Les rythmes biologiques

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"Pratiquement toutes les manifestations biologiques suivent des rythmes.
Certains rapides, d’autres lents. mais pratiquement aucun phénomène biologique ne se déroule selon une cinétique continue et linéaire."

Ladislas Robert dans "Le temps en biologie", extrait de "Le temps et sa flèche"

La synchronisation des horloges du vivant fondée sur des boucles de rétroaction biochimiques

Dans leur ouvrage « Les rythmes du vivant », Boissin et Canguilhem écrivent : « un des grands problèmes commun aux animaux et aux végétaux est l’anticipation c’est-à-dire l’adaptation des êtres vivants à leur environnement par l’utilisation des horloges biologiques. » Comme je l’avais rappelé dans un exposé précédent, les rythmes du type circadien (de 24 heures) se sont en effet avérés capables d’adaptation, d’interaction tant avec le milieu qu’entre eux. Mais ce ne sont pas les seuls à fonctionner ainsi. Il en va de même d’autres rythmes, comme ceux de la respiration, celui des excrétions par exemple ou encore le rythme d’alternance de la procréation, de la vie et de la mort, au niveau de la cellule comme de l’individu. La durée moyenne de vie d’un individu au sein d’une espèce est souvent évoquée mais il convient aussi de noter qu’il y a également une durée de vie de l’espèce elle-même ou de la famille d’espèces. On trouve en effet des durées moyennes de vie pour les espèces comme pour les familles ou les genres. Par exemple, chez les reptiles la durée moyenne de vie d’une famille est de 55 millions d’années. Une famille de dinosaures dure 25 millions d’années. La famille à laquelle appartiennent les crocodiles actuels a déjà duré plus de cent millions d’années. Par contre, chez les dinosaures, un genre durait cinq ou six millions d’années. En moyenne trois ou quatre espèces de dinosaures composent un genre et six à douze genres, une famille. Tous ces rythmes ont des caractéristiques à chacun des niveaux : de l’individu, du groupe, de l’espèce et des branches supérieures, comme genre ou famille. Dans son ouvrage « Le ptérodactyle rose », Robert Bakker, spécialiste des dinosaures, a montré que ceux-ci devaient avoir le sang chaud et pour le démontrer, il a souligné le lien entre métabolisme (ou rythme énergétique), rythme de la croissance et rythme de l’évolution. Et notamment il a expliqué que l’équilibre dynamique entre prédateur et proie est dépendant du métabolisme du prédateur. En effet, ses besoins énergétiques vont dépendre de son rythme interne. Ils vont entraîner en conséquence un plus moins grand besoin de proies. Des besoins énergétiques trop importants peuvent même entraîner la disparition des proies. Une autre découverte rappelle le lien entre la rythmologie et l’évolution. Des chercheurs ont montré en 1998 que des animaux aussi éloignés dans le mécanisme de l’évolution que la souris et la mouche drosophile - deux animaux séparés en termes d’évolution par 600 millions d’années - ont en commun un mécanisme biologique qui fonde leur rythme circadien. Il s’agit là du même cycle de rétroaction qui produit les protéines. On montre ainsi que ce rythme est interne et hérité des origines. On savait déjà qu’il y avait une interaction entre rythme solaire et organes du corps, système oculaire, glande pinéale et noyau suprachiasmatique. En 1997, des chercheurs américains avaient montré que les mouches drosophiles ont d’innombrables horloges miniatures réparties sur l’ensemble du corps et pour lesquelles l’arrivée du jour représente une remise à zéro. Cela montre que ce rythme circadien endogène est lié au mécanisme génétique lui-même. D’autre part, des recherches de l’équipe Paolo Sassone-Corsi de l’Institut de génétique et de biologie moléculaire de Strasbourg publiées au début de l’année dans la revue « Nature » viennent de montrer que chacune des cellules du coeur et du rein du poisson-zèbre possèdent une horloge circadienne qui fonctionne indépendamment du rythme du corps. Cette horloge est liée à un gène et ce rythme se resynchronise brutalement par émission lumineuse reçue par les photorécepteurs de la membrane cellulaire et peut ainsi suivre l’alternance jour-nuit. On a trouvé chez la souris également un gène correspondant à un rythme circadien, ce qui laisse entendre que les horloges existent à tous les niveaux, que la vie n’est rien d’autre que la synchronisation de nombreux rythmes de réactions biochimiques. Comme le rythme circadien, les autres rythmes du vivant sont des rythmes endogènes, contrôlés par des oscillateurs internes, reliés à des synchroniseurs qui avancent ou retardent en permanence notre horloge physiologique. Ces rythmes sont en permanence en connexion avec des rythmes externes comme celui du jour et de la nuit. Arthur Winfree a souligné dans son ouvrage « Les horloges de la vie » combien la modélisation par le chaos ouvre de perspectives à la compréhension de ces rythmes et de leur capacité à se synchroniser et à se coordonner. Depuis bien longtemps, on a compris que le vivant porte en lui de nombreux rythmes mais il reste à découvrir comment ils fonctionnent, sur quoi ils sont fondés et comment ils évoluent. Ces rythmes sont-ils internes, ou déterminés par des facteurs extérieurs comme les saisons, les climats, etc ... ? L’horloge est-elle déterminée par une périodicité fixe transmise génétiquement ou, au contraire, est-elle le produit d’une dynamique évolutive ? Ces rythmes sont-ils individuels ou propres à l’espèce, particuliers à un groupe d’espèces ou communs aux diverses espèces vivantes ? Citons quelques exemples de rythmes biologiques. Des cigales ont des nymphes qui naissent à peu près en même temps tous les 17 ans, sans aucun contact entre elles et sans dépendre de facteurs externes comme le climat et les saisons. Une certaine espèce de bambou est encore plus étonnante puisqu’elle fleurit tous les 120 ans, avec ce même rythme aux quatre coins de la planète, malgré la diversité des climats. C’est donc bien que la floraison d’une espèce végétale est réglée par une horloge qui n’est pas imposée de l’extérieur par l’environnement, mais qui est interne et caractéristique de l’espèce. Cela suppose donc des réactions biochimiques capables de comptabiliser ... 