Archives pour la catégorie ‘Developpement’

Un code postal cellulaire

Sunday, June 15th, 2008

On a parfois tendance à considérer la peau comme un tout homogène. Pourtant,  les cellules de la peau du cuir chevelu sont différentes des cellules de peau du ventre ou du dos, en particulier la pilosité n’est pas la même (oui, je suis très poil en ce moment) (Billet en deux parties : courte résumée puis un long complément avec explication sur les données et sur les axes du corps)
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Souris chauves, ondes de poil et cellules souches

Sunday, April 20th, 2008

Chauves et femmes à barbe de tous les pays, l’espoir renaît car nous comprenons enfin ce qui fait pousser un poil.
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Cellules souches : Yamanaka futur prix Nobel ?

Sunday, March 16th, 2008

De grandes avancées sont faites dans le domaine des cellules souches en ce moment. L’occasion de revenir sur les travaux récents de l’acteur majeur du domaine, Shinya Yamanaka.
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Merveilleux micro ARN

Monday, September 17th, 2007

De mon temps, au lycée, la génétique avait l’air très propre sur elle. Les temps changent !
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De la néoténie (ou pourquoi toutou est un gros bébé à sa maman)

Tuesday, July 31st, 2007

D’aucuns prétendent que je serais complètement gaga de mon petit chat. C’est un mensonge éhonté bien sûr, ce qui ne m’empêche pas de m’intéresser à son histoire et de me pencher en ce moment sur l’évolution des animaux domestiques.

Vous savez peut-être que c’est en partie l’observation des différentes races d’animaux domestiques qui a inspiré la théorie de l’évolution à Darwin. Bétail et autre animaux de compagnie sont en effet des exemples idéaux d’animaux sélectionnés pour leurs qualités avantageuses pour nous, les hommes. J’ai appris récemment que la plupart des animaux domestiques présentaient des caractères de néoténie. Kesaco ? La néoténie est la conservation de traits juvéniles chez l’animal adulte [1]. Par exemple, le comportement du chien est plus proche de celui du louveteau que de celui du chef de meute . Certains chiens ont également les oreilles tombantes - ce qu’on n’observe jamais chez les animaux sauvages. Le raccourcissement du museau est également un trait néoténique, observé semble-t-il à la fois chez les chiens et chez les cochons .

On ne comprend pas très bien l’origine de cette sélection de traits juvéniles. On peut penser que l’homme a simplement cherché à sélectionner des animaux “mignons”, et donc ayant des traits plus juvéniles. Une expérience de domestication apparemment assez fameuse a été réalisée pendant 40 ans en Sibérie. Un généticien russe nommé Belyaev pensait que la néoténie était due à la sélection par l’homme d’animaux au comportement docile. La docilité est un trait juvénile typique : en sélectionnant une immaturité comportementale, l’homme aurait favorisé la persistance d’une immaturité physique. Belyaev a donc tenté de domestiquer des renards argentés, en ne conservant d’une génération à l’autre que les animaux dociles (la sélection est drastique : environ 5% des mâles et 20% des femelles sont “conservés” à chaque génération). On voit alors apparaître des modifications rapides de comportement et de morphologie, proches de ce qu’on peut observer chez les chiens : volonté de contenter le maître, aboiements particuliers, mais aussi variation de teinte du pelage, oreilles tombantes, queue enroulée.

Un aspect amusant du domaine de la néoténie est que certains, dont Gould, pensent que l’homme est un singe néoténique. On peut trouver plusieurs arguments plus ou moins scientifiques : par exemple la structure du squelette (en particulier du crâne) du chimpanzé jeune serait très proche de celle de l’homme; le fait de “rester jeune” assurerait également une certaine plasiticité du cerveau et donc favoriserait l’intelligence. Difficile de se faire une idée précise là-dessus (on peut aussi imaginer d’autres hypothèses); mais si j’en crois certaines publications de psychologies post soixante-huitarde, l’homme ne sera bientôt qu’un ado attardé [2] !

La néoténie est donc un domaine de recherche très vaste mêlant la psychologie à l’évolution et au développement. En lisant ces références, on comprend également que tout n’est pas joué après la naissance, et que le développement ultérieur est tout aussi important pour déterminer les caractéristiques physiques (et psychologiques). Rappelons par exemple que les petits Néandertaliens ressemblaient comme deux gouttes d’eau aux petits Sapiens et n’acquéraient leur morphologie caractéristique qu’à la puberté; apparemment les chiens et les chats se développent également de façon très différente bien qu’ayant tous deux une face plate à la naissance. Le jeune chiot voit son museau grandir considérablement, tandis que la tête du chat garde ses proportions (et donc demeure “kawai” toute sa vie). En fait, il semble que le chat - peut-être parce qu’il est déjà mignon à l’état sauvage ? - soit l’un des rares animaux domestiques ne présentant pas de néoténie [3]! Nous reparlerons donc de l’évolution du chat dans un billet ultérieur…

[1] voir cette page wikipedia pour quelques traits néoténiques du chien.
[2] Comment ça c’est déjà le cas ?
[3] Oui, évidemment, si le chat était docile, cela se saurait…

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Réponse à monsieur Fleury

Wednesday, May 23rd, 2007

Vincent Fleury a gentiment répondu à mes critiques en commentaire d’un billet précédent. Je me permets de mettre mes réponses dans un billet indépendant. Je manque de temps malheureusement, je reviendrai sur certains points à clarifier pour moi et en fonction des réactions plus tard.

