• le plasmon, quantum d'oscillation du gaz d'électrons.

L'électron lui-même, dans un cristal, devient une quasiparticule : il entraîne avec lui une déformation de son entourage, et sa masse apparente change. Plusieurs de ces quasiparticules naissent d'une symétrie brisée (modes de Goldstone). Des physiciens comme Grigory Volovik ou Xiao-Gang Wen se demandent si nos particules élémentaires ne seraient pas, elles aussi, des quasiparticules d'un milieu plus profond.

Réseau cristallin

Un réseau cristallin est un ensemble infini de points de l'espace, les nœuds, régulièrement espacés dans les trois directions, de sorte que chaque nœud a exactement le même entourage. C'est une construction géométrique qui décrit la périodicité d'un cristal.

Pour obtenir le cristal, on place sur chaque nœud le même motif d'atomes : cristal = réseau + motif. La maille est le plus petit volume qui, répété par les translations du réseau, le reconstitue.

Auguste Bravais a montré en 1848 qu'il n'existe que quatorze types de réseaux dans l'espace, les réseaux de Bravais (cubique simple, cubique centré, cubique à faces centrées, hexagonal…). On les étudie par diffraction des rayons X : le réseau renvoie les rayons dans des directions précises, ce qui permet d'en mesurer les dimensions. Un solide amorphe, comme le verre, n'a pas de réseau. Un virus non plus, sauf quand on le cristallise.

Réticulum endoplasmique

Le réticulum endoplasmique est un organite des cellules eucaryotes : un vaste réseau de tubes et de sacs aplatis, délimités par une membrane, qui part de l'enveloppe du noyau et s'étend dans tout le cytoplasme. Son nom signifie « petit filet à l'intérieur du cytoplasme ».

On en distingue deux régions :

• le réticulum rugueux, couvert de ribosomes, qui fabrique les protéines destinées aux membranes ou à l'exportation, et les aide à se replier ;
• le réticulum lisse, sans ribosomes, qui fabrique les lipides, stocke le calcium (important pour la contraction musculaire) et neutralise certaines substances toxiques, surtout dans le foie.

Les protéines qui en sortent sont envoyées dans de petites vésicules vers l'appareil de Golgi, qui les trie et les expédie.

Ribosome

Le ribosome est la machine moléculaire qui fabrique les protéines. Il lit un ARN messager, copie d'un gène, et assemble les acides aminés correspondants un à un, dans l'ordre indiqué par le code génétique.

Il est formé de deux sous-unités, chacune faite d'ARN ribosomique et de protéines, et mesure environ 25 à 30 nm. Le cœur de la réaction, la liaison entre deux acides aminés, est réalisé par l'ARN et non par une protéine : c'est un indice que la vie a pu commencer par un monde d'ARN.

On trouve des ribosomes dans toutes les cellules, des bactéries à l'humain, libres dans le cytoplasme ou accrochés au réticulum endoplasmique. Une cellule humaine en contient plusieurs millions, fabriqués dans le nucléole. Ce n'est pas un organite entouré de membrane, mais un assemblage supramoléculaire.

Solide

Un solide est un état de la matière qui garde sa forme : il résiste au cisaillement, et ses atomes vibrent autour de positions fixes. Ce n'est pas la propriété d'un atome isolé, mais une propriété collective, qui n'apparaît que lorsqu'un grand nombre d'atomes sont liés (au cours de l'étape 7 du tableau).

Un solide peut être un cristal, aux atomes rangés de façon périodique, ou un solide amorphe, comme le verre, sans ordre à grande distance. C'est la rigidité, et non la maille, qui définit l'état solide.

Du point de vue de la théorie des champs, la page propose cette définition : un solide est un état lié et ordonné de plusieurs champs quantiques (électron, quarks, gluons, photon) qui réunit un nombre colossal d'excitations, de l'ordre de 10²³ atomes par centimètre cube. L'interaction forte soude les noyaux, l'électromagnétisme lie électrons et noyaux, et le principe de Pauli empêche l'ensemble de s'effondrer. Le solide possède à son tour ses propres quasiparticules.