120 ans. De même que la durée de vie d’un individu suppose une horloge biologique, celle d’une espèce, ou la floraison liée à celle-ci suppose également des horloges biologiques de l’espèce et pas seulement de l’individu. Un exemple de dynamique chaotique a été étudié : le rythme de l’activité locomotrice des crevettes bouquets. C’est un double rythme à la fois circadiatal (de 13 heures) proche de celui des marées et circadien, lié à la rotation de la terre. Suivant le type de crevettes, l’une des horloges domine le rythme résultant mais les deux coexistent. Dans aucun des deux cas, un rythme strictement périodique n’existe. Il est donc fondé en permanence sur des fluctuations aléatoires, mais il reste cependant globalement stable. Les propriétés de ces horloges fondées sur une agitation sous-jacente, leur capacité à s’adapter et à se synchroniser collectivement ont été démontrés par les travaux d’Arthur Winfree, Steven Strogatz et Ian Stewart. Ils ont montré qu’il y a un rythme collectif qui est globalement stable, fondé sur des rétroactions. Le phénomène d’interactions entre les fréquences des oscillateurs couplés est du même type que de nombreux phénomènes physiques, comme l’alignement collectif des molécules dans un liquide congelé. La perte de synchronisation qui a lieu continuellement dans ces rythmes est du même type que la perte d’alignement du magnétisme d’un aimant chauffé. En termes généraux, on appelle tous ces phénomènes des brisures de symétrie. Cela est synonyme de la formation d’un nouveau niveau de structuration ou de diminution du nombre de degrés de liberté, qui sont les paramètres de l’ordre global. Nous avons souvent affaire au même type de phénomène dans l’étude du vivant. Des ruptures de symétrie peuvent être observées aussi bien au moment de la diversification des cellules que de l’apparition du bourgeon qui initie le membre. Comment expliquer les différences de rythmes entre divers animaux ? Ainsi lorsque l’on étudie les primates, on remarque des différences de rythme cardiaque mais on remarque aussi que ce rythme est en moyenne inversement proportionnel à la durée de vie. Ainsi un animal, dont le coeur bat deux fois plus vite, vit en moyenne deux fois moins longtemps : cela signifie que les primates ont en gros le même nombre de battements dans une vie. Ce nombre est donc déterminé, non pour un individu ou pour l’espèce, mais pour tout le groupe des primates et cela alors que le mode de vie, les régions et les climats peuvent être très différents. Les individus ont une durée de vie déterminée en moyenne par l’espèce à laquelle ils appartiennent, mesurée également par une horloge : ces rythmes sont donc internes et non externes. Ce qui les détermine ce sont des cycles de transformation de produits biochimiques. On peut parler d’horloge puisque ces mécanismes biochimiques définissent un laps de temps. Une nouvelle science est même apparue, la chronobiologie. Cette science a montré qu’une action chimique n’a pas la même efficacité si elle se produit à différents moments, correspondant à des phases différentes du rythme de l’être vivant. Par exemple, le corps ne réagit pas de la même manière au même médicament selon l’heure à laquelle il est administré, si cela se produit durant des phases différentes du cycle vital. Les rythmes sont donc interactifs. Un cycle peut réagir sur un autre, entraînant des décalages de phase, ou des accélérations de la réaction car certains produits d’une réaction chimique sont des enzymes, c’est-à-dire des molécules activatrices. Pour ces horloges biologiques, le temps n’est pas une période définie une fois pour toutes. Il se construit à chaque fois comme produit d’une série enchevêtrée de réactions biochimiques interactives qui s’accélèrent ou s’inhibent entre elles. Ce n’est pas un tic-tac régulier et périodique, défini une fois pour toutes mais, au contraire, un temps biologique construit par expérience, interactif, évolutif, sensible aux conditions aussi bien intérieures qu’extérieures. Ainsi, le temps biologique sera changé pour des spéléologues qui n’ont plus aucun contact avec la surface et ne connaissent plus le rythme solaire. Cependant leur temps circadien est presque maintenu. Mais, par exemple, ce temps sera modifié si la température change car tous les mécanismes du métabolisme sont modifiés. C’est ce qu’ont montré les expériences sur la mouche drosophile : un changement brutal de température dépassant un seuil de stabilité dans la réaction de production de certaines protéines entraîne un changement radical du type de stabilité globale, c’est-à-dire la production d’une nouvelle espèce. Et surtout, cette évolution n’est pas seulement produite pour cet animal : elle est désormais héréditaire. Le changement brutal de température cause donc un effet de choc, appelé stress dans la biochimie moléculaire, entraînant la mise en place d’un nouvel équilibre. Le stress est un cycle biochimique qui interagit d’une part avec l’environnement et, d’autre part, avec le mécanisme d’inhibition des variations. C’est un argument important en faveur de la thèse du chaos déterministe qui est le seul type d’ordre que nous connaissions dans lequel un choc entraîne un nouvel équilibre.