Pour être tout à fait honnête, je n’aime pas beaucoup ce genre de discussions scientifiques sur internet. Je trouve qu’en général on (moi ?) a tendance à manquer de mesure et de rigueur, ce qui est préjudiciable à l’échange, et on peut donner l’impression de prendre les choses de façon personnelle. Le format du blog, où on est plus dans l’action que la réflexion, n’est pas non plus idéal. Le ton est celui d’une conversation orale, mais c’est à l’écrit, il y a des ambiguités. Donc avant toute chose, je reconnais le fait d’écrire sans doute parfois des bêtises, même si je fais de mon mieux pour l’éviter. Comme V. Fleury m’a répondu, je me dois néanmoins de réagir :

Bonjour monsieur Fleury,
merci de votre visite et de vos commentaires. Et merci pour votre livre qui m’a beaucoup plu et fait réfléchir.

Je ne l’ai malheureusement plus sous la main, j’espère ne pas vous prêter des pensées que vous n’avez pas.

Pour les réponses, je ne parle que de mes propres observations, couplées avec des discussions avec des embryologistes. Je sens qu’il va être nécessaire d’aller plonger moi-même dans la biblio pour continuer, je le ferai et écrirai un billet plus tard, et ferai mon mea culpa si je me suis trompé.

Je ne veux surtout pas polémiquer ou “troller”, je respecte énormément votre travail. Là encore, voyons cela comme une discussion, nécessitant d’être raffermie plus tard par des références à des publis en ce qui me concerne. En attendant, voici mes réponses :

franchement, je ne comprends pas vos interprétations à partir de ces manips. Vous manquez d’esprit critique

Bon, j’ai parfois l’impression d’être plutôt assez critique sur votre théorie par exemple. Quand j’ai lu votre livre, j’étais vraiment enhousiaste ! Après je me suis juste posé quelques questions et demande à être convaincu car j’ai l’impression que quelques trucs ne “collent” pas. Je suis peut-être au contraire trop fermé d’esprit, mais, convaincu, j’aurai alors la foi des convertis.

Sur ces manips, j’essaie juste de réfléchir un peu à voix haute sur ce blog; mes pensées sont peut-être parfois naïves je vous l’accorde, mais aucun de mes billets n’a vocation à être une publication scientifique. D’ailleurs, c’est aussi pour cela que je préfère rester anonyme : cela me donne une liberté de ton que je n’aurais pas autrement, même si je risque parfois d’en dire ou faire trop, quitte à passer pour un imbécile; j’essaie de faire attention et de me modérer dans tous les cas.

1) vous confondez les paramètres d’un problème et la loi générale évidemment que si vous changez des paramètres physiques ou chimiques, les contractions auront une allure différente

Mais en quoi dis-je le contraire ? Je ne comprends pas votre objection, si objection il y a.

2)Est-ce que vous obtenez un animal par ces manips? Si non, quelle conclusion cela vous permet de tirer par rapport au cas normal?

Non on n’obtient pas un animal. Mais on obtient un axe antéro-postérieur, et plus tard, des tissus différenciés (somites, muscles, coeur, entre autres, dixit l’embryologiste qui m’a montré cette expérience). Presque un tétard donc.

3)comment savez vous que les cellules étaient commises pour faire quelque chose; à partir du moment où un pli se forme, il a une allure de crête neurale, de toute façon

Ce n’est pas juste une question de forme ou de mouvement; c’est aussi une question de marqueurs génétiques. On sait aussi reconnaître tel ou tel organe… parce qu’il y a des expressions génétiques associées aux cellules de celui-ci.

4) qu’un signal chimique soit suffisant et nécessaire pour déclencher peut-être, mais ça veut dire quoi, exactement, dans ce cas, suffisant et nécessaire? Que ce soit le déclencheur, qu’est-ce que cela implique pour le mouvement lui-même? Et s’il y a des gradients dans l’animal réel, à quoi sont -ils dûs?

Pour les gradients dans l’animal, même si on ne comprend pas encore tout, vous savez aussi bien que moi d’où les premiers gradients viennent, chez Xenopus ou Drosophila : la mère localise des ARN dans l’oeuf, et une fois transcrits, ces ARN forment un gradient de concentration de protéine.

Pour le mouvement, je ne dis rien de plus que cela : l’expression génétique est nécessaire et suffisante pour déclencher le mouvement. Comme dans l’embryon complet le mouvement va lui-même être associé à d’autres expressions génétiques (par exemple la reconstruction du noeud de Hensen lorsqu’on l’enlève artificiellement), les expressions génétiques sont aussi capitales que les mouvements mécaniques. Les deux se parlent, et surtout l’un n’existe pas sans l’autre.

5)qu’ on puisse faire un morceau ressemblant à un tube ou une patte sans la totalité de l’animal, peut être, mais vous ne ferez jamais le morceau tel qu’il est dans l’animal normal. C’est particulièrement vrai des pattes générées avec des facteurs de croissances ectopiques qui ne sont jamais des pattes exactement normales.

