Au cœur des rythmes du vivant : La vie oscillatoire

Albert Goldbeter

Description

Respiration, battements du cœur, cycle du sommeil, ovulation… : la vie serait-elle rythme avant toute chose ? Dans ce livre, Albert Goldbeter présente la première synthèse des connaissances sur les rythmes observés à tous les niveaux de l’organisation biologique. Par-delà les différences de mécanisme et de période, il met en lumière la profonde unité des rythmes du vivant. « Une somme et une synthèse des connaissances dans un domaine fascinant et si fondamental pour l’auto-organisation de la matière. » Jean-Marie Lehn, prix Nobel de chimie. « Albert Goldbeter nous montre que la vie existe parce que nous oscillons. » Jacques Haiech, Médecine/Sciences. « Ces innombrables horloges biologiques, en nous et autour de nous, que décrit […] Albert Goldbeter dans un livre passionnant. » Jean Claude Ameisen, Sur les épaules de Darwin (France Inter). « Dans un livre époustouflant de connaissances et de clarté, Albert Goldbeter rappelle l’importance des multiples rythmes – cellulaires, hormonaux, circadiens… – qui sous-tendent la vie, y compris ceux qui sont à l’œuvre, de manière imperceptible, au sein de nos cellules. » Pascale Gruber, Le Journal du médecin (Bruxelles). Albert Goldbeter est professeur émérite à la faculté des sciences de l’Université libre de Bruxelles et membre de l’Académie royale de Belgique. 

Sujets

• Science
• Biology
• Sciences et techniques
• Life Sciences

Informations

• Publié par: Odile Jacob
• Date de parution: 18 avril 2018
• Nombre de lectures: 2
• EAN13: 9782738144782
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

© O DILE J ACOB , 2010 ; AVRIL 2018 15, RUE S OUFFLOT , 75005 P ARIS
www.odilejacob.fr
ISBN : 978-2-7381-4478-2
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Avez-vous visité les hauts laboratoires,
Où l’on poursuit, de calcul en calcul ,
De chaînon en chaînon, de recul en recul,
À travers l’infini, la vie oscillatoire ?
Émile V ERHAEREN , Les Forces tumultueuses (1902).

La cavalerie n’est pas loin et les oscillations non plus.
Benjamin P ÉRET , Le Grand Jeu (1928).
Introduction

