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LA NOTION D'VOLUTION

 

 

 

 

 

 

Texte de la 429e conférence de l'Université de tous les savoirs, donnée le 7 juillet 2002

Hervé Le Guyader, "La notion d'évolution"



Pour présenter la notion d'évolution, j'ai choisi d'adopter une démarche historique, en singularisant différents points autour de périodes clés.

Premièrement, je présenterai quelques éléments importants des XVIIe et XVIIIe siècles qui permettent d'arriver à la conception d'un individu clé, Lamarck, date clé : 1829, publication de sa Philosophie zoologique. Le deuxième individu important est Darwin, date clé : 1859, publication de l' Origine des espèces. La troisième date clé se situe aux alentours de 1940, quand la Théorie synthétique de l'évolution est développée. Enfin, j'exposerai quelques éléments de l'après guerre, qui, à mon sens, montrent comment tout ce qui gravite autour des théories de l'évolution se met en place.

En introduction, j'attire votre attention sur cette citation d'Ernst Mayr qui compare les biologistes et les physiciens : « Au lieu de créer et de donner des lois comme le font les physiciens, les biologistes interprètent leurs données dans un cadre conceptuel »

Ce cadre conceptuel, c'est la notion d'évolution, qui se construit pas à pas, à force de discussions, controverses, voire même d'altercations, de progrès conceptuels ou expérimentaux.

Actuellement, ce cadre conceptuel devient extrêmement compliqué. Néanmoins, il s'en dégage quelques idées directrices.

I. L'apparition du transformisme

Je vous présente tout d'abord comment l'idée, non pas d'évolution, mais de transformisme, est apparue.

En premier lieu, je tiens à insister sur un point. En histoire, on montre souvent l'apparition de concepts « nouveaux » - sous entendu : avant, il n'existait rien. De plus, on attache souvent l'apparition d'un concept à un individu clé, considéré comme un génie. En réalité, ce génie, cet individu clé, ne représente la plupart du temps que le courant de l'époque, et ne fait « que » cristalliser une idée, qui existe néanmoins chez ses contemporains.

Pour que l'idée du transformisme apparaisse, deux mouvements se sont produits en même temps. La première avancée concerne la réfutation d'idées erronées. Ces idées, tant qu'elles n'étaient pas réfutées, empêchaient l'émergence de la notion de transformisme. Concomitamment, de nouveaux concepts apparaissent.

A. Les obstacles au transformisme

1. La métamorphose

Parmi les concepts erronés, celui de métamorphose est l'un des plus importants. Une planche extraite d'un livre d'Ulisse Aldrovandi (1522 - 1605) (fig.1), édité en 1606, illustre cette idée. Elle représente des crustacés, qui appartiennent à la classe des cirripèdes : des anatifes, crustacés fixés par un pédoncule, et dont le corps est contenu dans une sorte de coquille formée de plaques calcaires.

Cette planche montre comment on concevait le devenir de ces coquillages : selon Aldrovandi, les anatifes peuvent se transformer en canards ! Les cirres devenaient les plumes, le pédoncule, le cou, et la tête du canard correspond à l'endroit de fixation. J'aurais pu vous citer bien d'autres exemples de la sorte... D'ailleurs, ceux qui ont fait du latin reconnaîtront peut-être dans le terme actuel pour désigner une de ces espèces, Lepas anatifera, le terme anatifera qui signifie « qui porte des canards ».

Ainsi, dans les esprits d'alors, les animaux pouvaient se transformer les uns en les autres, un crustacé en canard, parmi une foultitude d'exemples. On concevait également des passages du monde végétal au monde animal... Tout était imaginable !

Dans ces conditions, il était impossible que l'idée d'un processus historique puisse apparaître. Ces exemples de métamorphose sont rencontrés jusqu'au milieu du XVIIIe siècle. Puis chacun des exemples de métamorphose est tour à tour réfuté. La notion-même devient progressivement la notion biologique actuelle - la métamorphose par mues des insectes et le passage têtard-adulte des batraciens.

2. La génération spontanée

La deuxième idée, la notion de génération spontanée, n'est pas caractéristique des XVIIe et XVIIIe siècles. Il faudra attendre Louis Pasteur (1822 - 1895) pour qu'elle soit complètement anéantie. En termes actuels, la notion de génération spontanée consiste en ce que de la « matière inanimée » puisse s'animer et produire des êtres vivants. L'abbé Lazzaro Spallanzani (1729-1799) est un homme clé parmi ceux qui ont démontré que la génération spontanée n'existe pas, du moins au niveau des organismes de grandes tailles : souris, insectes... etc. Cependant, il faudra attendre la controverse de 1862 entre Pasteur et Pouchet pour que cette notion disparaisse également au niveau des microorganismes. Retenons qu'au XVIIIe siècle cette notion ne persistera qu'à l'égard des « animalcules », les petits organismes.

3. L'Echelle des Êtres

La notion d'Echelle des Êtres existe déjà chez Aristote. Cette notion traverse tout le Moyen- Age, puis est remise en valeur par Gottfried Leibniz (1646-1716) et reprise par le biologiste Charles Bonnet (1720-1793).

La planche (fig 2) figure cette conception du monde : au bas de l'échelle, se situent les quatre éléments : feu, air, terre, eau. Des terres, on monte vers les cristaux et les métaux. Ensuite, on progresse vers le corail, les polypes, les champignons, jusqu'aux végétaux, insectes et coquillages. Certaines hiérarchies peuvent paraître étranges : les serpents d'abord, les poissons ensuite. Plus haut encore, les poissons, dominés par les poissons volants, qui conduisent aux oiseaux (!) ; puis des oiseaux, on parvient aux quadrupèdes et, qui se situe au sommet de l'échelle ? Bien naturellement : l'homme.

