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1
Morphogenèse Chimique
Jacques Livage - Collège de France
www.ccr.jussieu.fr/lcmc Cours du Collège de France
www.college-de-france.fr enseignement
2
La couleur
3
La forme
4
Ombres chinoises
Létude des formes est à lorigine de la plupart
des disciplines scientifiques
5
Les feuilles se reconnaissent à leur forme
6
feuille de chêne
7
La classification des insectes est fondée sur
lanalyse des formes
8
Minéralogie
La forme des cristaux
quartz
9
Constance des formes végétales ? variabilité
des formes cristallines
Pourquoi la vie, si dépendante des conditions
extérieures, produit-elle des formes
fixes tandis que les minéraux, dont la
composition ne change jamais, ont des formes
indéfiniment variables
10
René Just Haüy
1784
11
Minéralogie
La forme des cristaux
quartz
12
De la forme à la structure
C6
Quartz
Les 6 faces du cristal de quartz sont le reflet
de la disposition des tétraèdres SiO4
13
Fluorine CaF2
structure cubique
14
De la forme des continents
Complémentarité des formes de part et dautre de
locéan atlantique
15
Alfred Wegener
1880 - 1930
1915 La dérive des continents
16
à la dérive des continents
17
Les théories fixistes
James Ussher
1650  
(1581-1656)
Pasteur anglican primat dIrlande
Annales de lAncien Testament depuis lorigine du
monde
Dieu a créé le monde le 23 octobre 4.004 av. JC
Vers le créationisme
18
Darwin et la croisière du Beagle (1831 - 1836)
19
(No Transcript)
20
les îles Galapagos
21
Étude de la morphologie des becs de pinsons
22
la forme des becs des pinsons change selon
lîle et selon le mode de vie
23
(No Transcript)
24
Charles Darwin
24 novembre 1859
 Lorigine des espèces par sélection naturelle 
1809 - 1882
25
Arbre de lévolution
26
A- Pantroglodytes (Chimpanzé) B- Autralopithecus
africanus (2,6 MA) C- Australopithecus africanus
(2,5 MA) D- Homo habilis (1,9 MA) E- Homo habilis
(1,8 MA) F- Homo rudolfensis (1,8 MA) G- Homo
erectus (1,75 MA)
H- Homo ergaster (1,75 MA) I- Homo
heidelbergensis (300 à 125 KA) J- Homo sapiens
neanderthalensis (70KA) K- Homo sapiens
neanderthalensis (60KA) L- Homo sapiens
neanderthalensis (45 KA) M- Homo sapiens sapiens
(30 KA) N- Homo sapiens sapiens
27
Le crâne de Toumaï
M. Brunet et al. Nature 418 (2002) 145
7 millions dannées
28
Gregor Mendel (1865)
29
plantes
protistes
animaux
Arbre phylogénétique de Haeckel (1856)
Basé sur la morphologie
30
La phylogénie moléculaire
Reconstitution des filiations génétiques en
comparant les séquences dacides nucléiques ou
protéiques ARN ribosomique 16 S
abondante se conserve dans les différentes
espèces
31
Carl Woese 1980
32
Morphométrie et évolution des formes
GDR CNRS 2474
33
Controverse sur les premières traces de vie sur
terre
structures filamenteuses de 3,5 Ga
découvertes en Australie à Marble Bar
UCLA - restes fossiles de cyanobactéries ? J.W.
Schopf et al. Nature, 416 (2002) 75 Oxford -
minéraux liés à une activité hydrothermale
? M.D. Brasier et al. Nature, 416 (2002) 76
34
Aujourdhui encore, la détection de traces de vie
est liée à des observations morphologiques
Météorites martiennes
bacteries ?
Les glaces du lac de Vostok en antarticque
35
La géométrie des formes vivantes
Enst Haeckel
La campagne du HMS Challenger
1872 - 1876
(1834 - 1919)
36
(No Transcript)
37
Atlas des radiolaires (1862)
38
Atlas des radiolaires (1862)
39
Atlas des radiolaires (1862)
40
Forme et Géométrie
2D
La forme parfaite est le cercle
Polygones réguliers inscrits dans un cercle
infinité de polygones
41
3D
La forme parfaite est la sphère !
Solides de Platon
Polyèdres réguliers inscriptibles dans une
sphère dont toutes les faces sont des polygones
isométriques
42
les cinq solides de Platon
43
Polyèdres duals
Les sommets du polyèdre P, dual de P, sont les
centres des faces de P
Les solides de Platon sont duals
44
Polyèdres duals
icosaèdre - dodécaèdre
tétraèdre - tétraèdre
cube - octaèdre
45
Relation dEuler
F S A 2
46
Johannes Képler
(1571 - 1630)
Description géométrique du mouvement des planètes
5 solides de Platon polyèdres réguliers
inscriptibles dans une sphère et
circonscriptibles dans une autre sphère de même
centre
5 planètes ayant des orbites circulaires qui ne
peuvent être que les sphères de Platon
à chaque planète est associé un polyèdre inscrit
dans une sphère et circonscrit dans une autre
47
Mysterium Cosmographicum (1596)
48
Lorbite d une planète est décrite par la
sphère circonscrite au polyèdre correspondant
49
Dans toutes ces disciplines le scientifique
sintéresse d abord à la forme pour établir des
analogies et des classifications
botanique zoologie minéralogie
Viennent ensuite des observations plus fines
basées sur la structure intime de la matière
cristallographie biologie moléculaire
50
Contrairement aux autres disciplines
scientifiques, la chimie sintéresse à la
composition de la matière plutôt quà sa forme
51
La théorie atomique
Démocrite (460-370 b.c.)
