La dominante ce mois-ci, c’est peut-être le passage de la frontière entre l’animé et l’inanimé, entre biologie et physique comme entre neurone et ordinateur, mais c’est aussi l’opposition du court et du long terme.
Pour ce mois de vacances on se permettra aussi une petite évasion aux marges de la science vers des théories non standards (« la structure ondulatoire de la matière ») et des opinions « dissidentes ».
Pour la Science no 346, L’ivresse des profondeurs
- Le sucre fait dormir p26
On le savait déjà, le sucre fait dormir, mais maintenant on comprend mieux comment. Ce serait l’effet direct du sucre sur l’orexine responsable de notre éveil. Il faut donc le déconseiller lorsqu’on conduit la nuit et il serait responsable de la somnolence post-pandriale (après digestion) bien que cela n’explique pas pourquoi certains n’en sentent rien et qu’en vieillissant la sieste s’impose impérativement ! (ou alors ce serait un signe de diabète plutôt que de digestion ?) En tout cas, l’explication précédente était que le sucre, en stimulant l’insuline, transformait l’albumine en sérotonine...
Denis Burdakov, de l’Université de Manchester, et ses collègues ont montré comment le sucre absorbé pendant les repas inhibe certains neurones - les neurones à orexine - responsables de notre état d’éveil.
Les neurones à orexine sont présents dans une petite région du cerveau - l’hypothalamus postérieur - et émettent des prolongements dans la quasi-totalité du cerveau. À quoi sert l’orexine libérée ? Elle active des zones impliquées dans le maintien de l’éveil, tels les noyaux du raphé ou le locus cœruleus. Un dysfonctionnement de ces neurones serait responsable de la narcolepsie, une maladie caractérisée notamment par des épisodes de somnolence diurnes imprévisibles. Qui plus est, l’orexine, libérée dans le cortex, régulerait l’appétit et le métabolisme énergétique. Par conséquent, l’orexine stimule à la fois l’éveil et l’appétit : un déficit alimentaire active les neurones à orexine, entraînant une mobilisation des réserves énergétiques et gardant l’individu éveillé afin qu’il s’alimente pour reconstituer ses réserves. Et la cascade inverse existe aussi : la consommation d’aliments, et donc de sucre, bloque les neurones à orexine, aboutissant à un endormissement des personnes repues...
- Les lois universelles du mouvement p68
La diversité du monde du vivant est telle qu’on l’imagine infinie et l’on pourrait croire effectivement que toutes les formes sont possibles. En fait, les formes du vivant dépendent de son environnement, elles sont donc extrêmement limitées. De plus, à part coller aux variations de son milieu, la vie doit respecter les lois physiques, ce qui limite aussi dramatiquement les possibilités. D’Arcy Thomson avait montré déjà les contraintes qui faisaient qu’au-delà d’une certaine taille, une carapace d’insecte devenait absolument impossible car trop lourde : pas d’autre possibilité qu’un squelette interne pour grandir !
On fait ici un pas de plus qui réduit l’espace des possibles : la vie
doit respecter la loi la plus essentielle, la seule peut-être que le
vivant partage avec la matière inanimée, c’est le principe de moindre action
(Maupertuis). En effet, ce n’est pas l’entropie la loi la plus
fondamentale de l’univers comme on pourrait le croire, puisque la vie
se définit par ses capacités de croissance, de régénération et de
reproduction, c’est-à-dire de lutte contre l’entropie et la dégradation
naturelle. La seule loi universelle, c’est d’aller au minimum de
dépense d’énergie, de suivre la pente (« principe d’économie naturelle »
de Fermat ou Leibniz, qui précède historiquement celui de conservation
de l’énergie). C’est ce qu’on appelle aussi "principe d’action
extrémale« , ou »principe du minimum« et qui se trouve à la base de la
»théorie constructale" et permet de réintroduire l’inévitable finalité
de la biologie (oui, une aile, c’est fait pour voler et voler au
mieux !) car si la vie respecte ce principe, c’est après un détour
permettant de s’économiser, en se mettant à courir pour manger ou ne
pas être mangé, c’est en le respectant à long terme et pas du tout en
le respectant tout le temps puisque c’est un corps animé d’une activité
constante. C’est sur la durée que la vie se juge en s’incrustant
partout. La théorie constructale stipule simplement que chaque fonction
tend à s’optimiser à la longue, si j’ai bien compris, ce qui
expliquerait aussi bien la complexification croissante à long terme
sans qu’on puisse exclure des régressions et des simplifications
brutales à court terme.