Nous allons montrer que les réactions biochimiques qui fondent ces rythmes chaotiques sont des boucles de rétroaction ? Prigogine et Nicolis ont pensé à ce type de réactions pour fonder les rythmes du vivant parce que de telles boucles avaient été étudiées en chimie avec les réactions Bz, du nom de ses auteurs Bélouzov et Zhabotinsky et que l’on a pu prouver dans ce cas qu’il s’agissait de phénomènes chaotiques produisant des rythmes. Cette réaction Bz a pu être étudiée en représentant les courbes correspondant aux concentrations des divers produits La réaction Bz est une réaction d’oxydation de l’acide citrique par des ions bromates et catalysée par un couple oxydo-réducteur d’ions. Elle a une particularité importante : c’est d’être une rétroaction, c’est-à-dire que l’un des produits de la réaction réagit sur son point de départ et l’active. Comme toutes les réactions chimiques dites de réaction/diffusion (le terme diffusion décrit la manière dont elles se propagent), on peut la modéliser par des équations mathématiques chaotiques. Le graphique que l’on trouve est un attracteur étrange et on retrouve la sensibilité aux conditions initiales. Cette réaction amène ses divers produits à former des figures particulières, visibles dans ce cas car les produits chimiques n’ont pas la même coloration. La courbe temporelle indique les valeurs des concentrations de l’un des produits chimiques et l’on peut constater qu’il s’agit d’un apparent désordre. Par contre, les courbes, qui indiquent en même temps les valeurs des trois concentrations, donnent le type même d’un attracteur étrange du chaos, avec la caractéristique de la sensibilité aux conditions initiales, le caractère feuilleté et autosimilaire.

