La « théorie physico-chimique de la vie »

1Les expériences historiques de Stéphane Leduc1 sont peu ou mal connues. Tout au plus les vulgarisateurs de la chimie exposent-ils de temps en temps, face à des publics médusés, les étonnantes formes et couleurs de ses croissances osmotiques, mieux connues de nos jours sous la dénomination de « jardins chimiques » (figure 1).2 Elles sont pourtant relativement simples à réaliser, du moins dans leur version élémentaire, comme en témoigne le chapitre Récréations chimiques de l’Oncle Tungstène d’Oliver Sacks3 :

2« Je réquisitionnai notre table de cuisine pour m’y fabriquer un « jardin chimique » en ensemençant une solution sirupeuse de silicate de sodium ou de soude avec des sels de fer, de cuivre, de chrome et de manganèse aux diverses couleurs : il en résulta non point des cristaux, mais une prolifération quasi végétale de vrilles qui se distendirent, bourgeonnèrent et éclatèrent en se remodelant sans arrêt sous mes yeux ».

Figure 1

Un exemple de « jardin chimique »

3Une fois les sels métalliques adéquats sélectionnés (figure 2), il ne reste en effet qu’à préparer le composant essentiel de toutes les synthèses de jardins chimiques, leur « liquide vital » : la solution concentrée de silicate de sodium ou « liqueur de cailloux »,4 qui joue le rôle de « solution mère ».

Figure 2

Quelques-uns des sels métalliques utilisés pour élaborer des jardins chimiques.

4Dans son ouvrage principal publié en 1910, Théorie physico-chimique de la vie et générations spontanées,5 Leduc commence toutefois par l’étude des figures de diffusion obtenues dans l’eau salée avec de l’encre de Chine et des champs de cristallisation en milieux colloïdaux. Puis il caractérise les premières « cellules osmotiques » et la « morphogenèse »,6 que nous commencerons nous aussi par reproduire (figure 3).

Figure 3

Cellule osmotique produite par l’introduction d’un bloc de chlorure de calcium fondu dans une solution très diluée

5Ces créations sont pourtant bien éphémères : les plus belles cellules finissent par se percer, donnant naissance à d’étranges arborescences (figure 4).

Figure 4

Arborescence issue de la perforation d’une cellule osmotique de chlorure de calcium fondu

6L’émergence de ces cellules primordiales ne constitue donc pas le résultat le plus spectaculaire du travail de Leduc, et c’est dans les pages suivantes qu’apparaissent les premières gravures représentant ses  véritables « paysages ». La ressemblance avec le monde végétal devient alors peu à peu saisissante (figure 5).

Figure 5

Trois pages caractéristiques des versions anglaise et française de l’ouvrage de Stéphane Leduc

7La préface de W. Deane Butcher, dans le texte de la traduction anglaise qui va paraître d’ici quelques mois sous le titre The mechanism of life (figure 3),7 est explicite :

 « Il n’y a, je crois, aucun spectacle plus extraordinaire et plus éclairant que celui d’une croissance osmotique – une masse grossière de matière brute inanimée en train de germer devant nos yeux, de produire un bourgeon, une tige, une racine, une rameau, une feuille et un fruit, sans aucune stimulation provenant d’un germe ou d’une graine, sans même la présence de matière organique. Car ces croissances minérales ne sont pas seulement des cristallisations, comme le pensent certains […]. Elles imitent les formes, la couleur, la texture et même la structure microscopique d’une croissance organique, de manière si parfaite que cela « trompe les élus mêmes ».