Donc si je comprends bien, on peut faire des pattes “à l’ordre 0″ indépendantes de l’organisme, mais il faut tout l’embryon pour faire des pattes affinées “à l’ordre 1″ ? J’ai l’impression que c’est quand même l’ordre 0 qui est le plus important.

6) les boules déformées de ces images ressemblent tout à fait à ce qu’on obtient d’un modèle hydrodynamique simple (ampoule) auto-organisé
sans la mécanique, aucun de ces mouvements n’existent, par définition.

Je n’ai jamais dit le contraire, mais sans la génétique, rien n’est là pour déclencher la mécanique. Encore une fois, c’est un jeu, un équilibre entre les deux.

comment pouvez vous dire que les cellules savent “indivuellement quoi faire” à partir d’une telle manip? Et ça voudrait dire quoi “savent individuellement quoi faire?” Précisez.

Je reconnais que l’expression est maladroite. Ce que je voulais dire, c’est que les cellules ont manifestement déjà une “destinée” encodée à ce stade (polarité incluse ?), un programme tout fait, puisque soumises à l’activine, elles déclenchent ces mouvements. Le point important ici est qu’à ma connaissance ce n’est pas le cas des autres cellules dans l’embryon; preuve que cette destinée est déterminée à ce stade.

je n’ai jamais dit qu’un tube neural nécessite des tourbillons, bien au contraire (voir par exemple les poissons en caoutchouc de mon livre) je dis que pour faire un quadrupède avec un tube neural au centre, il faut des tourbillons, un tube neural, c’est un pli, les pattes c’est les enroulement. La contrainte au centre plie le dos en forme de tube + crête neurale. Si ça s’enroule franchement vous avez en plus les pattes. J’ai plein d’images de ça, si vous voulez je vous en passe. Ces enroulements existent.

Je ne nie pas l’existence de ces enroulements chez certains vertébrés, je n’en sais pas assez. Je suis intéressé par toute image. Mais j’ai des doutes sur Xenope. Et j’aurais dû parler de l’axe A-P plutôt que du tube neural.

Ce que je comprends dans votre livre, c’est que c’est l’enroulement qui définit l’axe antéro-postérieur (et les membres). Je ne suis pas sûr de ça : ces manips montrent (à mon sens) qu’il peut y avoir axe sans enroulement.

Je ne vois pas en quoi cette manip contredit ma théorie, bien au contraire.

Cette expérience ne vous permet pas de dire que ce n’est pas un processus auto-organisé, une fois déclenché

Allez voir le film de gastrulation sur le site de Ray Keller lab (en haut à gauche), et dites moi ce que ça vous inspire, par rapport aux “inductions” et des cellules qui savent indviduellement où aller etc.

L’image de gastrulation que vous donnez sur votre site est mal faite, on voit bien que le dessinateur n’a pas compris le mouvement, il faut regarder le mouvement suivant une vue verticale pour comprendre.

Est-ce de cette image dont vous parlez ? Je suis d’accord qu’on ne voit pas grand chose - excepté l’involution- et qu’il vaudrait peut-être mieux avoir une vue dorsale, avec le blastopore au milieu (est-ce que vous voulez dire par vue “verticale” ?), mais elle est tirée de l’article de Keller …

Si c’est le dessin que j’ai fait pour raconter vos théories, j’ai probablement dû mal lire votre livre alors. La vue que je proposais était une vue dorsale, avec la tête en haut, par analogie avec l’image de votre chat par exemple, et sans l’involution.

etc. etc.

Bien à vous et
Bon courage avec vos auditions.

vf

Merci pour votre réponse et vos critiques
Bien à vous
Tom

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Génétique vs Mécanique : quelques indications chez Xenope

Sunday, May 20th, 2007
Je poursuis ma série de billets sur le développement embryonnaire dans un billet qui va me permettre de compléter mes petites critiques des thèses de Vincent Fleury.

L’image ci-contre (source photo) représente des oeufs de Xenope, probablement juste avant la fécondation. Chaque oeuf n’est qu’une seule grosse cellule, avec beaucoup de matériel de base : rappelons que le tétard se développe presque entièrement avant d’être capable d’avaler quoi que ce soit. On voit très bien les deux pôles de l’oeuf : le pôle animal pigmenté et le pôle végétal plus clair. Après la fécondation, le pôle végétal devient plus dense (pour une raison mystérieuse pour moi) si bien que tous les embryons tournent leur pôle animal vers le haut; c’est d’ailleurs ce qui permet de savoir si un oeuf est fécondé.

S’ensuit alors une suite de divisions cellulaires par “clivage” : l’oeuf, grosse cellule unique d’1mm se divise en multitude de cellules, jusqu’à atteindre le stade blastula (voir dessin ci-contre, tirée d’un site illustrant toutes les étapes de la gastrulation). On reconnaît toujours le pôle animal pigmenté; de l’extérieur toutes les cellules ont l’air plus ou moins identiques.

Peu après commence la gastrulation qui aboutira à la formation du plan de base de l’organisme. Rappelons que c’est à ce moment que les choses sérieuses commencent : des mouvements cellulaires vont se produire, et en particulier, dans un ballet cellulaire complexe, les cellules du haut du pôle animal vont migrer, se déplacer le long de l’embryon, puis rentrer à l’intérieur de celui-ci, remonter le long du futur tube digestif pour former le système nerveux central.