Ce concept était très ancré avant la Révolution. Un extrait d'un poème d'Ecouchard le Brun (1760) illustre comment les lettrés concevaient les relations entre êtres vivants :

« Tous les corps sont liés dans la chaîne de l'Être.

La nature partout se précède et se suit.

[...]

Dans un ordre constant ses pas développés

Ne s'emportant jamais à des bonds escarpés.

De l'homme aux animaux rapprochant la distance,

Voyez l'homme du Bois lier leur existence.

Du corail incertain, ni plante, ni minéral,

Revenez au Polype, insecte végétal. »

Tout était mêlé, avec une notion de progrès. Cette échelle des Êtres vivants est un concept qu'il a fallu discuter longuement, avant qu'il ne soit réfuté.

Cette notion d'Echelle des Êtres, il faut le souligner, est une notion quasi intuitive que tout individu développe. Il ne faut pas se focaliser sur son aspect historique ou archaïque. Chacun, de façon « naturelle », s'imagine être au sommet d'une Echelle des Êtres et conçoit une hiérarchie qui le lie à des subordonnés.

4. L'échelle de temps

Dernière conception à réfuter, la notion de temps. Avant la Révolution, l'échelle des temps reste une échelle biblique. Différents théologiens anglicans ont longuement calculé le temps qui les séparait de la création du monde, à partir des généalogies bibliques. Ils n'étaient pas tous d'accord, à une centaine d'années près, mais s'accordaient autour de 6 000 ans. Comment une idée d'évolution aurait-elle pu germer dans les esprits avec une marge de temps aussi courte ?

L'un de ceux qui réfutent cette idée, c'est Georges Buffon (1707-1788). Il propose une dizaine de milliers d'années, puis une centaine de milliers d'années. Enfin, dans sa correspondance, il émet l'idée que, peut être, la vie serait apparue il y a plusieurs millions d'années. C'est donc à cette époque que naît l'idée d'un temps long, en lien avec le développement de la géologie de l'époque.

B. Les nouvelles idées

A présent, quelles sont les nouvelles propositions ? Trois notions sont essentielles pour que les concepts de transformisme et d'évolution puissent apparaître.

1. L'unicité de la classification naturelle

Depuis Aristote au moins, les hommes ont voulu classer les organismes. Initialement, cette classification a principalement occupé les botanistes.

Aux XVe et XVIe siècles, on se retrouve avec une multitude de systèmes et de méthodes de classification. La bibliothèque du Muséum d'Histoire Naturelle en conserve une centaine dans ses vieux livres. S'il en reste tant actuellement, il en existait au minimum 500 à 600 en Europe, à cette époque.

Carl von Linné (1707-1778), comme les savants de cette époque, est un grand lecteur : il connaît toutes les tentatives réalisées par ses contemporains. Brusquement, il lui apparaît quelque chose d'assez extraordinaire. En effet, lorsque le travail de classification est mené correctement, en bonne logique, d'après de bons caractères, à chaque fois les grandes familles de la botanique ressortent : liliacées, orchidacées, rosacées... etc. Linné remarque que ces multiples tentatives conduisent à une même classification, un même ordonnancement. Tout se passe comme s'il existait une unité qui représente un ordre de la Nature. L'objectif est désormais de décrire cet ordre par une classification naturelle. Cette classification est nécessairement unique, car il n'y a qu'un ordre dans la Nature. Dans le contexte judéo-chrétien de l'époque, Linné imaginait que cette classification naturelle représentait l'ordre de la création.

Cette unicité de la classification est une idée extrêmement forte, comme on le verra avec Darwin. Elle change le sens de la classification - non plus seulement ranger les organismes, mais trouver une unité au monde du vivant.

2. Le concept d'homologie

Le concept d'homologie est mis au point par Etienne Geoffroy St Hilaire (1772-1844). Il utilise des travaux de botanique et bâtit un concept repris par Cuvier quasi en même temps : le concept de plan d'organisation. Cette idée de plan d'organisation, bien antérieure à Geoffroy St Hilaire, est fondamentale. Elle met en évidence que certains êtres vivants sont organisés de la même façon. Cuvier présente quatre plans d'organisation différents pour l'ensemble du règne animal - par exemple, le plan d'organisation des vertébrés.

A partir de ces plans d'organisation, Geoffroy St Hilaire construit un outil très performant pour l'anatomie comparée. Il crée, bien que ce ne soit pas le terme qu'il emploie, le concept d'homologie. Il affirme la nécessité, si on souhaite comparer les organismes, de savoir quels sont les "bons" organes que l'on compare : comment savoir si on compare les « mêmes » organes chez deux organismes différents ? Geoffroy Saint-Hilaire essaie, tout simplement, de trouver des organes qui occupent la même situation dans un plan d'organisation. Par exemple, en observant les membres antérieurs de vertébrés quadrupèdes (fig 3), on remarque qu'à chaque fois, le cubitus, entre autres, se trouve au même endroit dans le membre, même si la forme, la fonction de ce membre changent entre ces animaux.

Ce concept d'homologie permet de comparer de façon pertinente les organismes, ce qui est la condition pour proposer une bonne systématique.

3. La mort des espèces

En plus du concept d'homologie, George Cuvier (1769-1832) apporte une autre notion, qui a un impact considérable. Il démontre, par la paléontologie, que les espèces meurent. Grâce à des fossiles de vertébrés, en particulier ceux du gypse de Montmartre, il prouve qu'il existait des animaux qui n'existent plus actuellement dans le monde, c'est-à-dire que les espèces disparaissent.