Un médecin-chimiste créatif…

8Mais qui est ce Stéphane Leduc, totalement tombé dans l’oubli et tout récemment reconsidéré par l’historienne des sciences Evelyn Fox Keller ?8 Né à Nantes, licencié ès-sciences et docteur en médecine, il fut professeur à l’École de Médecine de Nantes. Comme ceux de Jöns Jacob Berzélius (1779-1848), les travaux de Leduc portèrent notamment, à un siècle d’écart, sur l’utilisation de l’électricité comme support thérapeutique. Promoteur de l’électrothérapie,9 il découvrit ainsi que certaines formes d’épilepsies pouvaient être traitées par des électrochocs ou qu’une anesthésie générale pouvait être obtenue par l’application de courant électrique. Mais il est plus connu pour ses travaux sur la biologie synthétique, évoqués dans le présent article.10

9Notons toutefois que Leduc n’était pas le premier à créer ce type de paysages mi-lunaires, mi-vivants, mais chimiques. Au cours des xvii^e et xviii^e siècles, Erasme Bartholin (1625-1698), Louis Lémery (1677-1743, fils de Nicolas Lémery) et d’autres expérimentateurs avaient en effet déjà créé les « végétations chimiques » par croissance électrolytique, et c’est ainsi qu’avaient germé les premiers arbres de Diane ou de Mars.11

Des succès de la biologie synthétique…

10À ce stade, il convient de resituer la place des travaux de Leduc sur la biologie synthétique dans l’histoire de la biologie et de la chimie. Depuis l’Antiquité, avec des philosophes tels Aristote ou Lucrèce, en passant par le Moyen-Âge avec Albert le Grand (~1200-1280), ou en période Renaissance avec Van Helmont (1580-1644), jusqu’à la fin du xix^e siècle, deux dogmes se perpétuaient : l’origine de la vie résidait dans la génération spontanée, elle-même conséquence de l’existence d’une force vitale.

11Certes, ses prédécesseurs chimistes étaient-ils parvenus à faire admettre à la communauté scientifique qu’il était possible de synthétiser artificiellement des substances jusqu’ici exclusivement produites par les êtres vivants.12 Mais en venant combler le fossé théorique qui séparait jusque là le vivant du non-vivant, en proposant une nouvelle version du « chaînon manquant » entre l’inorganique et l’organique, ravivant ainsi les espoirs déçus des anti-vitalistes après le trépas du Bathybius Haeckelii,13 les expériences de Leduc auraient un écho retentissant et beaucoup de ses lecteurs considéreraient qu’ils jettaient un éclairage déterminant sur la nature et l’origine de la vie.

12En effet, comme l’explique Fox Keller :

« Les modèles de Leduc répondaient à un besoin qui était largement ressenti à son époque, même s’il ne l’est plus à la nôtre : ils démontraient que des formes complexes (comparables en complexité à celles que l’on trouve dans le monde vivant) pouvaient être engendrées par des processus physiques et chimiques bien identifiés »,14

13ce en quoi ils contribuaient à déraciner les vestiges persistants du vitalisme15.

14Or en Grande-Bretagne et aux États-Unis, contrairement à la France où il rencontrait des oppositions au sein de l’Académie des sciences depuis 1907 parce que ses travaux remettaient à l’honneur la génération spontanée,16 les récentes découvertes de Louis Pasteur (1822-1895) sur la question n’occupaient pas encore suffisamment de place dans l’opinion pour faire obstacle à ses assertions selon lesquelles la vie aurait pu naître à la faveur d’heureuses rencontres entre substances chimiques. Et de fait, ses efforts furent largement relayés dans la presse scientifique anglo-saxonne entre 1905 et 1913.

… à son discrédit

15Mais bien vite, les idées de Leduc seront balayées par la convergence de nouvelles connaissances issues de la chimie, de l’astronomie et, bien sûr, de la génétique. C’est pourquoi, ce sont les écrits des philosophes et historiens des sciences qui rendent le plus justice à ces théories qui, aujourd’hui, nous apparaissent comme de naïves élucubrations. Une contestation, d’abord minoritaire puis de plus en plus forte, avait d’ailleurs commencé à émerger dès la publication de ses travaux, à tel point qu’en 1907, Henri Bergson (1859-1947) s’opposait déjà à ce genre d’idées dans son Évolution créatrice.

