Comment se forment les vertébrés ?
Publié par Adrien le 17/02/2015 à 12:00
Source: CNRS
Un mécanisme physique simple, assimilable à un jeu de "pliages", permet de passer en une seule étape d'une masse de cellules informe à un embryon organisé selon le plan d'ensemble des vertébrés. Telle est la principale conclusion des travaux d'une équipe rassemblant des physiciens du Laboratoire matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état...) et systèmes complexes (CNRS/Université Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin...) Diderot) et un biologiste (Sur les autres projets Wikimédia :) du Laboratoire de biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une...) du développement (CNRS/UPMC). Grâce à des observations microscopiques et à des expériences de micromécanique, ils ont découvert que le patron guidant ces repliements est présent dès les premières étapes du développement. C'est le long de discontinuités entre domaines de cellules aux propriétés différentes que se formeront les plis donnant sa forme à l'animal (Un animal (du latin animus, esprit, ou principe vital) est, selon la classification classique, un être vivant hétérotrophe, c’est-à-dire qu’il se nourrit de substances organiques....). Ces travaux permettent de mieux comprendre le mécanisme de formation des vertébrés, et donc la façon dont ils sont apparus lors de l'évolution. Ils sont publiés sur le site de la revue European Physical Journal E, le 12 février 2015.


Modélisation du mécanisme de formation des plis. Une feuille de caoutchouc sur laquelle est collée une étiquette en papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente sous forme de...) (plus raide) plie (Plie [pli] est un nom vernaculaire ambigu désignant en français des poissons plats. Le terme « plie » désigne principalement, en France et en Belgique, l'espèce Plie commune (Pleuronectes platessa)...) suivant la frontière (Une frontière est une ligne imaginaire séparant deux territoires, en particulier deux États souverains. Le rôle que joue une frontière...) entre la zone raide et la zone molle lorsqu'elle est étirée. Cela reproduit la formation des plis le long des frontières entre domaines cellulaires.
© VF-CNRS-MSC/EDP Sciences-SIF-Springer SBM

Comment l'évolution a-t-elle fabriqué une structure aussi complexe qu'un vertébré (Les vertébrés forment un sous-embranchement du règne animal. Ce taxon, qui dans sa version moderne exclut les myxines, est considéré comme...), organisé selon un axe antéro-postérieur, marqué dorsalement par le système nerveux (Le système nerveux est un système en réseau formé des organes des sens, des nerfs, de l'encéphale, de la moelle épinière, etc. Il...), par le tube digestif du côté ventral, et présentant une symétrie droite-gauche presque parfaite ? Et comment, lors du développement embryonnaire, passe-t-on d'une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) de cellules ronde à un embryon (Un embryon (du grec ancien ἔμϐρυον / émbruon) est un organisme en développement depuis la première...) organisé ? En travaillant sur des embryons de poulet (Un poulet est une jeune volaille, mâle ou femelle, de la sous-espèce Gallus gallus domesticus, élevé pour sa chair.), une équipe rassemblant physiciens et biologiste est parvenue à expliquer cette transition par un mécanisme physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) assez simple.

Les chercheurs ont travaillé sur l'embryon de poulet car il est, à ce stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe ?στημι istêmi, « se tenir droit et ferme ») est un équipement sportif.) du développement, le modèle le plus proche de l'embryon humain. De plus, sa structure plane (La plane est un outil pour le travail du bois. Elle est composée d'une lame semblable à celle d'un couteau, munie de deux poignées, à chaque extrémité de la lame. Elle permet le...) (un disque) facilite l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la...) et la modélisation des mouvements de cellules. Cet embryon est formé de quatre anneaux concentriques. Au microscope, chaque anneau apparaît comme un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise...) de cellules de taille homogène, la taille de ces cellules augmentant du centre vers les anneaux périphériques, avec une variation "en marches d'escalier (L’escalier est une construction architecturale constituée d'une suite régulière de marches, les degrés, permettant d'accéder à un étage, de passer d'un niveau à un autre en montant et...)" d'un anneau à l'autre (1). Non seulement ces domaines cellulaires formeront des tissus différents (nerveux, musculaire, digestif...) mais, comme l'ont découvert les scientifiques en filmant le développement de l'embryon, c'est aussi à la frontière entre deux anneaux successifs que l'embryon se plie systématiquement, dès le 2e jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par...) de son développement. De ces plis résulte une forme en trois dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son...), typique des vertébrés.

En mesurant la rigidité des tissus, les chercheurs ont ensuite confirmé que ces frontières entre domaines cellulaires constituent de véritables discontinuités. La rigidité est d'autant plus importante que les cellules sont petites, vers le centre de l'embryon. Ainsi, dès qu'une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les...) adéquate est appliquée, les régions périphériques plus molles (les flancs) s'enroulent "naturellement" autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre...) de la région centrale, plus dure (le futur système nerveux central). La force en question est générée par la migration de certaines cellules, qui allonge l'embryon.

Ainsi, ces travaux proposent une explication pour coupler la différenciation des cellules et la morphogénèse (l'acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un bien.) par l'embryon de sa forme), de sorte qu'un animal bien formé, ayant des territoires aux fonctions différentes et physiquement séparés, émerge "naturellement". La compréhension de ce processus comble un vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) conceptuel entre une masse informe de cellules et un "archétype d'animal", et aide à mieux comprendre comment les vertébrés ont émergé au cours de l'évolution.

Note:
(1) la taille des cellules varie brutalement d'un anneau à l'autre, passant de 5 à 10 puis 15 et 20 micromètres de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour indiquer qu'une valeur...).
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