Cette théorie stipule que, pour qu’un système de taille finie perdure, il doit évoluer de façon à fournir un accès de plus en plus aisé aux flux qui y circulent.
En appliquant un tel principe d’organisation à la question de la locomotion, on ne part pas des contraintes comme dans l’approche habituellement suivie, mais des objectifs généraux de la structuration.
Cette nouvelle contrainte plus radicale encore fait que tous les
animaux partagent de nombreuses caractéristiques malgré leur
extraordinaire diversité, « lois dites d’échelle, approximativement valables pour tout un ensemble d’organismes ». Tout cela fait que les formes de vie extra-terrestes ne devraient pas être tellement différentes dans les principes d’organisation et de locomotion au moins.
La course, le vol et la nage correspondent à des mouvements et à des organismes très différents. Pourtant, certaines lois communes, explicables par un principe physique d’optimisation, les caractérisent.
Stephen Jay Gould, l’un des grands paléontologues et biologistes de l’évolution du XXe siècle, affirmait que si l’on pouvait remonter l’horloge de la vie jusqu’à ses débuts et si on laissait l’évolution se dérouler à nouveau sur la même durée, les animaux qui en résulteraient seraient très différents de ceux connus aujourd’hui. Gould soulignait ainsi l’importance du hasard dans la sélection des organismes qui survivent et évoluent. Il avait probablement raison, mais on peut tout de même se demander s’il n’existe pas quelques règles générales et constantes auxquelles se conforment les organismes vivants. Il en est ainsi pour la locomotion des animaux : qu’ils nagent, courent ou volent, il est possible de dégager des lois quantitatives communes aux différents modes de locomotion et indépendantes de l’espèce considérée. Qui plus est, ces lois peuvent s’expliquer sur la base d’une idée unificatrice. C’est ce que nous montrerons dans cet article.
On constate que la fréquence de foulée des vertébrés coureurs est, grosso modo, proportionnelle à l’inverse de leur masse corporelle M élevée à la puissance 1/6, c’est-à-dire proportionnelle à M puissance moins 1/6 ; or la fréquence de nage des poissons est aussi proportionnelle à M puissance moins 1/6. de même, la vitesse des animaux coureurs est approximativement proportionnelle à M puissance plus 1/6, tout comme celle des oiseaux qui volent.
Nous avons montré qu’une approche théorique de type thermodynamique, où une certaine grandeur (l’énergie dépensée) doit être minimisée, permet de mettre au jour quelques lois remarquables auxquelles se conforment les animaux (...) On pourrait même appliquer ce modèle théorique pour prédire les caractéristiques de la locomotion sur d’autres planètes, où la pesanteur et la densité des environnements fluides sont différents des nôtres.
Les prédictions de la théorie constructale sont valables non seulement pour les animaux, mais aussi pour les machines construites par l’homme. La relation entre force et masse des moteurs est la même que celle qui s’applique aux êtres qui courent, volent ou nagent. L’étude du vol animal par notre approche prédit également les vitesses des machines volantes, et fait ainsi le lien entre le vivant et l’inanimé.
- Avantages sélectifs entre agressivité et coopération p90
Bien
loin de la « théorie des sentiments moraux » d’Adam Smith, encore plus
d’Amartya Sen pour qui « l’économie est une science morale » (ou plutôt
politique) et même à l’opposé du Darwin de « La filiation de l’homme »
qui explique le rôle de l’altruisme dans la propagation de l’espèce,
une certaine vulgate libérale bien ignorante voudrait nous persuader que seuls comptent l’égoïsme et l’avidité d’un homo oeconomicus
qui passe son temps au « calcul rationnel » de ses intérêts privés (euh !
ben oui, vous achetez bien le produit le moins cher au supermarché ?
croit pouvoir nous asséner le dogmatisme libéral pour qui la liberté se
réduit ridiculement à pouvoir acheter le produit chinois le moins cher
au mépris de toute considération écologique ou sociale, la bêtise
triomphante à l’état pur !). Tout autre point de vue est taxé de naïf ou
même identifié au totalitarisme communiste ! C’est l’esprit qui se
renie avec la force infinie de l’esprit, "et dans cette aliénation de
soi-même, il se sent fier et plein de joie" (Hegel, Ph. Histoire, p51).