Ce concept de mort des espèces a été une révolution extrêmement importante à l'époque, au tout début du XVIIIesiècle. Cet extrait de La peau de chagrin, de Balzac, illustre la portée de ce concept dans le monde des lettres :

« Cuvier n'est-il pas le plus grand poète de notre siècle. Notre immortel naturaliste a reconstruit des mondes avec des os blanchis. Il fouille une parcelle de gypse, y perçoit une empreinte et vous crie : « Voyez ! ». Soudain, les marbres s'animalisent, la mort se vivifie, le monde se déroule »

Brusquement, l'idée apparaît que des mondes, qui n'existent plus, existaient; le monde « se déroule » ; on verra qu'il « évolue ».

C. Lamarck et le transformisme

1. Logique et transformisme

Pour résumer, si vous réfutez les métamorphoses, si vous abandonnez le concept de génération spontanée, si vous allongez l'échelle de temps, si vous relativisez l'Echelle des Êtres, si vous imaginez une unité de classification, si vous concevez les concepts d'homologie et de plan d'organisation et si vous acceptez l'idée de mort des espèces, vous ne pouvez que suivre Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829), puis proposer de conserver avec lui la notion de transformisme.

Pourquoi ? Très brièvement, si on suit un raisonnement logique, il ne reste que deux possibilités pour réunir ces idées. Soit on reste créationniste : il faut alors nécessairement imaginer des créations multiples. Or, cela ne figure pas dans la Bible, qui ne mentionne qu'une seule création. Soit, on opte pour une seconde possibilité : les espèces se transforment les unes en les autres. Une troisième possibilité a été retenue par quelques théologiens : le stock des espèces allait en s'amenuisant - ce qui, d'après eux, n'était pas important, puisque seul l'homme a une valeur. Cette dernière théorie a eu très peu d'impact.

2. La théorie de Lamarck

Lamarck présente une classification. Il a l'idée remarquable, même si elle a été réfutée plus tard, de séparer vertébrés et invertébrés. Au niveau des animaux, il construit ce qui reste une échelle des Êtres. Il classe les animaux en trois catégories : les animaux apathiques, les animaux sensibles, les animaux intelligents. Cette vision demeure hiérarchisée.

Il imagine une transformation des organismes les uns en les autres (fig 4). Un premier point est fondamental, novateur : Lamarck présente des bifurcations, c'est-à-dire qu'il construit un arbre, une arborescence. A ma connaissance, c'est la première représentation qui rompt ainsi la linéarité de l'échelle des Êtres. Deuxième innovation, les espèces sont reliées par des points (actuellement ce serait symbolisé par des flèches), qui désignent les transformations possibles : les vers en insectes, les poissons en reptiles ou en amphibiens. La limite de la vision de Lamarck se situe à la base de ce réseau de transformations : la génération spontanée alimente le stock des organismes les plus simples - les vers -. Pour expliquer ce schéma, on a utilisé l'image de l'escalier roulant, qui, avec ses arrêts, ses paliers, paraît particulièrement pertinente : elle montre que Lamarck n'a pas une vision historique. Par exemple, au niveau des oiseaux, certains viennent de prendre l'escalier roulant - ils viennent de se transformer -, tandis que d'autres sont là depuis longtemps. Cela signifie que les animaux semblables ne résultent pas d'une même transformation, qui serait survenue à une même date dans le cours de l'histoire.

Il faut retenir, dans la pensée de Lamarck, cette notion de transformation, d'arbre, nourri continuellement par la génération spontanée.

II. Darwin

Sans entrer dans les détails de la vie de Charles Darwin (1809-1882), un élément important pour le développement de sa vision scientifique et pour l'élaboration de l' Origine des espèces (1859) réside dans un tour du monde de presque cinq ans, effectué entre 1831 et 1836. Non seulement Darwin est un très bon naturaliste et un très bon géologue, mais il possède également des notions d'anatomie et d'embryologie comparées.

A. La théorie de L'Origine des Espèces

Pour illustrer la difficulté de recevabilité que rencontra le livre de Darwin à sa publication, voilà le sous- titre donné dans la traduction française. Le titre original anglais est "Origin of species - by means of natural selection" , qui se traduit par : « L'origine des espèces - par les moyens de la sélection naturelle ». Or, dans l'édition française de 1862, ce titre est « traduit » de manière erronée en : « De l'origine des espèces ou des lois du progrès chez les êtres organisés ». Ce sous-titre montre combien la notion de progrès - et d"échelle des espèces" implicite - était profondément ancrée.

La meilleure solution pour exprimer l'idée clé de L'Origine des espèces, c'est d'examiner un extrait qui traduit de manière essentielle le sens que donne Darwin à la notion de classification :

«Le système naturel, c'est-à-dire la classification naturelle, est fondé sur le concept de descendance avec modification... »

Ce concept de «descendance avec modification » est essentiel pour comprendre la pensée de Darwin. Pourtant, si on interroge quelqu'un sur ce qu'a apporté Darwin, il répondra sans doute « la sélection naturelle "». En réalité, il a proposé ces deux idées, liées : sélection naturelle et descendance avec modification. A mon sens, c'est cette dernière idée qui est la plus importante.

« ... sur le concept de descendance avec modification, c'est-à-dire que les caractères que les naturalistes décrivent comme montrant de réelles affinités entre deux ou plusieurs espèces sont ceux qui ont été hérités d'un parent commun. »

Ces caractères auxquels Darwin fait référence, ce sont les caractères homologues de Geoffroy St Hilaire. Ce que propose Darwin, c'est une réponse à la question : pourquoi ces caractères sont-ils homologues ? Parce qu'ils ont été hérités d'un parent commun. Darwin interprète la notion de ressemblance, très prégnante depuis Geoffroy St Hilaire, comme une notion d'héritage de caractères. Il ne remet pas en cause le travail de ces prédécesseurs : il lui donne « seulement » un autre sens.