Evidemment, l’une des questions centrales est de savoir pourquoi et comment tout ceci se met en place. Et certaines expériences tout à fait fascinantes nous éclairent déjà sur les rôles respectifs de la génétique et de la mécanique dans ce procédé.

Une expérience classique consiste à découper une partie du pôle animal de l’embryon, à le mettre en solution, et à observer les mouvements cellulaires qui suivent. Dans une solution saline simple, le pôle amputé se referme sur lui-même et reforme une boule de cellules (image de gauche) - source photo.

En revanche, lorsque l’on met une petite protéine appelée “activine” dans la solution, la situation s’anime. Après avoir formé la petite boule de cellules, un nouveau ballet cellulaire se met en place (image de droite). De façon étonnante, les cellules du pôle animal semblent littéralement enclencher leur propre programme de gastrulation, et finissent par former un espèce de tube, tout à fait similaire au tube neural qu’on observe dans l’embryon complet.

Les conclusions de cette expérience sont nombreuses. D’abord, il semble que bien avant la gastrulation, les cellules du pôle animal “savent” qu’elles vont donner le système nerveux. Comment, pourquoi, c’est un mystère. Ensuite, notons qu’un signal précis, l’exposition à l’activine, suffit pour déclencher le programme cellulaire de mouvements et de différentiation en tissu neural. Il faut savoir à ce stade que l’activine, dans l’embryon de Xenope, est un morphogène : c’est une protéine qui est présente à concentrations variables dans différentes parties de l’embryon et qui semble influencer la nature des destinées cellulaires. On a donc une preuve formelle avec cette expérience qu’un signal génétique est nécessaire et suffisant pour déclencher les mouvements cellulaires et les effets mécaniques liés à la gastrulation.

Par ailleurs, cette expérience montre qu’on peut avoir croissance du tube neural sans la totalité des mouvements cellulaires observés dans la gastrulation. Les cellules savent individuellement quoi faire, le développement est pour ainsi dire “modulaire” : le tube neural peut se développer indépendamment du reste, et ne semble pas nécessiter la formation de “tourbillons” dans l’embryon complet (contrairement à ce qui est suggéré par Vincent Fleury dans son livre). Autrement dit, la gastrulation ne résulte pas d’un effet collectif, autoorganisé; mais plus de la juxtaposition de comportements individuels. Il y a bien sûr quelques contraintes internes, mais cette expérience montre que potentiellement, des organes peuvent se développer seuls; tout n’est qu’une question de stimulation génétique adéquate.

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Gastrulation, religion et cellules souches

Tuesday, May 1st, 2007
Tout comme Vincent Fleury, le processus de la gastrulation me fascine et m’émerveille. Rappelons que la gastrulation est cette étape incroyable du développement de l’embryon durant laquelle se met en place ce qu’on pourrait qualifier de “plan d’organisation de base” des organismes.

Chez Xenopus, qui est l’organisme modèle le mieux connu, cette étape est à la fois incroyablement complexe et extrêmement rapide. 7 h après la fécondation, l’embryon de Xenopus est encore au stade blastula et ressemble (en gros) à une boule de cellules (apparemment indifférenciées, si ce n’était la pigmentation du haut de l’embryon qu’on appelle pôle animal). Les fameuses cellules souches embryonnaires sont alors à l’intérieur de l’embryon. La gastrulation commence 8 à 9 h après la fécondation : une couche de cellules à l’extérieur de l’embryon va alors se replier à l’intérieur de celui-ci (un peu comme une chaussette qu’on retournerait), formant une cavité qu’on appelle archenteron et qui donnera le futur tube digestif. L’image ci-contre est une représentation de ce processus, tirée du site gastrulation.org. La première colonne est une vue externe, la seconde une vue interne, les deux dernières s’intéressant à des tissus particuliers. Le temps évolue de haut en bas. On voit comment les tissus violets, jaunes et verts passent de l’extérieur à l’intérieur de l’embryon. Au cours de ce processus se forme aussi l’axe antéro postérieur qui va structurer tout l’organisme : l’excroissance verte en bas à droite donne une idée de l’emplacement de la future tête ! Ainsi l’embryon se déforme et se structure au cours de ce procédé, si bien que 24 h seulement après la fécondation, on reconnaît déjà parfaitement des tétards dans ces embryons. 24h plus tard, le tétard commence à bouger, sort de son oeuf, et on peut déjà voir le coeur battre, les branchies se former. Pourtant, l’animal n’a encore ni bouche, ni estomac et vit toujours sur les réserves de l’oeuf ! Vu de l’extérieur, on a le sentiment que toute la suite n’est en quelque sorte que du fignolage, pendant lequel les organes se structurent et se complexifient.