C’est bien sûr cette mentalité « individualiste libéral », semblable à
celle du règne de Louis XV finissant, pour qui il n’y a rien de pire
que l’impôt ou les droits de succession (quelle horreur !), renforçant
le délitement des solidarités sociales et la destruction de la société
elle-même (qui n’existe pas prétend-on même depuis Thatcher !),
déstabilisation dont les élites seront les premières victimes pourtant,
comme l’histoire nous l’enseigne avec constance (et sans compter sur le
fait que l’accroissement des inégalités se répercute sur la qualité de
la vie et la santé des plus aisés).
Sans vouloir tirer trop de conclusions de simples modèles mathématiques, il est donc intéressant qu’on puisse tester la supériorité à long terme des conduites de coopération sur celles de compétition agressive malgré l’évidente faiblesse à court terme des plus coopératifs par rapport aux plus agressifs, ce qu’illustre le trop bien connu « dilemne du prisonnier » et que dément pourtant l’évolution à plus long terme (ou la loi des grands nombres) :
La dynamique générale d’évolution est claire : (a) les zones où seuls des individus agressifs sont en contact dépérissent ou ne réussissent pas à croître ; (b) dans les zones où les deux types d’individus se rencontrent, les coopérants disparaissent au profit des agressifs ; (c) les zones où des coopérants ne rencontrent que des coopérants prospèrent. La première phase de l’évolution est une course entre agressifs des zones (b) et coopérants des zones (c). Cependant, quel que soit l’avantage obtenu par les premiers, s’il y a des individus dans les zones (c), ils finissent par s’imposer et la population finale est composée essentiellement d’individus coopérants.
Les expériences donnent un résultat sans appel : pour un nombre donné de noeuds et de liens entre les noeuds et une même proportion initiale de communautés coopérantes, l’évolution sur un graphe de type Petit monde conduit plus fréquemment à une situation d’agressivité généralisée que sur un graphe de type Erdös-Renyi. La raison en est sans doute que la structure de Petit monde facilite la domination des communautés agressives et nuit à l’existence de noeuds coopérants protégés : des phénomènes sociaux (comme la diffusion rapide d’informations) sont facilités par l’existence de centres dominateurs, mais ils empêchent l’apparition et le maintien d’équilibres efficaces qui ne naissent et ne prospèrent que si certains noeuds se trouvent dans un certain isolement.
Cependant la coexistence de groupes agressifs conduit à des alliances et donc à des coopérations entre groupes, renforçant sur la durée l’avantage des stratégies de coopération sur l’agressivité de départ.
Cette émergence de la coopération "par solidarité de groupes" s’ajoute à l’émergence de la coopération résultant des stratégies réactives du type donnant-donnant, et à l’émergence de la coopération du fait des phénomènes que le modèle des réseaux de communautés met en évidence.
Sciences et Avenir no 714, Pourquoi les OVNI ont disparu
- La perméabilité du cerveau par les ondes p27
Alors qu’on met encore en doute les dommages que les ondes peuvent causer au cerveau, la médecine pense déjà en utiliser un effet la plupart du temps indésirable, qui est de provoquer la perméabilité du cerveau en perturbant la « barrière hémato-encéphalique » protègeant le milieu cérébral de toute incursion bactérienne.
Pour l’instant on n’en est qu’au stade de l’expérimentation sur des souris, « en focalisant sur un point précis du crâne des ondes ultrasonores, de même fréquence que celle d’une échographie » on arrive à faire passer dans leur cerveau des médicaments contre la maladie d’Alzheimer...
La barrière hémato-encéphalique s’est en effet rétablie d’elle-même en environ quatre heures. Pour une application chez l’homme, cependant, il faudra prendre en compte l’épaisseur du crâne, bien plus importante que chez la souris. Les scientifiques de Columbia pensent pouvoir contourner cette difficulté en ayant recours à des ondes de plus haute fréquence.