« Et par conséquent, toute vraie classification est généalogique... »

Enfin, Darwin plonge ce travail dans un continuum temporel. Cette notion de généalogie bouleverse le sens des classifications : désormais, on recherche des relations de parenté :

« ... c'est-à-dire que la communauté de descendance est le lien caché que les naturalistes ont cherché inconsciemment et non quelque plan inconnu de création. »

A l'époque, cette dernière phrase a représenté une provocation extraordinaire !

Pour éclairer le propos de Darwin, voilà la seule illustration présente dans L'Origine des Espèces (fig 5). Premièrement, cette planche dévoile une vision historique : les lignes horizontales représentent des horizons temporels. Cette figure comprend trois concepts importants :

1) des espèces disparaissent - l'idée de Cuvier ;

2) au cours du temps, les espèces peuvent se transformer - l'idée de Lamarck ;

3) des espèces peuvent donner naissance à plusieurs autres espèces.

Si on considère deux espèces après un embranchement, Darwin considère qu'il faut les rapprocher parce qu'elles partagent un ancêtre commun. Or les espèces partagent toujours un ancêtre commun. La différence réside dans la plus ou moins grande proximité de ces ancêtres. Pour Darwin, les organismes se ressemblent beaucoup car ils partagent un ancêtre commun récent. Les organismes très différents partagent un ancêtre commun lointain, à partir duquel il y a eu énormément de temps pour diverger.

B. La première « généalogie » des organismes

Ces concepts proposés par Darwin sont immédiatement repris par un biologiste allemand, Ernst Haeckel (1834 - 1919). Haeckel poursuit ces idées, en les exagérant même un peu.

Il utilise un arbre pour représenter sa classification. Il propose trois règnes : aux deux règnes animal et végétal classiques, il ajoute les protistes (organismes unicellulaires). Son apport fondamental se situe à la base de l'arbre. Pour chacun des règnes, il situe un ancêtre commun hypothétique, et surtout, il met en place un tronc avec une seule racine commune à l'ensemble des êtres vivants-un ancêtre commun à l'ensemble des organismes.

Cette proposition, en 1866, est le premier arbre dit « phylogénétique »- terme créé par Haeckel. Bien que discutée à ses débuts, l'idée essentielle d'origine commune est conservée - elle contient également l'idée d'origine de la vie sur terre -. Le mouvement est lancé : depuis Haeckel, les chercheurs vont « se contenter » de corriger cet arbre. Seules les logiques pour inférer les relations de parenté sont modifiées et améliorées.

C. Les difficultés de Darwin

Il manque des éléments à Darwin pour expliquer les mécanismes soutenant ce double concept de descendance avec modification. Elle contient premièrement l'idée de descendance entre espèces. Darwin n'utilise pas d'échelle des temps. Entre les lignes horizontales de son schéma, il ne s'agit pas d'années, ni de millions d'années : il s'agit de nombres de générations. Selon Darwin, ce qui rythme la vie des organismes, c'est la reproduction sexuée, à l'origine du concept de descendance. Deuxièmement, Darwin suppose que les caractères héréditaires, transmis via la reproduction sexuée, se « transforment »- mais il ignore comment.

Les deux disciplines qui lui manquent sont d'une part la génétique, et d'autre part, l'embryologie.

III. La Théorie synthétique de l'évolution

A. Les bases de la théorie

Un événement scientifique se produit au début du XXe siècle : la redécouverte des lois de Gregor Mendel (1822 - 1884), indépendamment par trois chercheurs : le hollandais Hugo De Vries (1848 - 1935), l'allemand Carl Correns (1864 - 1933), et l'autrichien Erich von Tschermak (1871 - 1962). Redécouverte, certes, mais enrichie d'un nouveau concept essentiel, celui de mutation. Cette idée de mutation permet de concevoir comment les caractères sont à la fois héréditaires et changeants.

A partir de 1905 jusqu'à 1930, se produit un difficile rapprochement entre deux disciplines : la génétique dite « des populations » (l'étude du devenir des fréquences de gènes dans les populations au cours du temps), se rapproche du darwinisme, par l'intermédiaire de la sélection naturelle. Ce rapprochement conduit à la Théorie synthétique de l'évolution. Signalons que cette traduction mot à mot de l'anglais introduit une connotation étrange en français - c'est plutôt une théorie qui fait une synthèse -.

Cinq biologistes de renom participent à cette nouvelle vision de l'évolution. Le premier individu clé est Theodosius Dobzhansky (1900 - 1975), d'origine russe, immigré aux États-Unis. Comme quasi tous les autres protagonistes de cette théorie, il appartient à l'Université de Columbia, à New York. Dobzhansky publie en 1937 un ouvrage intitulé : Genetics and Origin of Species. Cette référence explicite à Darwin traduit bien sa volonté de démontrer, par la génétique, que Darwin avait raison.

Les autres chercheurs impliqués dans cette vision nouvelle sont :

- Julian S. Huxley (1887-1975), généticien ;

- Ernst Mayr, zoologiste, ornithologue, théoricien de la spéciation ;

- George G. Simpson (1902-1984), géologue et paléontologue ;

- Ledyard G. Stebbins, qui travaille sur la spéciation en biologie végétale.

J'ai repris à partir d'un article récent d'Ernst Mayr les principes de base de cette théorie :

Premier principe : l'hérédité est particulaire et d'origine exclusivement génétique. Cela signifie que l'hérédité est portée par des particules-les gènes-qui ne se mélangent pas. En insistant sur l'origine exclusivement génétique, ce principe nie l'idée d'hérédité des caractères acquis, une forme de lamarckisme en vogue à l'époque.