Voir ainsi un organisme vivant se “former” en 24 h est une expérience (osons le dire) quasi-mystique. Et quelques interrogations philosophiques m’ont traversé : à quel moment le tétard devient-il “vivant” ? Au stade blastula, pour moi, pas de problèmes : l’embryon n’est encore qu’un amas de cellules (dont un certain nombre de cellules souches). Qu’en est-il quelques heures après ? Juste après la gastrulation, la structure est en place, mais concrètement ce n’est qu’une “réorganisation” des cellules de la blastula. Lorsque le coeur commence à battre, l’embryon vit toujours sur ses réserves, n’a pas estomac; mais lorsqu’on le touche, il réagit et se met à gigoter par réflexe de la même façon que lorsqu’il est sorti de l’oeuf. C’est comme si l’embryon marchait vers l’état final de tétard petit à petit, mais il semble difficile de définir clairement une frontière entre vivant et inerte après la gastrulation. C’est d’autant plus difficile chez le tétard que le développement précoce (que je définirais comme passage de l’inerte au vivant) et le fignolage (que je définirais comme le passage d’un embryon vivant à un tétard fonctionnel) sont complètement autonomes - au contraire des mammifères par exemple : l’oeuf est fermé, donc en théorie, une fois la fécondation effectuée, roulez jeunesse, le développement va à son terme.

Ce genre d’interrogations est en fait assez courant dans les labos d’embryologie et dérive quasiment instantanément sur les problèmes posés par la religion dans la science. Confrontés à la droite religieuse américaine, les embryologistes locaux, travaillant notamment sur les cellules souches, sont bien obligés de connaître à fond ces dossiers sensibles, à la fois sur le plan scientifique et religieux. La surprise est que les scientifiques ne manquent pas d’arguments religieux. Car si la religion catholique décrit l’embryon humain comme sacré dès la fécondation, il n’en a pas toujours été ainsi. Ainsi, Saint Augustin affirmait que “l’âme” ne pouvait venir dans l’embryon tant que le corps n’était formé (cliquer ici). Saint Augustin aurait donc normalement reconnu qu’il n’y a pas d’âme avant la gastrulation. Pendant longtemps, l’Eglise a également repris la tradition juive, qui stipule que “l’âme” n’entre dans le corps que 40 jours après la fécondation (Détail amusant révélateur de l’époque : Saint Augustin prétendait que c’était 40 jours pour un homme, mais 90 jours pour une femme). En cela, l’ancienne position de l’Eglise et celle de la religion juive ne sont pas si inconsistentes avec la science moderne : la gastrulation a lieu au bout de 20 jours chez l’homme, et les 40 jours correspondraient à peu près aux premiers battements de coeur (au bout de deux mois environ). Pour les autres religions, les interprétations divergent. L’islam est (là encore) plus proche du judaïsme et accorde une période de latence plus longue : environ 100 jours. Le boudhisme est comme le catholicisme “moderne” et considère que l’âme entre dans l’oeuf dès la conception. Cependant cette conception est à mon avis difficilement compatible avec les connaissances scientifiques : un seul oeuf peut aboutir en effet à deux personnes, que cela soit par l’intermédiaire d’une première division en deux oeufs indépendants aboutissant à des jumeaux, ou par un défaut de gastrulation donnant deux axes antéro-postérieurs dans le même embryon et aboutissant à la naissance de siamois.

On peut donc constater que :

  • la gastrulation est un processus très clair et très bien défini, avant lequel l’embryon est incontestablement non structuré. On ne peut parler d’être vivant avant la gastrulation, et cela rejoint la tradition de Saint Augustin
  • par ailleurs, l’exemple des siamois montre qu’un défaut de gastrulation, peut entraîner la formation de deux êtres vivants, donc que la définition de ce qu’est le futur être vivant est, il me semble, post-gastrulation.

Ces deux arguments, ainsi que la compatibilité avec certaines autres grandes traditions religieuses, me laissent penser que les scientifiques peuvent remporter la “bataille” sur les cellules souches embryonnaires (extraites avant la gastrulation), y compris sur le terrain philosophico-religieux.

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Physique vs biologie : la science doit-elle être jolie ?

Thursday, April 12th, 2007
Un article de Nature de cette semaine [1] s’ouvre par cette phrase étonnante :

“The standard model is horribly ugly, but the data support it.”

“Le modèle standard est horriblement laid, mais est confirmé par les données.”

(Note de traduction : j’ai remis l’expression “modèle standard” suite à la remarque d’Eric C en commentaire)

Pour expliquer les observations cosmologiques, il est nécessaire de supposer l’existence de matière noire (dont nous avaient déjà parlé Matthieu et Sevene), et d’une “énergie du vide” ou “énergie noire”, qui se traduit dans les équations par une “constante cosmologique” (voir en fin de billet pour plus de détail). Seulement, le problème, c’est que cette explication est, je cite l’article de Nature “a profound problem from the viewpoint of fundamental physics”. Cette constante implique en effet qu’il est, en gros, possible d’extraire de l’énergie du vide, de créer quelque chose à partir de rien, et que cette création a lieu en tous points de l’univers en permanence ! Evidemment, c’est à la fois problématique théoriquement, et improbable scientifiquement; pourtant, cela marche très bien phénoménologiquement .