Un autre article, p66, nous avertit de l’arrivée des « rayons T »
(entre infrarouge et micro-ondes) qui permettent de déshabiller aussi
bien les personnes que les bagages, permettant ainsi des contrôles
d’embarquement non intrusifs (mais très indiscrets) sans les dangers
des rayons X. En dehors de leur rôle dans la surveillance, les
applications industrielles se multiplient et pourraient constituer la
prochaine invasion des communications...
Dans le numéro précédent (no 713) :
- Dépendance au bronzage
Parmi les adeptes des UV en cabine, on trouve de véritables « accros ».
Selon une étude parue dans le Journal of the American Academy of Dermatology, « cette passion pour les séances de bronzage relève d’un véritable phénomène d’accoutumance ».
Une quinzaine de volontaires ont participé à cette étude. Après administration en aveugle d’un antagoniste morphinique, la naltrexone, ou d’un placebo, les sujets ont été invités à rentrer en cabine pour une première séance de bronzage, avec ou sans UV.
Pour la séance suivante, la cabine était laissée au choix. Résultats : la préférence pour les cabines diffusant effectivement des UV disparaît en cas de prise de naltrexone.
C’est par le biais d’une libération d’endorphines cutanées que les UV exerceraient leur effet d’accoutumance et l’administration d’un antidote morphinique favoriserait le « sevrage ».
- Commander un ordinateur par la pensée Le Monde 17/07

Un tétraplégique américain transmet ses pensées à un ordinateur.
Il lui suffit d’imaginer un mouvement de son bras inerte pour que se déplace, suivant le même mouvement, un curseur sur un écran. Il peut ainsi télécommander la télévision ou l’éclairage, consulter son courrier électronique, ou encore jouer au ping-pong électronique.
Cette prouesse, publiée par Nature, de l’équipe de John Donoghue (Brown University, Rhode Island), a été « rendue possible par une chaîne technique qui vise à traduire l’influx nerveux en pixels animés ».
Le premier élément de cette « prothèse neuromotrice » est un composant électronique de 4 millimètres de côté, hérissé de 100 électrodes, implanté dans la région du cerveau qui commande les mouvements volontaires. Captant l’activité électrique des neurones, elle la transmet, via un plot câblé sur le crâne du patient, à des ordinateurs qui filtrent cet influx pour commander le curseur.
Pour Angela Sirigu, de l’Institut des sciences cognitives de Lyon, ces résultats sont « extrêmement intéressants », parce qu’ils montrent que le cortex moteur reste mobilisable même quand le corps est paralysé.
- Pilotage d’un mécanisme par des neurones L’Express no 2871
L’Express consacre une double page à un « incroyable exploit réussi par une équipe de l’Inserm » !
Le laboratoire de physiopathologie des réseaux neuronaux, à Bordeaux, a réussi à « piloter un programme de simulation au moyen de cellules nerveuses animales mises en culture ».
Les chercheurs ont créé une « créature mi-animal mi-machine », qui « évite des obstacles grâce aux informations transmises par les neurones mis en culture ».
Ces systèmes qui « permettent d’établir des connexions entre le système nerveux et l’informatique » sont « en plein développement », avec de possibles « applications médicales et militaires » (on en est encore loin !).
Le responsable de l’expérience à l’Inserm, Gwendal Le Masson, remarque : « Les neurones présentent de remarquables capacités pour le traitement des signaux, supérieures à celles des ordinateurs. A terme, les cultures de neurones pourraient être utilisées pour faire de la reconnaissance d’image, par exemple ».
- Fabrication de spermatozoïdes à partir de cellules souches Le Figaro

Selon la revue Development Cell, « des chercheurs allemands de l’université Georg-August à Göttingen viennent de réussir à faire naître des souriceaux grâce à des spermatozoïdes fabriqués en laboratoire à partir de cellules souches embryonnaires ».
Ces souriceaux ne grandissent pas de manière normale et souffrent de plusieurs pathologies, notamment de difficultés respiratoires.
Si l’objectif de ces recherches est la lutte contre la stérilité masculine, les stratégies utilisées dépassent en audace les livres de science-fiction les plus fous.