16Même s’il ne cite pas directement Leduc, il écrit, critique :17

« Des chimistes ont fait remarquer qu’à ne considérer même que l’organique, et sans aller jusqu’à l’organisé, la science n’a reconstitué jusqu’ici que les déchets de l’activité vitale ; les substances proprement actives, plastiques, restent réfractaires à la synthèse. »

17et (page 35) :

« Quant à l’imitation artificielle de l’aspect extérieur du protoplasme, doit-on y attacher une réelle importance théorique, alors qu’on n’est pas encore fixé sur la configuration physique de cette substance ? De le recomposer chimiquement il peut encore moins être question pour le moment. […] Mais ce qui est instructif par-dessus tout, c’est de voir combien l’étude approfondie des phénomènes histologiques décourage souvent, au lieu de la fortifier, la tendance à tout expliquer par la physique et la chimie. »

18 Puis enfin (page 36) :

« En résumé, ceux qui ne s’occupent que de l’activité fonctionnelle de l’être vivant sont portés à croire que la physique et la chimie nous donneront la clef des processus biologiques. Ils ont surtout affaire, en effet, aux phénomènes qui se répètent sans cesse dans l’être vivant, comme dans une cornue. Par là s’expliquent en partie les tendances mécanistiques de la physiologie. Au contraire, ceux dont l’attention se concentre sur la fine structure des tissus vivants, sur leur genèse et leur évolution, histologistes et embryogénistes d’une part, naturalistes de l’autre, sont en présence de la cornue elle-même et non plus seulement de son contenu ».

19Plus brutalement, vingt ans plus tard, Édouard Leroy (1870-1954), professeur au Collège de France, écrivait au sujet de la « prétendue biogenèse » de Leduc :

« On n’a pas imité la vie, même de loin […]. Qu’il me suffise de dire que ce sont des effets d’osmose [n’ayant] guère plus de signification dans le problème qui nous occupe, que les fleurs ou ramures de glace dessinées sur les carreaux d’une fenêtre, un jour d’hiver. »

20Et lorsqu’Alexandre Oparine (1894-1980) le cite en 1936 dans son Origine de la vie, ce n’est que pour noter que la ressemblance entre ces productions et des cellules vivantes n’est

« pas plus grande que la ressemblance superficielle entre une personne vivante et sa statue de marbre. »18

Des circonstances atténuantes

21À la décharge de Leduc, il faut tout de même admettre qu’il est parfois difficile de ne pas y croire (figure 7). Il nous semble même possible de lui trouver quelques circonstances atténuantes : quoi de plus fascinant, en effet, que de voir se constituer des structures si proches des éléments naturels et des formes de vies ? La facilité avec laquelle se développent ces structures tubulaires a de quoi surprendre… et faute des connaissances dont nous disposons actuellement sur la nature des phénomènes biologiques, il n’est pas étonnant que Leduc se soit laissé aller à trouver dans cette spontanéité un aspect naturel.

Figure 7 

Cet escargot n’en est pas un…mais le produit de la croissance osmotique du chlorure de fer (III)

22En outre, on ne peut nier qu’en démontrant la capacité de la matière à produire spontanément une extraordinaire complexité, Leduc aura contribué à faire progresser la compréhension de la vie. Cela n’échappe pas à Reinhard Beutner en 1938 qui écrit :

« Nous pouvons apprendre beaucoup de ces structures artificielles périssables. Elles révèlent de manière frappante l’action répandue de forces formatives dont dispose la nature. […] Le secret de la vie est donc ainsi un peu dévoilé. »19

23Juger Leduc à la lumière de ces apports particuliers, sans oublier son étonnante habileté expérimentale, nous semble par suite plus juste que de ne retenir que l’amateurisme abstrait20 dont l’accusait Pierre Thuillier (1927-1998) en 1978. Malgré ses erreurs et sa naïveté enthousiaste, il nous semble même digne d’une certaine réhabilitation.