Second principe : il existe une énorme variabilité dans les populations naturelles. Les organismes présentent une grande variabilité des différents gènes, des différents caractères. Cette variabilité intraspécifique permet l'apparition de nouvelles espèces à partir d'une espèce donnée.

Troisième principe : l'évolution se déroule dans des populations distribuées géographiquement. Un des moteurs les plus importants de la spéciation est l'isolement reproducteur. Les populations peuvent se retrouver séparées par des barrières géographiques, de comportement... etc. A partir du moment où une barrière de reproduction apparaît, des populations isolées peuvent donner naissance à des espèces distinctes.

Quatrième principe : l'évolution procède par modification graduelle des populations. L'évolution se fait pas à pas suivant un gradualisme quasi linéaire en fonction du temps. Autrement dit, le taux d'évolution est toujours considéré comme à peu près constant par unité de temps.

Cinquième principe : les changements dans les populations sont le résultat de la sélection naturelle. Les changements de fréquence des gènes et de caractères dans les populations sont provoqués par la sélection naturelle. Cette idée sera remise en question plus tard : la sélection naturelle existe, certes, mais d'autres moteurs de changement seront avancés.

Dernier principe : la macro-évolution n'est que le prolongement dans le temps de ces processus. La macro-évolution désigne les changements importants, les grands bouleversements, en particulier au niveau des animaux - changements de plans d'organisation, etc. Cette macro-évolution n'est considérée ici que comme le prolongement de la micro-évolution - les changements graduels. La macro-évolution n'est que le résultat de petits changements accumulés pendant des dizaines ou des centaines de millions d'années.

La théorie synthétique de l'évolution contredit la notion fondamentale de finalité : elle affirme que l'évolution ne poursuit aucun but. Tout se passe pas à pas, dans un affrontement continuel, au présent, des organismes avec leur environnement, et les uns par rapport aux autres, et non en fonction d'un but précis.

B. La rupture de la cladistique

Cette théorie synthétique de l'évolution a été un nouveau point de départ. Dans les années 1950, plusieurs aspects sont discutés pour parvenir à la vision actuelle.

Premier point clé : cette nouvelle vision modifie la manière de traiter les fossiles en particulier, et l'histoire de la vie sur Terre, en général. Deux éléments illustrent cette notion. Le premier est révélé par un schéma de Simpson, qui, représente par une arborescence les différentes classes de vertébrés, les mammifères, les oiseaux, les reptiles et les poissons. Malgré Darwin, cet arbre traduit, non pas une recherche de parenté, mais de descendance, de généalogie. Par exemple, l' Ichthyostega est placé de telle sorte qu'on puisse penser qu'il est l'ancêtre de l'ensemble des organismes qui le suivent.

Cette représentation illustre un problème clé : comment retracer les relations de parenté ? Comment se servir des fossiles ? A ces questions, le zoologiste allemand Willy Hennig (1913-1976) propose une nouvelle méthode : la cladistique.

Hennig pense qu'il faut rechercher, non pas des relations de descendance, mais de parenté-les relations de cousinage, en quelque sorte-, et positionner des ancêtres hypothétiques. Pour mettre à jour ces relations de parenté, il faut, parmi les caractères homologues (hérités d'un ancêtre commun), considérer ceux qui correspondent à des innovations. Ces caractères novateurs permettent de rassembler les organismes.

En considérant ces organismes (fig 6), des oiseaux et des reptiles (tortues, lézards et crocodiles), une des innovations héritées d'un ancêtre commun hypothétique est la plume, partagée par l'ensemble des oiseaux. La plume résulte de la transformation de l'écaille épidermique existant chez les organismes reptiliens, à la suite d'un processus évolutif particulier.

Cette démarche, fondée non pas sur un mais plusieurs caractères, permet de construire des arbres phylogénétiques. La méthode consiste à définir des groupes monophylétiques, pas à pas, à partir d'ancêtres hypothétiques communs. Un groupe monophylétique est un groupe qui rassemble un ancêtre et l'ensemble de ses descendants. A l'opposé, un groupe paraphylétique correspond à un ancêtre et une partie de ses descendants.

Pour éclairer ces concepts, considérons cet arbre, relativement juste - relativement car encore sujet de controverse. Cet arbre met évidence un groupe monophylétique, les sauropsides, groupant les oiseaux, les crocodiles, les lézards, les serpents et les tortues. Or, dans la classification "traditionnelle", les reptiles (serpents, lézards, tortues) figurent d'un côté, les oiseaux de l'autre. Cela revient à présenter un groupe monophylétique (les oiseaux) et un groupe paraphylétique (les serpents, les oiseaux et les tortues). Cette dichotomie se fonde sur un ensemble de particularités des oiseaux qui les mettaient, intuitivement, "à part" : la capacité de voler, le plumage... Dans ce cas-là, on occulte la relation de parenté extrêmement importante entre les crocodiles et les oiseaux. Dans le cas contraire, on explicite un groupe monophylétique clé : les archosauriens (crocodiles et oiseaux), ce qui modifie la conception évolutive intuitive.

On aurait "naturellement" tendance à penser que les crocodiles ressemblent plus aux varans ou aux lézards qu'aux oiseaux. Cette méthode met en pièce le concept de ressemblance - en trouvant des caractères (moléculaires ou morpho-anatomiques) qui permettent de positionner des ancêtres hypothétiques communs qui ont apporté des innovations. Dans ce cas particulier, l'innovation est la présence d'un gésier. Ce gésier, connu chez les oiseaux, moins chez les crocodiles, n'est pas présent chez les autres reptiles.