- Superposition des Big Bang !
Stephen Hawking, est célèbre presque autant pour sa terrible maladie
qui le paralyse que pour son approche théorique des trous noirs qui
obligent à penser ensemble gavitation, théorie quantique et
thermodynamique. Or, il y a de nombreuses analogies entre trous noirs
et Big Bang, ce qui l’a amené à remarquer qu’à cette échelle quantique
il pouvait y avoir superposition
de plusieurs états et que donc, "l’Univers n’a pas un unique
commencement ni une seule histoire, mais est doté d’une multitude de
commencements et d’histoires" !
Voilà qui rend encore plus impossible de déterminer les conditions initiales de l’Univers. Tout ce qu’on peut faire c’est partir de ce qu’on observe aujourd’hui (à savoir, un univers en 3D, presque plat, en expansion à un rythme accéléré), et tenter de remonter dans le temps mais sans pouvoir aller au-delà de la transition entre monde quantique et monde classique puisque "notre Univers n’est pas le résultat d’un seul commencement et d’une seule histoire, mais d’une multitude de commencements et d’histoires". Ce qui semble bien possible. La suite reste très spéculative :
La nouvelle théorie intervient dans la discussion d’un problème fondamental de la théorie des cordes, laquelle permet l’existence d’une multitude de types différents d’Univers, avec le nôtre. Selon Hawking et Hertog, tous ces univers alternatifs de la théorie des cordes pourraient avoir existé ensemble durant les tous premiers instants après le Big Bang. L’Univers se serait alors trouvé dans une « superposition » de tous ces mondes possibles. Ces univers se sont éteints à l’exception du nôtre.
La nouvelle théorie pourrait par ailleurs expliquer pourquoi certaines constantes de la nature semblent avoir des valeurs finement adaptées à l’apparition de la vie. Par exemple, la constante cosmologique, la force qui apparaît être la cause de l’accélération de l’expansion ou densité d’énergie du vide, a une valeur positive faible. Si cette valeur était légèrement inférieure ou supérieure, la vie n’aurait pu apparaître. L’Univers actuel aurait « choisi », selon la nouvelle approche, ces histoires ayant conduit à une valeur « correcte » de la constante cosmologique.
Les deux scientifiques ont déclaré que leur modèle pourrait, lorsqu’il sera plus complètement développé, être testé en comparant ses prédictions avec les observations relatives aux variations infimes d’intensité à l’intérieur du fond diffus cosmologique. Le fond diffus cosmologique, rayonnement résultant du Big Bang, devrait contenir les « empreintes » de certaines des histoires alternatives de l’Univers très primitif.
- Existe-t-il des petits trous noirs ?
J’avais attité l’attention l’année dernière sur les incertitudes
entourant la fabrication de mini trous noirs dans le futur LHC de
Genève. On m’avait assuré qu’il n’y avait aucun souci à se faire car
ils devaient s’évaporer aussitôt (selon Hawking justement) mais la
chose est d’autant moins assurée qu’une nouvelle théorie prétend le
contraire et même que cela pourrait expliquer la masse manquante de
l’univers... Il devrait être possible de tester la présence de ces
petis trous noirs par la déformation qu’ils feraient subir aux rayons
gamma. S’ils existent cela prouverait de plus l’existence d’une
dimension cachée (l’univers étant une membrane flottant dans un espace
plus grand, ce qu’on appelle en anglais « Braneworld »). Même si la
physicienne Lisa Randall à l’origine de cette théorie est bien jolie,
il est relativement peu probable que la théorie soit vérifiée, mais ce
n’est pas impensable malgré tout et l’on constate à quel point la
physique actuelle est spéculative, qu’elle tâtonne
dans le noir sans toujours croire devoir prendre toutes les précautions
qui s’imposeraient. Ce n’est pas grave, au cas où les physiciens se
seraient trompés dans leurs théories, nous disparaîtrons simplement de
l’univers avec le premier trou noir que nous aurons réussis à
produire... Bon, aller, je tiens le pari ?