Naturellement, les physiciens théoriciens ne peuvent accepter cela. Quoi, un terme “ad hoc” dans un équation ! Quelle horreur ! De fait, on les comprend : la physique théorique s’est construite quasiment exclusivement sur l’idée de “beauté mathématique”. Par exemple, tout le modèle standard (le vrai) a été construit à l’aide de considérations de symétries, amenant à utiliser la théorie des groupes pour décrire et prédire l’existence des particules. Dans un autre domaine, c’est l’extension du principe de relativité de Galilée qui a amené Einstein à proposer sa théorie de la relativité. C’est évidemment une version un peu romancée de l’histoire de la physique, mais il y a un fond de vrai : les physiciens théoriciens ont remporté leurs plus grands succès en dérivant le maximum de choses de premiers principes simples. Et aujourd’hui, certaines théories des cordes sont jugées à l’aune de leur “beauté” mathématique …

La question se pose donc naturellement lorsque l’on vient de la physique théorique : la nature est-elle mathématiquement belle ? Entre deux théories scientifiques, la plus simple, la plus dépouillée mathématiquement (et donc la plus profonde) est-elle a priori la plus juste ? La science doit-elle être “jolie” ? Depuis que j’ai mis les mains dans le cambouis biologique, je suis bien obligé de constater que les physiciens font (parfois, mais pas souvent :P) fausse route.

La nature a en effet le mauvais goût d’avoir engendré des horreurs mathématiques. En particulier dans un de mes domaines favoris : le développement. L’image ci-contre représente l’expression d’un des gènes cruciaux de la segmentation de la drosophile: even-skipped, dit eve. Le motif observé naturellement est représenté sur les panneaux a à c.
Admirez l’espacement remarquable des bandes, leur caractère très homogène plutôt surprenant quand on sait le bruit existant dans toutes les interactions génétiques. Un physicien théoricien, voyant un tel motif, a un réflexe quasi-pavlovien : REACTION-DIFFUSION, MOTIF DE TURING ! Pour un théoricien, seul un processus “émergent”, auto-organisé, peut aboutir à une telle perfection, à une répétition de motifs aussi réguliers : c’est d’ailleurs un tel processus qui est probablement à l’origine des bandes des zèbres. Tous, biologistes y compris, pensaient bien qu’un tel mécanisme physico-chimique était à l’origine des bandes de segmentation. Or il se trouve que Stephen Small et son équipe ont en fait découvert qu’il n’en était rien : toutes les bandes se forment de manière indépendante, utilisant toutes des mécanismes différents. Ainsi, a-t-on pu identifier un module génétique associé à la bande numéro 2, un autre module pour la bande numéro 5, un module pour les bandes 3 et 7, un autre pour les modules 4 et 6… Des modules différents, régulés par des protéines différentes, amènent à la formation d’un joli quadrillage parfaitement régulier et de bandes apparemment identiques. Si le résultat est très joli, le mécanisme, d’un point de vue purement mathématique, est sans aucun doute très laid !

La conclusion, c’est que dans certains domaines de la science en tous cas, rechercher la “beauté” peut très certainement vous amener à faire fausse route. L’exemple de la segmentation de la drosophile est d’ailleurs typique : non seulement on s’attend naturellement à ce que toutes les bandes apparaissent contrôlées par un même mécanisme, mais le fait de savoir que ce n’est pas le cas devrait nous interpeler davantage encore. En effet, s’il y a un mécanisme physico-chimique à l’origine de motifs, rien de surprenant à ce qu’ils soient réguliers; mais si on a un motif d’origine d’origine purement génétique, comment se fait-il que l’évolution ait convergé vers la construction d’un motif régulier ? Autrement dit, si la bande 1 et la bande 7 se forment indépendamment, pourquoi ont-elles la même taille ? N’est-ce pas l’indication que plus tôt dans l’évolution, les bandes devaient se former à l’aide d’un processus plus auto-organisé, comme la somitogenèse ? Ainsi, peut-être qu’en biologie, à la différence de la physique, c’est en interrogeant les laideurs de la nature que nous la comprendrons le mieux…

Référence :

[1] Physicists question model of the Universe, Jenny Hogan, Nature 446, 709 (2006)
[2] A self-organizing system of repressor gradients establishes segmental complexity in Drosophila, Dorothy E. Clyde, Maria S. G. Corado, Xuelin Wu, Adam Paré, Dmitri Papatsenko and Stephen Small, Nature 426, 849-853( 2003)

Gros PS sur la constante cosmologique :

On a longtemps cru que l’expansion de l’univers n’était due qu’à l’inertie du big-bang. L’action de la gravité, tendant à s’opposer à cette expansion, aurait dû normalement amener un ralentissement de cette expansion, puisque l’inertie du big-bang devrait se dissiper au cours du temps tandis que la matière, elle, est toujours présente. Or, l’expansion de l’univers semble s’accélérer, comme s’il y avait un apport continu d’énergie dans le système pour combattre et dépasser l’action de la gravité. Einstein en son temps comprit que les forces de gravité engendraient nécessairement un univers hautement dynamique, hors équilibre, pouvant même entraîner un big crunch, ce qui était non conforme à l’idée d’un univers statique et éternel. Il fut le premier à avoir introduit dans les équations du vide une constante cosmologique, équivalent d’une “énergie noire”, pour contrecarrer l’action de la gravité et avoir un univers plus stable. Il confesserait plus tard que cela avait été la plus grande erreur de sa vie, faite là aussi au nom d’une croyance en la beauté de l’univers qui se devait d’être éternel !