Examinons à présent cet arbre (fig 7), qui représente les archosaures. Deux groupes d'animaux vivent actuellement : les oiseaux et les crocodiliens (ici l'alligator), aux deux extrémités du graphe. D'autres branches sont importantes :

- la branche des ptérosauriens - les « dinosaures » volants ;

- le groupe des dinosaures, divisés en deux branches : ornitischiens et saurischiens ;

- les théropodes.

Contrairement à la figure précédente (fig 6), les fossiles ne figurent pas en tant qu'ancêtres. Ils sont représentés comme apparentés aux autres organismes. Des ancêtres hypothétiques communs sont positionnés. A leur niveau, on fait apparaître les innovations. De cette manière, l'histoire de ces innovations est retracée : à partir d'organismes de "type" dinosaure, on voit l'évolution des différents caractères (tels que la plume, l'évolution des membres, mâchoires...etc.), jusqu'aux oiseaux actuels.

Parmi ces archosaures, seuls existent encore les crocodiles et les oiseaux. Entre ces deux groupes se trouvent tous les dinosaures. Les oiseaux partagent des ancêtres hypothétiques avec quantité de ces dinosaures. On croit que les dinosaures ont disparu. Et bien non ! Quand vous croiserez une volée de pigeons dans les rues de Paris, vous pourrez dire : "nous sommes envahis par les dinosaures !" Tous les oiseaux sont des dinosaures : cette méthode change considérablement la vision intuitive des choses, n'est ce pas ?

Je conclus cet exposé en présentant ce à quoi vous avez échappé :

- Tout d'abord, à la phylogénie moléculaire. Actuellement, tous les organismes de la diversité du vivant peuvent apparaître sur un même arbre : bactérie, animaux, plantes... Cet arbre commence à représenter une bonne vision synthétique du monde vivant.

- Ensuite, à l'évolution du génome. On commence à comprendre comment les innovations, les mutations surviennent au niveau du génome. Elles se produisent principalement par duplication des gènes : des motifs de l'ADN se dupliquent et ces gènes dupliqués peuvent acquérir de nouvelles fonctions. La mise en évidence de ces phénomènes permet de mieux comprendre comment la descendance avec modification se produit. Ce ne sont pas de petites modifications ponctuelles comme on le pensait auparavant.

- Troisième point : la sélection n'agit pas exclusivement au niveau des organismes. Elle opère à tous les niveaux d'organisation. Un exemple très simple est la présence, dans les génomes, de petites unités appelées transposons. Ces transposons se répliquent, indépendamment, envahissent le génome, peuvent passer d'un chromosome à l'autre. Ces transposons participent certainement à la fluidité du génome. Le pourcentage de ces transposons dans le génome est considérable : 40 % du génome humain est composé de ces séquences - des unités « parasites "» puisqu'elles ne participent ni à la construction, ni au fonctionnement de notre organisme. Au niveau végétal, ce chiffre est encore plus important : jusqu'à 75 % du génome de certaines plantes serait envahi de transposons.

- Avant dernier point : l'évolution n'est pas si graduelle, elle se fait souvent par crises. La vitesse d'évolution change. Des crises se sont produites, extrêmement importantes dans l'histoire géologique de la Terre. L'une des plus belles crises est celle du Permien, au cours de laquelle 80 % des espèces auraient disparu. Ces crises d'extinctions ont été suivies de radiations, où des innovations très importantes se produisent.

- Enfin, dernier point qui m'est cher. La notion de progrès devient complètement relative. Les innovations se font sur toutes les branches : il n'existe pas d'organisme plus évolué qu'un autre. Tous les organismes ont parcouru le même temps d'évolution. Seulement, ils n'ont pas évolué dans les mêmes directions, en raison de contraintes différentes, de milieu et de choix de stratégies différentes.

Si on prétend dans un style « d'Echelle des Êtres », qu'il existe de « meilleurs » organismes, c'est qu'on met en exergue un ou plusieurs caractères. Ce n'est pas de la biologie. La biologie considère tous les caractères au même niveau et que la biodiversité est structurée par cette évolution. Dans ces conditions, chaque organisme vaut par lui-même.

 

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Les hormones
Ursula Lenseele, Olivier Bosler, Yves Combarnous,Nadine Imbault dans mensuel 357


Chefs d'orchestre du monde vivant, les hormones ? Très courantes chez les végétaux et présentes dans presque tout le règne animal, elles sont incontournables chez les animaux à sang chaud. Aucune des grandes fonctions physiologiques ne leur échappe : même ce grand ordonnateur qu'est le cerveau se trouverait, sans elles, bien dépourvu.
Qu'est-ce qu'une hormone ?
C'est à la fin du XIXe siècle que le biologiste Claude Bernard commence à travailler sur les sécrétions internes et que le physiologiste Charles-Edouard Brown propose une première définition de celles qu'on n'appelle pas encore hormones : « Principe sécrété par un groupe de cellules agissant à distance sur un autre groupe de cellules avec différents effets. » Le terme hormone du grec « j'excite » fait son apparition en 1905. En 1909, c'est au tour de l'endocrinologie, « la science des sécrétions internes », de voir le jour.

Chez l'homme, il existe de nombreux types structuraux d'hormones : des stéroïdes, solubles dans les graisses et qui traversent donc facilement les membranes biologiques, des peptides et des protéines insolubles dans les graisses insuline, hormone de croissance..., et des dérivés d'un acide aminé, telles l'adrénaline ou la mélatonine. Le monoxyde d'azote, lui, se distingue en tant qu'hormone gazeuse. Certaines hormones sont produites par des cellules spécialisées rassemblées en glandes hypophyse, thyroïde, glande surrénale..., d'autres par des cellules endocrines plus ou moins dispersées dans divers organes ovaires, testicules..., d'autres enfin par des cellules qui ne sont pas seulement endocrines. Les hormones sont impliquées dans la régulation de toutes les grandes fonctions physiologiques : le métabolisme énergétique, l'équilibre du milieu intérieur, la nutrition, la reproduction, le développement et la croissance, sans oublier la maturation du système nerveux.