24Celle que nous lui devons n’est pas sans analogie avec ces lignes du Docteur Faustus de Thomas Mann, alors qu’il évoque justement les cultures chimiques et leur nature « profondément mélancolique » :

« […] le père Leverkuhn nous ayant demandé ce que nous en pensions, nous répondîmes timidement que ce ne pouvaient être des plantes, sur quoi il déclara : « Non, il n’en est rien, elles font semblant ; mais leur mérite n’en est pas moindre. Précisément, le fait qu’elles simulent et s’y efforcent de leur mieux est digne de toute notre estime. ». »21

25Et digne de toute notre estime également est la ténacité de Leduc ; certes il s’est trompé, mais son mérite, à lui non plus, n’en est pas moindre. E. Fox Keller écrit notamment à ce sujet :

« Les ambitions que reflètent ces efforts, ainsi que l’intérêt qu’ils ont suscité à l’époque, représentent un épisode de l’histoire de l’explication biologique et sont instructifs, exactement à proportion de ce qui peut nous paraître aujourd’hui comme leur absurdité. »

L’osmose

26En guise d’alternative pour la solution mère de silicate de sodium, Leduc préconise la préparation de solutions saturées de diverses natures. Mais quelques essais seulement permettent de réaliser que c’est la simple solution de silicate de sodium qui nous donne les meilleurs résultats et que toutes les autres n’ont probablement été imaginées par Leduc que dans des optiques très spécifiques destinées à conforter sa théorie : la création délibérée de formes ressemblant à des êtres vivants tels que champignons, coquillages, feuilles, madrépores et autres vers annelés. Car c’est pour lui une conviction inextinguible :

« Est-il possible de penser et d’admettre que les conditions si simples de la croissance osmotique ne se soient pas trouvées réalisées bien des fois dans le passé de la terre ? »

27Ce dont il déduit que

« des millions de formes éphémères ont dû ainsi se former pour donner la nature actuelle dans laquelle le monde vivant [représente] la matière ainsi organisée par osmose. »22

28Il renouvelle ainsi la dimension quasi métaphysique qu’en 1827 déjà, René Joachim Henri Dutrochet (1776-1847) avait attribuée au phénomène de l’osmose :

« [L’osmose] est le point par lequel la physique des corps vivants se confond avec la physique des corps inorganiques. »23

29Or s’il y a un phénomène sur lequel Leduc ne s’est pas trompé, c’est bien celui de l’osmose. En effet, la compréhension que nous avons aujourd’hui du bourgeonnement de ces jardins minéraux lui donne entièrement raison.

La « naissance » des jardins chimiques

30Une fois introduit dans la solution mère, le sel métallique (sels de calcium, de fer, nickel, cuivre, manganèse, cobalt, etc.) s’y dissout. Les ions métalliques libérés forment alors immédiatement, en entrant en contact avec les ions silicates, une membrane solide autour du cristal initial.24 La « cellule » est née. Cette membrane est semi-perméable : elle laisse passer l’eau mais aucune autre substance. Par suite, elle délimite deux domaines : une solution intérieure contenant uniquement le sel métallique dissous et une solution extérieure contenant uniquement le silicate de sodium (également dissous). Cette différence de composition conduit à un afflux d’eau de l’extérieur vers l’intérieur, à travers la membrane. On nomme ce phénomène « osmose », ce qui a conduit Leduc à conférer à la cellule sa qualité d’« osmotique ».