Spin

Le spin est une propriété intrinsèque des particules, comme leur masse ou leur charge. Il se comporte comme un moment cinétique, c'est-à-dire comme une rotation sur soi-même, mais il ne correspond à aucune rotation réelle : une particule élémentaire n'a pas de taille qui puisse tourner. Il a été mis en évidence dans les années 1920 (expérience de Stern et Gerlach, hypothèse d'Uhlenbeck et Goudsmit).

Il ne prend que des valeurs entières ou demi-entières, en unités de la constante de Planck réduite ħ. Cette valeur partage les particules en deux familles :

• spin demi-entier (1/2…) : les fermions, comme l'électron et les quarks ;
• spin entier (0, 1…) : les bosons, comme le photon (1) ou le boson de Higgs (0).

Le spin d'un électron a deux orientations possibles, « haut » et « bas ». Il fait de l'électron un petit aimant. Dans un matériau magnétique, les spins s'alignent ; leurs ondulations sont les magnons.

Sucre

Dans un nucléotide, le sucre est un pentose, c'est-à-dire un sucre à cinq atomes de carbone, refermé en cycle. Ses carbones sont numérotés 1' à 5' (on dit « un prime », « cinq prime ») pour les distinguer de ceux de la base. La base est accrochée au carbone 1', le phosphate au carbone 5'.

Il en existe deux versions :

• le désoxyribose, dans l'ADN, auquel il manque un atome d'oxygène sur le carbone 2' (d'où « désoxy ») ;
• le ribose, dans l'ARN, qui porte un groupe OH sur ce carbone.

Ce petit groupe OH rend l'ARN plus réactif et plus fragile que l'ADN, qui est mieux adapté à la conservation à long terme de l'information génétique. Avec le phosphate, le sucre forme le squelette, identique tout le long de la molécule, sur lequel les bases sont accrochées.

Supraconducteur

Un supraconducteur est un matériau qui, refroidi sous une certaine température, dite critique, conduit le courant électrique sans aucune résistance et expulse le champ magnétique (effet Meissner). Heike Kamerlingh Onnes a découvert la supraconductivité en 1911 dans le mercure, refroidi à 4 kelvins (−269 °C).

Dans les supraconducteurs classiques, les électrons s'associent par paires, les paires de Cooper, grâce à leur interaction avec les vibrations du réseau (les phonons). Ces paires se comportent comme des bosons et se condensent toutes dans un même état collectif, qui circule sans rien perdre. C'est la théorie BCS (Bardeen, Cooper et Schrieffer, 1957).

Les supraconducteurs servent à fabriquer des électroaimants très puissants (IRM, accélérateurs de particules) et certains qubits des ordinateurs quantiques. Ils ont aussi inspiré le mécanisme de Higgs : à l'intérieur, le photon se comporte comme s'il était massif.

Symétrie

En physique, une symétrie est une transformation qui laisse les lois inchangées : on peut l'appliquer sans que rien d'observable ne change. Les symétries de la page sont :

• la translation : les lois sont les mêmes en tout point de l'espace ;
• la rotation : elles sont les mêmes dans toutes les directions ;
• la symétrie électrofaible : une symétrie interne qui unifie l'électromagnétisme et l'interaction faible.

Emmy Noether a montré en 1918 que chaque symétrie continue entraîne une loi de conservation : la translation donne la conservation de la quantité de mouvement, la rotation celle du moment cinétique. Les symétries « de jauge » fixent même la forme des interactions et de leurs médiateurs.

Les lois peuvent être symétriques sans que l'état du système le soit : c'est la brisure spontanée de symétrie, à l'origine des phonons, des magnons et du mécanisme de Higgs.

Système ouvert

Un système ouvert est un système qui échange de l'énergie et de la matière avec son environnement. Il s'oppose au système isolé, qui n'échange rien.