Elles sont répandues dans tout le règne animal, tant chez les vertébrés que chez les invertébrés. Chez ces derniers, ce sont souvent des sécrétions du système nerveux. Ainsi l'hydre possède-t-elle, à la base de ses tentacules, des cellules nerveuses qui synthétisent une neurohormone impliquée dans la croissance, la régénération et la reproduction de l'animal. Certains mollusques - les céphalopodes, par exemple - ont des systèmes plus élaborés : de véritables glandes endocrines, comme la glande optique. Les crustacés, quant à eux, possèdent un système endocrinien complexe, tout comme les insectes, chez qui les hormones exercent des effets sur la croissance et les métamorphoses ou sur le maintien dans l'hémolymphe* de concentrations appropriées en métabolites.

Les végétaux ont-ils aussi des hormones ?
Oui. Les hormones végétales ont été découvertes au début du XXe siècle. La première à avoir été cristallisée, en 1934, est l'auxine. Mais dès 1880, lors d'expériences sur le phototropisme, Charles Darwin avait mis en évidence l'existence dans les végétaux d'une substance capable de diffuser. Cinq grandes classes d'hormones végétales ont par la suite été définies : les auxines, les cytokinines, les gibbérellines, l'acide abcissique et l'éthylène gazeux. Depuis, d'autres molécules impliquées dans la morphogenèse végétale ont été découvertes. Là où les hormones animales sont véhiculées par le sang ou l'hémolymphe, les hormones végétales circulent dans les vaisseaux xylème et phloème qui transportent la sève. Elles sont aussi, parfois, prises en charge par d'autres systèmes de transport.

Les auxines, cytokinines et gibbérellines interviennent principalement dans la régulation du métabolisme de la plante et de sa croissance, la stimulation de la différenciation tissulaire, la détermination de la floraison et la maturation des fruits. L'acide abscissique, lui, fut initialement considéré comme un inhibiteur impliqué dans la dormance des bourgeons. Mais on sait maintenant que, à l'intar des autres régulateurs de croissance, il joue des rôles multiples durant le cycle de développement de la plante. Quant à l'éthylène, c'est l'hormone de la maturation du fruit qui le synthétise, mais aussi des fruits voisins. C'est pourquoi « un fruit pourri gâte tout le panier ». L'éthylène agit aussi durant les périodes de croissance, de floraison et de chute des feuilles. Il existe, par ailleurs, des phytohormones qui jouent un rôle dans la défense des plantes en cas d'agression par des insectes prédateurs ou d'attaque par des pathogènes : la traumatine et l'acide jasmonique.

Comment les hormones agissent-elles ?
Chez l'animal, les hormones se lient à un récepteur protéique spécifique situé soit dans la membrane de la cellule cible, soit dans le cytoplasme ou le noyau de ladite cellule. Leurs effets sont à court ou à long terme. Celles qui se lient à des récepteurs membranaires par exemple l'adrénaline et les hormones peptidiques et protéiques agissent plutôt sur un mode aigu. Celles reconnaissant des récepteurs nucléaires ont une action plus prolongée, directement au niveau de l'expression des gènes - c'est le cas des hormones stéroïdes comme la progestérone, l'oestradiol ou le cortisol. La quantité d'hormone synthétisée est finement régulée, soumise à des boucles de contrôle positif ou négatif qui permettent d'adapter la production aux besoins. Cette régulation se fait soit par le biais de l'hormone elle-même - on parle alors de rétrocontrôle -, soit par le biais d'une autre hormone. Elle implique parfois le système nerveux.

On sait moins de choses du mode d'action des hormones végétales. Leur étude est rendue difficile par le fait qu'elles agissent à des quantités infimes et de façon moins spécifique que les hormones animales. En effet, chacune peut intervenir sur plusieurs mécanismes physiologiques et, inversement, un même processus physiologique peut être modulé par des hormones différentes. Par ailleurs, elles peuvent interagir physiologiquement. Si l'on pense qu'un grand nombre d'entre elles agissent par le biais de récepteurs membranaires, l'existence de ces récepteurs n'a été prouvée que dans peu de cas. Quant aux boucles de rétrocontrôle, on ne sait pas si elles existent.

La sécrétion hormonale suit-elle des rythmes ?
Cela dépend. La plupart des hormones sont sécrétées selon un rythme circadien. L'hormone de croissance, par exemple, est produite principalement la nuit, tandis que le cortisol, qui prépare l'organisme à affronter les contraintes de l'environnement, est libéré massivement au réveil. D'autres sont sécrétées selon un rythme cyclique lié à la répétition d'un mécanisme biologique donné - le cycle ovulatoire féminin, par exemple. La sécrétion d'une hormone donnée peut également répondre à un stimulus physiologique précis. Ainsi l'insuline est-elle libérée après le repas, lorsque la quantité de sucre sanguin augmente. De même une situation stressante et le fait de passer à l'action provoquent-ils une augmentation du taux d'adrénaline qui stimule le rythme cardiaque. A l'extrême, certaines hormones ne sont sécrétées qu'une fois dans la vie d'un individu. C'est le cas de l'ecdysone, hormone de la métamorphose de la chenille en papillon ou de la thyroxine qui permet la transformation du têtard en grenouille.