31Reste à comprendre la croissance de la cellule : cette entrée d’eau induit une augmentation de la pression interne, puis la rupture de la membrane qui se reforme aussitôt… mais un peu plus loin. Le phénomène se produisant en continu et sur tout son pourtour, la cellule croît. Dans la plupart des cas cependant, la densité de la solution intérieure est plus faible que celle du milieu extérieur : la rupture se fait donc préférentiellement vers le haut. Cette fois, la croissance est ascendante, filamentaire et arborescente.25

Figure 8 

Les bulles d’air et les transparences donnent aux clichés (ici celui du chlorure de fer) une ambiance sidérale

Le rôle des bulles d’air

32Une observation attentive permet en outre de remarquer l’influence insigne de bulles d’air (figures 8 et 9), dont la production est notamment stimulée par le dégazage de la solution mère sous l’influence de la chaleur des projecteurs. En effet, lorsqu’elles accompagnent la naissance des tiges arborescentes, ces bulles accélèrent démesurément leurs croissances, avant de s’en dégager parfois brutalement, interrompant de fait le processus.26

Figure 9

Différentes étapes de la croissance filiforme de fins cristaux de sulfate de cuivre,

33illustrant particulièrement bien l’influence des bulles de gaz. Plan large et gros plan

34Un phénomène qui, en son temps, avait été récusé par Leduc, qu’aveuglait sa foi en la prééminence de l’osmose. Certes, la poussée est d’abord d’origine osmotique, mais les bulles de gaz peuvent dans certains cas jouer des rôles déterminants, ajoutant leurs effets aux différences de densité qui orientent les croissances dans la direction verticale (figure 10).

Figure 10

Toutes les variantes de couleurs et de formes semblent pouvoir être obtenues par l’utilisation du chlorure de cobalt, dont les degrés d’oxydation et le taux d’hydratation contrôlent les teintes

Les vestiges du travail de Leduc

35Que reste-t-il des travaux de Stéphane Leduc, du point de vue de la recherche contemporaine ? Force est de constater qu’elle n’y puise plus grande inspiration et que, hormis l’usage qu’en fit D’Arcy Wentworth Thompson27 (1860-1948), il reste peu de traces de sa vie scientifique, en dépit de la renaissance d’une forme moderne de la biologie synthétique.28 Il en va souvent ainsi : lorsque la science « véritable » se saisit de questions jusqu’alors reléguées à des domaines qualifiés de « parascientifiques », elle fait table rase de toutes les interprétations préexistantes, dussent-elles avoir été invoquées des siècles durant.29

Figure 11

Deux solutions de silicate de sodium, l’une concentrée, l’autre diluée deux fois, ont été disposées l’une au-dessus de l’autre. L’arborescence de chlorure de cobalt change de structure lorsqu’elle la traverse

36On retrouve également son nom dans quelques récentes études biomimétiques de matériaux inorganiques,30 ou concernant la recherche de traces de vie fossiles31 ou extra-terrestres.32 Mais dans des argumentations qui ne lui auraient peut-être pas toujours plu. C’est ainsi que, s’appuyant sur ses travaux, des chercheurs ont récemment montré que certaines concrétions que les paléontologues avaient jusqu’ici considérées comme des fossiles, n’étaient probablement rien de plus que des vestiges de formations minérales osmotiques, c’est-à-dire d’origine absolument inerte.

Un trésor pour la culture scientifique

37Au niveau de la culture scientifique, en revanche, quelle merveille que ce cas d’école ! Que cette théorie fumeuse ayant permis de déraciner les vestiges d’une fausse doctrine (le vitalisme), dont le nom réapparaît un siècle plus tard dans les éprouvettes des biologistes moléculaires. Et quels trésors que ces images sidérales ou marines, si puissamment évocatrices…

Figure 12

Parmi tous les sels utilisés, le chlorure de fer est celui dont la croissance est la plus rapide et la plus exubérante. Elle peut se faire par le bas sous forme de plissements ou par le haut, en grappes, donnant naissances aux formes les plus évocatrices

Un concours de haïkus

38C’est en constatant la fragilité des jardins chimiques de ce Stéphane Leduc, dont les théories, rendues caduques par la biologie moderne, n’avaient elles-mêmes pas résisté à l’évolution des sciences, qu’une médiatrice des sciences de l’association Les Atomes crochus eut l’idée d’y adjoindre des vers. Le haïku, court poème d’origine japonaise en trois vers et dix-sept syllabes qui rend hommage à l’éphémère, aux petits riens de la vie, semblait en effet tout indiqué pour parler de ces étranges objets de sciences. Quelques bulles plantent un décor stellaire. Des êtres inertes et colorés aux formes intrigantes semblent attendre. Quoi ? De prendre vie sous une plume, peut-être… La science aussi peut générer du rêve.