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Critique I : de l’oeuf à l’éternité

Monday, March 12th, 2007
Comme promis, quelques critiques sur le livre de Vincent Fleury. J’avais prévu de faire un seul billet, mais je vais être obligé de le diviser en plusieurs parties. On commence par une partie assez technique tout d’abord, que je vais m’efforcer de vulgariser au maximum.

Je précise que cette critique est faite relativement rapidement, à chaud, et uniquement à la lumière de mes connaissances. Tout comme Fleury, je suis physicien, intéressé à la biologie, mais je ne suis pas omniscient. J’invite tout le monde à me corriger le cas échéant, et je serai heureux de discuter de toute cela, y compris et surtout (pourquoi pas) avec Vincent Fleury.

Le thème récurrent du livre de Vincent Fleury est une opposition que je qualifierai de “génétique-mécanique”. Il développe une théorie de l’évolution très déterministe, en affirmant que la génétique ne décide quasiment rien, que la mécanique décide de quasiment tout.

Je concentrerais mes critiques/questions sur ce point, tout d’abord en expliquant pourquoi cette affirmation me semble en partie fausse en ce qui concerne les vertébrés dans un premier temps.

Les déterminants génétiques de l’embryogenèse des vertébrés

Le problème de base rejoint à mon sens une vieille controverse de la biologie du développement : comment des embryons (ou des gamètes) ne possédant aucune structure apparente peuvent-ils donner naissance à un être vivant hautement complexe et organisé ?

Aristote fut l’un des premiers à répondre à cette question (Wolpert p3). Il considéra deux possibilités : soit toutes les parties du corps existent déjà dans l’embryon et ne font ensuite que grossir, soit les nouvelles structures naissent et s’organisent progressivement. Il pencha pour la seconde idée. Cependant, c’est la première qui rencontra le plus grand succès, aboutissant au cours du XVIIème siècle à la théorie de l’ homoncule. Cette théorie proposait que le corps humain était déjà préformé dans le spermatozoïde, et ne faisait ensuite que grossir. D’où la fameuse théorie scientifico-religieuse des “reins d’Adam”, stipulant que toute l’humanité devait être contenue dès la création dans la semence du premier homme, emboitée telle une poupée Russe !

Aujourd’hui bien sûr on sait qu’il en est tout autre et qu’ évidemment les structures apparaissent les unes après les autres. On sait en particulier que différents gènes sont exprimés successivement à différents endroits dans l’embryon, donnant naissance aux différentes structures. Cependant, Fleury nous explique ce qui le gène dans la biologie du développement moderne (p20):

La biologie actuelle “se rattrape” en supposant que les parties les plus complexes, un bras ou une tête d’homme, sont obtenues par des successions de bandes de produits chimiques s’organisant dans toutes les directions de l’espace.

Cette description de la formation de l’organisme est une description de la théorie dite “mosaïque”, version moderne de la théorie de l’ homoncule. Les structures finales ne préexistent pas, mais l’embryon serait quadrillé pour donner naissance aux futures structures. D’une certaine manière, si l’ homoncule n’est pas présent, il serait déjà esquissé et prêt à surgir. Fleury y préfère une théorie purement mécanique, que j’interprète comme basée sur l’auto-organisation (ce qu’il appelle le mécanisme physique sur son site lorsqu’il parle de la segmentation). Il est physicien : il connaît très bien la littérature sur la formation de structures complexes à partir de règles simples, lui -même a proposé des modèles de formation de vaisseaux sanguins. Pour lui il me semble, les structures vivantes ne peuvent se réduire à des quadrillages plaqués sur l’embryon : trop compliqué, pas assez robuste. La seule façon réaliste pour que ça marche est que les choses s’auto-organisent d’une certaine façon. Ainsi, on sait très bien que les tâches des léopards ou les bandes des zèbres ne sont évidemment pas codées individuellement génétiquement : en fait, il y a un processus physique sous-jacent (type mécanisme de Turing) qui créée ses structures spontanément. Dans un domaine différent, l’embryogenèse, il propose qu’un mécanisme simple de mouvements cellulaires locaux aboutit à la formation naturelle de la structure globale des tétrapodes (de même que de simples molécules qui diffusent à des vitesses différentes localement peuvent créér de jolis motifs à l’échelle globale).

Bien évidemment, tout est en fait question de dosage entre ces différents processus (mosaïque vs auto-organisé). Le premier reproche que je ferais à Vincent Fleury est d’omettre certains faits de bases : oui certaines structures sont codées génétiquement dès le départ, oui l’embryon a besoin d’un “quadrillage” génétique pour savoir ce qu’il va faire. L’exemple canonique est l’embryon du xénope dont j’ai déjà parlé dans un billet précédent. Il a été démontré sans ambiguité que des déterminants purement génétiques, des gradients de substances chimiques sont nécessaires pour définir les futures structures de l’embryon. La meilleure preuve est donnée par la fameuse expérience de Spemann : en transposant des cellules de la future région “dorsale” de l’embryon (qu’on appelle depuis organisateur de Spemann) sur le ventre de l’embryon, l’effet est de créer un deuxième dos, et en fait un deuxième axe tête queue qui aboutira plus tard à la formation de siamois. Ceci montre que les cellules ne sont pas interchangeables, qu’il y a des déterminants moléculaires contenus dans la cellule, et que donc les mouvements cellulaires dépendent en premier lieu d’une information purement génétique.