Un système ouvert traversé en permanence par un flux d'énergie peut se maintenir dans un état organisé loin de l'équilibre. Une flamme de bougie, un tourbillon dans une rivière ou les cellules de convection d'une casserole chauffée en sont des exemples. Ilya Prigogine, prix Nobel de chimie en 1977, les a appelés « structures dissipatives ».

Une cellule vivante en est l'exemple le plus élaboré. Elle consomme en permanence de l'énergie (nourriture ou lumière) et rejette chaleur et déchets. Schrödinger le résumait en 1944 : le vivant maintient son ordre en exportant du désordre vers son environnement. C'est la vraie différence avec un solide, qui se maintient sans rien consommer. Si le flux s'arrête, la cellule meurt.

Tissu

Un tissu est un ensemble de cellules semblables, liées par des jonctions et entourées de matrice extracellulaire, qui remplissent ensemble une même fonction. C'est l'étape 11 du tableau, entre la cellule et l'organe.

Chez les animaux, il en existe quatre grands types :

• le tissu épithélial, qui recouvre les surfaces et tapisse les cavités ;
• le tissu conjonctif, qui soutient et relie les autres (os, cartilage, graisse, sang) ;
• le tissu musculaire, qui se contracte ;
• le tissu nerveux, qui transmet des signaux électriques.

L'image du tableau montre l'épithélium qui tapisse l'intérieur de l'estomac. Les plantes ont leurs propres tissus, comme le bois ou l'épiderme des feuilles.

Van der Waals (forces de)

Les forces de van der Waals sont des attractions faibles entre atomes ou molécules électriquement neutres. Elles portent le nom de Johannes Diderik van der Waals, qui en a postulé l'existence en 1873 pour expliquer le comportement des gaz réels.

Elles viennent de ce que les nuages d'électrons ne sont jamais parfaitement immobiles. Une fluctuation dans une molécule crée un petit déséquilibre de charges, qui en provoque un autre, de même sens, dans la molécule voisine : les deux s'attirent. Ce sont des interactions faibles, de très courte portée.

La page les prend comme analogie. Elles sont un résidu de l'électromagnétisme entre molécules neutres, de même que la force nucléaire est un résidu de l'interaction forte entre nucléons, eux aussi neutres de couleur. On leur doit la cohésion des cristaux de gaz rares, le glissement des feuillets du graphite et l'adhérence du gecko aux murs.

Verre

Un verre est un solide amorphe obtenu en refroidissant un liquide assez vite pour que ses atomes n'aient pas le temps de se ranger en cristal. Le liquide devient de plus en plus visqueux, puis se fige dans un état désordonné : c'est la transition vitreuse.

Le verre courant est fait surtout de silice (dioxyde de silicium), le constituant du sable, avec des ajouts de soude et de chaux qui abaissent sa température de fusion. Mais il existe aussi des verres métalliques ou organiques.

Le verre n'a ni maille ni réseau, mais il résiste au cisaillement : c'est bien un solide. Il montre que l'état solide se définit par la rigidité, et non par l'ordre. Contrairement à une idée répandue, les vitraux anciens ne coulent pas : leurs irrégularités viennent de leur fabrication.

Virus

Un virus est un parasite microscopique formé d'un génome (ADN ou ARN) enfermé dans une coque de protéines, la capside, parfois entourée d'une enveloppe de lipides. Il mesure de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres, beaucoup moins qu'une bactérie.

Il n'a pas de métabolisme propre. Hors d'une cellule, c'est un objet inerte, à l'équilibre. Pour se reproduire, il pénètre dans une cellule et détourne sa machinerie pour fabriquer de nouvelles copies de lui-même. C'est pourquoi son statut d'être vivant reste débattu.

Dans le tableau de la page, le virus bifurque de la branche du solide après l'étape 5. Par ses liaisons (covalentes, puis faibles), il correspond à l'étape 6, mais il forme un objet fini, sans réseau cristallin. Grâce à la symétrie de sa capside, des virus purifiés peuvent pourtant être cristallisés, comme l'a fait Wendell Stanley en 1935 avec le virus de la mosaïque du tabac.