39C’est ainsi que six mois durant, dès la rentrée scolaire 2008, collégiens et lycéens furent invités à déposer leurs haïkus sur le site www.atomes-crochus.org/haikus. On y trouve désormais les meilleures propositions qui nous furent faites, dont suivent quelques exemples :

Un véritable projet de culture scientifique

40Conformément aux objectifs des Atomes crochus, ce projet a été pensé pour susciter le rêve, éveiller la curiosité, changer notre regard sur le monde. Son rôle premier était ainsi de promouvoir une approche culturelle interdisciplinaire où la science, à l’origine du travail, se mêlait peu à peu à l’histoire, à l’épistémologie, à la métaphysique même, puis à l’esthétique et à la poésie. Dans cette perspective, cette dernière s’impose naturellement. Conduisant à interroger le rapport entre art et science, elle force par ailleurs à un certain lâcher-prise vis-à-vis des connaissances scientifiques, à se plonger dans un genre littéraire particulier, à jouer avec un code… En bref, à se laisser glisser vers la culture tout court.

41Ancrer la science dans la culture, c’est la rendre peut-être plus attractive, mais surtout fédératrice et riche de sens. Sans remettre en cause l’intérêt ou l’importance de la pédagogie et de la vulgarisation, nous avons tenté ici de toucher de nouvelles sensibilités, de faire vibrer d’autres cordes.

42Textes complémentaires :

Une brève biographie de Stéphane Leduc se trouve dans La santé en Bretagne (disponible à l’Académie nationale de médecine), par Suzanne Ballereau-Dallongeville. Cette dernière y cite la thèse de Leduc à l’université de Nantes, mais cet ouvrage semble difficile à trouver. On pourra également lire une bonne critique du travail de Leduc dans « Stéphane Leduc : a-t-il crée des êtres vivants ? » de M. D’Halluin, Revue des questions scientifiques, xii, 20 juillet 1907, p. 5-56.

La Bibliothèque nationale de France (site François Mitterrand) abrite par ailleurs la retranscription d’une de ses conférences, prononcée sous le patronage de la Presse médicale, le 7 décembre 1906 : « Les bases physiques de la vie et la biogenèse ». On y trouve également l’un de ses premiers rapports sur la synthèse chimique de la vie : « Cytogenèse expérimentale », une communication au Congrès de l’Association française pour l’avancement dessSciences (Ajaccio, 8-14 septembre 1901), dans laquelle il se réfère alors aux Comptes rendus de la séance du 17 juin 1901 de l’Académie des sciences.

Plus récemment, on trouve par ailleurs des expériences complémentaires à celles que nous avons réalisées dans diverses revues scientifiques, mais sans qu’il y soit question de Stéphane Leduc : injections de solutions d’ions métalliques dans des solutions de silicates37 et autres variantes,38 formations de jardins chimiques en apesanteur39 ou en présence de champs magnétiques puissants.40

Notons enfin que la compréhension de tous ces phénomènes conduit à des applications pratiques dans de nombreux domaines tels que la formation des terres vertes utilisées par le peintre Vermeer,41 la prise du ciment Portland,42 la compréhension des réactions produites par les « fumeurs noirs » au fond des océans43 ou encore la recherche des origines de la vie.44

Remerciements à Michel Morange, Juli Pereto, Francine Pellaud, Luc Allemand, Sophie Coisne et Stéphane Tirard pour leurs relectures attentives et leurs conseils avisés, ainsi qu’au professeur Jacques Livage pour la divulgation des mécanismes physico-chimiques mis en œuvre dans les croissances osmotiques.