Là vient la deuxième critique que je ferais à ce livre : j’ai été très étonné de constater que Fleury passe totalement sous silence des faits expérimentaux… qui collent très bien à sa théorie ! Car oui, il y a effectivement des flots cellulaires qui définissent un axe tête queue. L’expérience qui le montre a été réalisée par Joubin et Stern, qui ont montré comment la notocorde se formait par la rencontre de deux jets de cellules précisément au niveau de l’équivalent poulet de l’organisateur de Spemann. Seulement, Joubin et Stern ont également montré que la formation de cet organisateur était dirigée génétiquement. Donc encore une fois, c’est un signal génétique qui dirige la formation de cette structure. J’ai été très surpris en lisant ce livre de ne voir absolument aucune référence à cette expérience, et je me demande pourquoi… D’ailleurs, il n’y a pour ainsi dire aucune référence à d’autres travaux scientifiques (à part la fameuse Anne Dambricourt), ce qui me semble être un choix un petit peu étrange compte-tenu de la quantité de littérature assez facilement vulgarisable sur le sujet, surtout que par ailleurs des illustrations tirées d’autres articles (Barabasi, Davidson…) sont utilisées, et que j’aurais beaucoup apprécié une discussion des “autres” travaux.

Venons-en donc au point suivant : la formation des membres et la segmentation. Je mets les deux exemple ensemble car il semble que là-encore, les mécanismes soient assez similaires. Fleury le répète plusieurs fois dans son livre : il n’y a pas de gènes associés à une vertèbre donnée. C’est vrai, mais ce que Fleury ne dit pas est qu’il y a au contraire sans aucun doute le même gène exprimé plusieurs fois définissant plusieurs vertèbres. De la même façon, il y a des marqueurs génétiques précis correspondant à l’avant et à l’arrière des vertèbres : si l’on tue ces gènes, toutes les vertèbres sont fusionnées et perdent leur structure. Donc là encore, la génétique a un grand rôle. Par ailleurs, comme je l’ai expliqué sur ce blog, la formation de ces structures est un mécanisme essentiellement génétique : une horloge génétique agit dans une zone de croissance déterminée génétiquement par des facteurs de croissance et définit un front de différentiation qui génère des zones d’expression génétiques régulières des marqueurs correspondant. Pas ou peu de mécanique ni de processus de Turing là-dedans, juste une expression temporelle de gènes un peu compliquée dépendant des interrégulations et du processus dynamique de croissance. La formation des membres semble obéir aux mêmes lois : une horloge de segmentation similaire a récemment été mise en évidence chez la poule (Pascoal et al.). Par ailleurs, à l’image de ce qui a été fait pour l’organisateur de Spemann, il y a de nombreuses expériences de transfert de cellules, montrant que si l’on met les bonnes cellules au bon endroit, on peut littéralement faire pousser un bras (Wolpert p 460 Fig. 13.7 pour les organismes capables de se régénérer) ou une colonne vertébrale (Wolpert p 169 Fig. 4.20 au stade embryonnaire) n’importe où… Cela montre bien selon moi que les mouvements cellulaires ne contraignent pas le plan d’organisation final et que tout est jeu d’expression localisées.

Pour finir cette partie, juste un mot sur la symétrie gauche-droite. La symétrie bilatérale ne va pas de soi chez les vertébrés. En fait, plusieurs expériences récentes ont montré que cette symétrie était spontanément brisée (ce qui explique d’ailleurs que les structures à l’intérieur du corps ne soient pas symétriques), et qu’en fait certaines molécules étaient là pour littéralement rétablir la symétrie pour les parties importantes devant être symétriques, comme la colonne vertébrale (Vermot & Pourquié). Ainsi, une substance appelée “acide rétinoïque” est chargée de rééquilibrer la brisure de symétrie gauche-droite pour avoir des somites de même tailles des deux côtés. Ceci ne colle pas du tout avec la théorie de V. Fleury pour qui les organismes sont symétriques “par construction”. Maintenant, cela ne dit pas que les animaux primitifs n’étaient pas effectivement symétriques, mais si l’évolution a été capable de briser la symétrie globalement tout en la conservant pour le squelette, cela donne un contre-exemple à mon avis flagrant du fait que l’évolution du plan du corps des bilatériens est contrainte.

Références :

Lewis Wolpert, Principles of development, third edition, oxford (excellent bouquin, accessible aux profanes)
Joubin K & Stern CD, Molecular interactions continuously define the organizer during the cell movements of gastrulation. Cell. 1999 Sep 3;98(5):559-71.
Pascoal S, Carvalho CR, Rodriguez-Leon J, Delfini MC, Duprez D, Thorsteinsdottir S, Palmeirim I.,A Molecular Clock Operates During Chick Autopod Proximal-distal Outgrowth. J Mol Biol. 2007 Feb 9
Vermot J, Pourquié O, Retinoic acid coordinates somitogenesis and left?right patterning in vertebrate embryos, Nature 435, 215-220 (12 May 2005)

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