Battements du cœur, respiration, rythme circadien contrôlant l’alternance des phases d’éveil et de sommeil, cycle ovarien, migrations animales, floraison des plantes : la vie serait-elle rythme avant toute chose ? À côté de ces exemples qui font partie de notre expérience immédiate et qui constituent en quelque sorte la partie émergée de l’iceberg des rythmes du vivant, de nombreux processus périodiques sont à l’œuvre, de manière imperceptible, au sein de nos cellules. Ainsi, l’activité périodique de nos neurones sous-tend la transmission des informations sensorielles, le contrôle de nos mouvements et notre capacité de réagir et de penser. La division des cellules, indispensable au développement des organismes, est elle-même régie par un rythme cellulaire. Quant aux communications intercellulaires, dont celles impliquant les hormones, la plupart sont de nature pulsatile. Ce livre explore les fondements moléculaires et cellulaires de la chronobiologie dont l’objet est de mettre en lumière le mécanisme et la fonction des rythmes du vivant.
Un rythme dénote la répétition à intervalles réguliers du passage par un maximum puis par un minimum au cours d’une oscillation. La période du rythme est égale à la durée de cette séquence qui se reproduit à l’identique au cours du temps. Ainsi, on peut déterminer la période des oscillations en mesurant l’intervalle de temps séparant deux maxima successifs. De nombreux rythmes sont impliqués dans le maintien de la vie. Comme on le verra, leur période peut varier sur un grand nombre d’ordres de grandeur, de la fraction de seconde à des dizaines d’années.
Parmi ces rythmes, ceux dont la période est proche de 24 heures – appelés circadiens – sont à mettre en exergue car ils permettent aux êtres vivants de s’adapter à l’alternance du jour et la nuit qui caractérise la périodicité de notre environnement. L’attribution du prix Nobel de physiologie ou médecine 2017 à Jeff Hall et Michael Rosbash , de l’Université Brandeis près de Boston, et Michael Young , de l’Université Rockefeller à New York, pour leurs travaux sur les mécanismes moléculaires des rythmes circadiens a jeté un coup de projecteur sur le champ de la chronobiologie. Les travaux fondateurs de ces chercheurs ont révélé comment naissent les rythmes circadiens. Ces travaux effectués au départ chez la mouche drosophile, mais étendus depuis aux mammifères, montrent que les horloges circadiennes contrôlent la plupart de nos fonctions physiologiques, du cycle de la nutrition et du métabolisme à la réponse immunitaire et au cycle veille-sommeil.
L’origine des rythmes du vivant est le plus souvent de nature chimique. Le mécanisme de nombreux rythmes cellulaires repose en effet sur les interactions entre des molécules, généralement des protéines. Celles-ci peuvent être des enzymes, des récepteurs, ou des facteurs de transcription. D’autres rythmes, de nature physico-chimique, comme le rythme cardiaque ou les rythmes neuronaux, impliquent le transport d’ions au travers de membres excitables.
Pour comprendre d’où proviennent les rythmes du vivant il convient tout d’abord de se demander si des comportements périodiques peuvent être observés dans des systèmes purement chimiques, en dehors de la vie même. Cette question sera abordée dans le premier chapitre de ce livre. On y verra qu’on connaît plusieurs exemples d’horloges de nature purement chimique , dont la célèbre réaction de Belousov-Zhabotinsky , du nom des deux chercheurs russes qui l’ont découverte avant d’étudier son mécanisme. La thermodynamique des processus irréversibles développée par Ilya Prigogine à l’Université libre de Bruxelles au cours des années 1960 offre un cadre théorique pour la compréhension de ces phénomènes périodiques. Nous verrons comment les instabilités de non-équilibre sont au cœur des phénomènes d’auto-organisation dans l’espace et dans le temps, que Prigogine désigna sous le nom de structures dissipatives . Les oscillations chimiques et les rythmes biologiques représentent des structures dissipatives temporelles .
Conceptuellement il existe donc un continuum entre les réactions chimiques oscillantes et les rythmes du vivant. Avant d’entrer dans le vif du sujet, un survol des rythmes biologiques montrera qu’ils contrôlent la plupart des aspects de notre physiologie. Leur dérèglement peut susciter des pathologies diverses : les rythmes physiologiques peuvent en effet être altérés ou supprimés, tandis que des rythmes peuvent apparaître de manière intempestive. Les fonctions des rythmes et les pathologies qui leur sont associées seront examinées tout au long des chapitres et synthétisées par des tableaux au chapitre 14 , en fin du livre.De même qu’il existe des réactions qui se comportent comme de véritables horloges chimiques, on connaît des réactions biochimiques capables de se comporter de manière rythmique en dehors même de la cellule. Le chapitre 2 est ainsi consacré à un phénomène oscillant connu en biochimie depuis près d’un demi-siècle. Il s’agit du rythme observé dans la transformation du sucre en alcool par la levure – ce phénomène, appelé « fermentation », est impliqué dans la fabrication de la bière et du vin. Chez la levure, la fermentation oscille avec une période de quelques minutes. Ce phénomène de fermentation périodique est observé chez cet organisme unicellulaire à la fois in vivo , dans des cellules intactes, et in vitro , dans des extraits cellulaires. Nous verrons comment les oscillations glycolytiques résultent de la régulation d’une enzyme de cette voie métabolique. L’intérêt de cet exemple est qu’il permet de saisir en détail la naissance d’un rythme au niveau moléculaire. Cet exemple nous permettra d’introduire les concepts de base qui sous-tendent l’étude des rythmes biologiques. L’importance de ce phénomène périodique au mécanisme relativement simple tient aussi au fait qu’il représente le tout premier exemple de rythme biologique isolé in vitro au cours des années 1960. C’est au même moment que les oscillations chimiques furent observées dans la réaction de Belousov-Zhabotinsky et que la thermodynamique des processus irréversibles offrit un cadre conceptuel aux phénomènes de structuration dans l’espace et dans le temps. Les oscillations observées chez la levure ont permis d’établir un pont entre les comportements périodiques en chimie et en biologie.
Parmi les fonctions physiologiques majeures, la fonction de reproduction est caractérisée par une multiplicité de rythmes de périodes diverses. L’un de ces rythmes est suscité par la fécondation de l’ovule par un spermatozoïde. La fécondation déclenche en effet des oscillations du calcium qui sont nécessaires au démarrage des divisions cellulaires. Le chapitre 3 est consacré à ces oscillations du calcium intracellulaire qui surviennent aussi dans d’autres types de cellules en réponse à une stimulation par une hormone ou un neurotransmetteur. Les rôles des oscillations de calcium sont multiples, mais le plus important est sans doute de déclencher le développement de l’embryon, suite à la fécondation de l’ovule par le spermatozoïde. Elles jouent ainsi un rôle capital au cours du développement.
Si les oscillations de calcium montrent que les hormones peuvent déclencher des oscillations au sein des cellules-cibles, les communications intercellulaires peuvent elles-mêmes être de nature pulsatile. Le chapitre 4 traite d’un rythme de communication intercellulaire en tout point remarquable. Au cours de la phase d’agrégation qui suit une carence alimentaire, des amibes dites « sociales » de l’espèce Dictyostelium discoideum échangent des signaux chimiques de manière périodique et se rassemblent autour de centres d’agrégation en formant des ondes concentriques ou spirales. Ce phénomène fournit un des plus beaux exemples d’organisation spatio-temporelle au niveau multicellulaire. Ces oscillations permettent d’aborder maints aspects fondamentaux des rythmes du vivant. Prototype de communication intercellulaire par signaux pulsatiles, elles éclairent la fonction des rythmes hormonaux que nous retrouverons au chapitre suivant . Nous verrons que ces oscillations, tout comme les oscillations de calcium et les sécrétions pulsatiles d’hormones, sont codées en termes de fréquence . Cet exemple permet aussi de discuter en détail l’ontogenèse d’un rythme biologique , car la pulsatilité des communications intercellulaires chez ces amibes apparaît à un moment précis du développement. Cet exemple illustre à nouveau le lien entre oscillations temporelles et structuration dans l’espace.
Tout comme le signal contrôlant l’agrégation chez l’amibe Dictyostelium , la plupart des hormones sont sécrétées de manière pulsatile. Le chapitre 5 examine ce phénomène et ses manifestations les mieux connues. L’exemple le plus frappant est celui d’une hormone libérée