Charles R. Keeton de Rutgers et Arlie O. Petters de Duke basent leurs travaux sur une théorie récente appelée "modèle du Braneworld Randall-Sundrum de type II". Cette théorie soutient que l’univers visible est une membrane (d’où le mot « Braneworld ») encastrée dans un univers plus grand, un peu comme une algue qui flotte dans l’océan. L’univers « Braneworld » possède cinq dimensions, quatre dimensions spatiales et une dimension temporelle, s’opposant en cela aux quatre dimensions, trois d’espace, plus le temps, proposées par la théorie de la relativité générale.
Keeton et Petters se sont concentrés sur une de ses conséquences qui la distingue de la théorie d’Einstein. La théorie du Braneworld prévoit que des « trous noirs » relativement petits, produits lors de la prime jeunesse de l’Univers, ont survécu jusqu’à aujourd’hui. Ces trous noirs, équivalents à de minuscules astéroïdes, feraient partie de la « matière sombre » de l’univers. Comme son nom l’indique, la matière sombre n’émet ni ne réfléchit la lumière, tout en exerçant une force de gravitation sensible. La théorie de la relativité, pour sa part, prévoit que de tels trous noirs primordiaux n’existent plus, car ils devraient s’être vaporisés depuis le moment de leur formation.
Petters et Keeton ont indiqué qu’il devrait être possible de mesurer le profil des franges prédites pour les rayons gamma en utilisant le télescope spatial GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope), qui devrait être lancé en août 2007. "Si la théorie du Braneworld est correcte« , disent-ils, »il devrait exister un nombre extraordinaire de trous noirs de ce type à travers tout l’univers, et chacun d’eux porterait la signature d’une quatrième dimension spatiale".
- La structure ondulatoire de la matière
Pour
terminer, et parce que rien n’est sûr en science (il ne s’agit pas de
vérité révélée), je signale une théorie non standard, et sans doute
fausse, mais qui permet de mieux comprendre la dualité onde-particule
et la structure ondulatoire de la matière dans la physique quantique
grâce à de magnifiques illustrations de l’électron comme onde. Il ne faut pas avoir peur de s’aventurer aux marges
de la science mais il faut le faire avec prudence et confronter ces
théories plus ou moins simplificatrices (et souvent délirantes) avec
des avis autorisés afin d’en voir les défauts et les insuffisances. On
sort de ces confrontations en général avec une meilleure compréhension
des questions abordées. La vérité n’est jamais qu’une réponse à
l’erreur, c’est pourquoi le faux est un moment du vrai selon Hegel, à
condition bien sûr de ne pas en rester là et croire que c’est la vérité
vraie qu’on voudrait nous cacher simplement parce qu’on croit
comprendre mieux, que c’est plus accessible à nos représentations (que
la relativité par exemple) mais ici on n’est pas si éloigné de la
théorie quantique et de ses fonctions d’onde. Il n’est pas si sûr que ce ne soit pas tenable. Il faudrait jeter un coup
d’oeil aux formules mais c’est ce dont on est presque tous incapables,
ce pourquoi on a besoin d’un scribe pour nous les lire, du savoir des
physiciens et de leur effort de vulgarisation.
En tout cas, selon cette "théorie ondulatoire de la matière", la relativité restreinte ne serait due qu’à l’effet Doppler (sans dilatation du temps mais avec une contraction réelle de la matière, ou des ondes plutôt...) et la relativité générale serait fausse (ce qui est peu probable, puisque le GPS entre autre semble prouver sa justesse, bien qu’elle soit remise en question aussi par la théorie des cordes par exemple, mais ce n’est pas moi qui peut trancher dans ces controverses qui me dépassent). On reste donc dans notre univers familier à 3 dimensions (tout comme la théorie quantique), celui de la Terre plate sur laquelle nous vivons ! Par contre, selon son représentant le plus crédible, Milo Wolff, cette théorie ondulatoire permettrait de résoudre par exemple le paradoxe EPR qui relie des particules quelle que soit la distance, et ceci sans aucun transfert d’énergie qui soit plus rapide que la vitesse de la lumière car les ondes étant interconnectées toute particule serait reliée au reste de l’univers...
De quoi faire des rêves d’infini sur la plage, bercés par les vagues de la mer et les mouvements de l’onde qui vient d’au-delà de l’horizon pour mourir à nos pieds ou se briser sur les rochers !

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