La réaction Bz a une grande importance en biochimie. Les spirales, les rayures et les divers motifs chimiques ressemblent à divers motifs de la biologie du vivant, par exemple le pelage d’un animal ou encore l’agrégation d’amibes ou de cellules. Comme l’écrivait Christian Vidal en 1995 dans son article « Le chaos déterministe en chimie » : « Lors de l’étude de cette réaction on s’est aperçu qu’une réaction chimique n’était susceptible d’osciller que si son mécanisme comporte une boucle de rétroaction. (...) L’effet renforce donc la cause qui lui donne naissance, c’est une auto-amplification Cette circonstance est rare, semble-t-il en chimie. Elle est beaucoup plus répandue dans le monde du vivant. (...) Les réactions biochimiques oscillantes sont peut-être la clé de la mystérieuse horloge interne qui réglerait les rythmes biologiques. On connaît depuis 1950, le caractère oscillant de certaines réactions du métabolisme. Parmi celles-ci la glycolyse est peut-être la plus importante (...) Elle constitue un mode essentiel et universel d’approvisionnement en énergie des cellules. Cette réaction oscille avec une période de l’ordre de la minute. (...) Il reste à comprendre comment les cellules d’un organisme parviendraient à coordonner leur activité pour former cette horloge biologique. » La vie a besoin d’un certain ordre lié à des valeurs comme la température, la pression artérielle, la concentration de certains produits chimiques. Ces paramètres doivent être contraints par un mécanisme de régulation à rester dans un intervalle limité. Le mécanisme qui assure cette régulation est l’homéostasie. Ce n’est pas un équilibre stable mais produit par une cascade de réactions interactives. Ces rythmes ne sont ni fixés d’avance ni immuables mais s’établissent par un processus d’interactions de réactions et, comme tels, sont adaptables. Ainsi, la forme géométrique que prennent des colonies de bactéries ressemble aux figures de givre ou à d’autres phénomènes de la physico-chimie hors du vivant et s’explique par les lois du chaos physique. Le processus a été mis en évidence en 1980 par Mitsugu Matsushita de l’Université de Tokyo. C’est en bordure de la colonie que les bactéries adaptées se développent. Le regroupement est favorisé parce que les bactéries se servent des mêmes molécules qu’elles se transmettent et qui sont des signaux chimiques. Les amibes constituent les mêmes figures également par organisation collective liée à la mise en commun des molécules signaux. Par exemple, pour une amibe, c’est l’cAMP (adénosine monophosphate cyclique) qui est la molécule chimique servant de signal. Dans son ouvrage « Les bases moléculaires du comportement périodique et chaotique », Goldbeter a démontré que le cAMP est un cycle chimique qui peut passer d’un comportement qu’on pourrait croire périodique à un comportement dans lequel une variation même minime d’un des degrés de liberté du système peut entraîner des modifications de comportement importantes, y compris au niveau macro-cellulaire. A la base de la vie, il y a une multiplicité de cascades de réactions chimiques qui sont liées les unes aux autres, en boucle. On trouve des cycles élémentaires comme le cycle de Krebs, la chaîne respiratoire ou le cycle de l’ATP. Est donc fondamentale dans le mécanisme du vivant une auto-organisation de réactions chimiques en chaîne avec retour au point de départ. La concentration des produits de réaction la régule de façon automatique. On a étudié deux autres rétroactions : en haut celle entre cytoplasme et noyau de la cellule et en bas celle qui synchronise le rythme circadien endogène avec les informations issues de l’œil.

Si je résume, il y a trois caractéristiques principales qui incitent à une interprétation en termes de chaos déterministe pour le fonctionnement l’évolution du vivant : la hiérarchisation avec interaction d’échelle la discontinuité la contingence couplée à une loi (interpénétration du déterminisme et du hasard).

Selon cette conception, la vie est perçue comme un phénomène global qui permet la formation de séries de boucles de rétroaction interactives, auto-organisées et hiérarchisées.