La matière est formée de grains minuscules
atomes
La cohésion dun solide est due à lenlacement
datomes crochus (jusquau 17ème siècle)
Les liquides sont formés datomes lisses et ronds
qui glissent les uns sur les autres Plus les
atomes sont gros plus le liquide est visqueux
52
la matière est composée de quatre éléments terre
- eau - air - feu
Empédocle (495-435 b.c.)
53
Aristote
(384-322 av. J.C.)
À chaque élément il associe une qualité
54
La forme des éléments
Feu Tétraèdre
4 triangles
55
Forme géométrique et réactivité chimique
56
(No Transcript)
57
La forme des éléments
air
terre
eau
feu
4 triangles
20 triangles
8 triangles
6 carrés
58
Correspondance planète - élément (plomb et
saturnisme)
59
Les symboles chimiques nont aucun lien avec la
forme des éléments
60
Matière composition (analyse chimique)
Joseph Proust (1754-1826) loi des proportions
définies Un composé donné contient toujours les
mêmes éléments combinés dans les mêmes
proportions en masse
John Dalton (1766-1844) loi des proportions
multiples Le rapport des masses est un nombre
entier
61
19ème siècle, naissance de la synthèse organique
Friedrich Wöhler (1800 - 1882)
Synthèse de lurée
Synthèse dun composé organique à partir dun
sel minéral
62
Isomérie au XIXème siècle
1823
Liebig synthèse de lacide fulminique CN-OH à
partir du fulminate de mercure
Wohler synthèse de lacide cyanique N?C-OH à
partir du cyanate dargent
NCOH ? CNOH
63
Berzélius
les propriétés ne dépendent pas que de la
composition elles sont liées à lassemblage des
atomes HCNO
64
les colorants synthétiques et lindustrie de la
teinture 19ème siècle
1856 découverte de la mauvéine par Henry
Perkin (1838-1907)
Élève dHofmann au Royal College of Chemistry
65
la découverte de la mauvéine par Henry Perkin
Synthèse de la quinine alors extraite des écorces
de quinquina à partir des goudrons de houille
C20H24N2O2
oxydation de lallyl toluidine C10H13N
ppté rouge-brun ?
Synthèse de la quinine par R.B. Woodward 1944
66
En remplaçant lallyl toluidine par laniline il
obtient la mauvéine
67
Développement de lindustrie chimique (BASF)
Adolf von Baeyer
Développement théorique de la chimie organique
structurale (Gay-Lussac, Liebig, Kékulé)
68
formule développée ? formule brute
Isomérie
69
Chiralité
acides aminés
70
Importance de la forme en biologie
La double hélice
71
Forme et reconnaissance moléculaire
Catalyse enzymatique
Mécanisme de la clé et de la serrure
72
Reconnaissance spécifique  antigène-anticorps 
73
Empreintes moléculaires
74
Forme et couleur
75
Forme et propriétés chimiques des molécules
La molécule deau H2O
76
La molécule H2O
coudée
linéaire
z
z
hybridation  sp 
pas dhybridation  sp 
77
La molécule H2O
Structure électronique
78
Solvant
Cte diélectrique élevée e 80
dissociation ionique
Molécule polaire m 1,8Debye
solvatation
Base de Lewis donneur s
Complexes M(OH2)nz
79
Hydrates de gaz
clathrates
80
Auto-association des molécules deau par liaisons
hydrogène
81
Valence Shell Electron Pairs Repulsion
82
Clusters de molécules deau
83
Structure de la glace
84
Allotropie de leau
85
Morphogenèse des clusters deau au sein de
cavités nanométriques
Marc Henry
20 février
86
Des objets chimiques aux formes étranges !
87
Les dendrimères
6 février
Jean-Pierre Majoral
88
Topochimie moléculaire
6 février
89
Moteurs moléculaires
6 février
90
Des molécules géantes
Les polyoxométallates (13 février)
roues moléculaires
91
Capsules moléculaires
92
Le carbone sous toutes ses formes
20 février
93
Les solides poreux
27 février
94
Le mouvement crée les formes
dArcy Thompson
(1860 - 1948)
95
Une transformation géométrique permet de passer
dune espèce à une autre
96
La coquille du nautile correspond à une figure
géométrique bien précise dont les différentes
chambres se succèdent selon un rapport constant
97
La suite de Fibonacci
Chaque nombre de la suite est la somme des deux
précédents
F(n1) F(n) F(n-1)
0 - 1 - 1 - 2 - 3 - 5 - 8 - 13 - 21 - 34 - 55 -
89 - 144 .
98
(No Transcript)
99
(No Transcript)
100
(No Transcript)
101
Les graines de la fleur de tournesol sordonnent
en spirales
0 - 1 - 1 - 2 - 3 - 5 - 8 - 13 - 21 - 34 - 55 -
89 - 144 .
102
La forme peut aussi être trompeuse !
Cercles concentriques