Si les phénomènes de sécrétion hormonale sont soumis à des rythmes, ils en génèrent également. La mélatonine, dont la sécrétion est strictement nocturne, joue un rôle particulièrement important dans l'adaptation de l'individu à son environnement. Cette hormone véhicule un double message. D'une part, elle contribue à la synchronisation des rythmes biologiques par une interaction avec l'horloge interne des individus. D'autre part, elle régule le déclenchement des fonctions saisonnières en informant l'organisme des variations de la longueur du jour : c'est l'hormone « donneuse de temps ». Elle joue ainsi un rôle important chez les espèces dont la reproduction, saisonnière, est influencée par la lumière : la sécrétion de leurs hormones sexuelles est conditionnée par le taux de mélatonine. Chez les moutons, par exemple, le taux des hormones sexuelles augmente avec le taux de mélatonine, lorsque les nuits rallongent. L'activité sexuelle est déclenchée à l'automne et la naissance des agneaux a lieu cinq mois et demi plus tard, au printemps. Inversement, chez les chevaux, c'est la diminution printanière du taux de mélatonine, lorsque les jours rallongent, qui stimule la sécrétion des hormones sexuelles. Les poulains naissent onze mois plus tard, au printemps également, période la plus favorable.

Hormones et cerveau : qui commande ?
Ni l'un ni l'autre. Système nerveux et système hormonal vont coopérer tout au cours de la vie, et même partager certaines molécules.

Ces dernières années, en effet, la distinction entre neurotransmetteurs et hormones s'est faite de plus en plus floue. Classiquement, un neurotransmetteur est une substance libérée par un neurone donné dans la fente synaptique, substance qui inhibe ou active le neurone suivant. Une hormone est quant à elle sécrétée dans le milieu intérieur le sang et exerce son effet sur un tissu ou organe éloigné. Cependant, on s'est rendu compte que certains neurotransmetteurs ont une action hormonale. En effet, il existe des neurones dits neurosécréteurs, qui libèrent des neurohormones : des molécules qui agissent comme neurotransmetteurs quand elles sont libérées au niveau d'une synapse, et comme hormones quand elles passent dans le circuit sanguin. C'est le cas de la vasopressine, synthétisée par des neurones de l'hypothalamus, libérée dans la circulation sanguine au niveau de l'hypophyse, et classiquement connue pour son effet antidiurétique. De nombreux travaux soulignent à présent ses capacités de neurotransmetteur.

Les deux systèmes, nerveux et hormonal, interagissent étroitement. Par exemple, la libération d'hormones par l'hypophyse est sous le contrôle des neurohormones dites « de libération », produites par l'hypothalamus, dont les neurones sont eux-mêmes stimulés ou inhibés par les influx nerveux provenant du système nerveux central. Ainsi, le fait qu'un nourrisson commence à téter est enregistré et transmis par le système nerveux jusqu'à l'hypothalamus qui déclenche la libération, par l'hypophyse, de l'hormone responsable de la montée de lait l'ocytocine. Inversement, les hormones exercent des rétroactions sur le système nerveux. Les stéroïdes, par exemple, peuvent traverser la barrière hémato-encéphalique* et agir directement sur le fonctionnement des neurones en se liant à des récepteurs situés à l'intérieur de la cellule nerveuse. Enfin, certaines hormones exercent une action globale sur les réseaux neuronaux. Elles interviennent dans le développement du cerveau et dans ce qu'on appelle la plasticité neuronale division cellulaire, différenciation des neurones, pousse des prolongements, établissement de contacts entre cellules, lors du développement prénatal et durant les mois qui suivent la naissance. Ces hormones sont susceptibles d'intervenir à nouveau à l'âge adulte lorsqu'il faut établir de nouvelles connexions en cas de lésion cérébrale, ou quand se réorganisent les circuits nerveux.

Garçon ou fille : les hormones ont-elles leur mot à dire ?
Aussi étrange que cela puisse paraître, la réponse est, dans une certaine mesure, oui. Certes, chez les mammifères, la détermination du sexe et la sexualisation des gonades en testicules ou en ovaires est essentiellement génétique. Mais la différenciation des voies génitales en voies mâles est conditionnée par la présence de testostérone et d'hormone anti-müllérienne*, toutes deux produites par le testicule embryonnaire. La perturbation de la synthèse de ces hormones peut engendrer des ambiguïtés sexuelles dans lesquelles le sexe phénotypique morphologique n'est pas en accord avec le sexe génotypique chromosomique. Très actives durant la vie foetale et les premiers mois de vie, les hormones sexuelles sont moins présentes durant l'enfance. Durant la puberté, elles sont à nouveau synthétisées de façon conséquente et conduisent à la mise en place du système mature féminin ou masculin et du cycle ovulatoire chez la femelle.

Chez les oiseaux et la plupart des amphibiens, la détermination du sexe se fait de façon similaire à celle des mammifères. En revanche, poissons et reptiles sont dépourvus de chromosomes sexuels. Chez eux, la sexualisation des gonades est entièrement sous dépendance hormonale. Chez certaines espèces comme les crocodiliens, la plupart des tortues, et quelques lézards et poissons, c'est la température du milieu qui oriente la sexualisation, car elle régule l'activité des gènes codant telle ou telle hormone. Chez beaucoup de poissons de récifs, c'est la structure du groupe la proportion de mâles et de femelles qui « décide » du sexe d'un individu. Ces poissons sont hermaphrodites : ils possèdent ovaires et testicules. Si un mâle disparaît, une femelle se masculinise. Ce phénomène s'effectue sous l'influence d'hormones dont la production, pense-t-on, est déclenchée sous l'effet de différents stimuli nerveux.

Les hormones influencent-elles les comportements ?
Les hormones sont impliquées dans de nombreux comportements qui vont du stress au comportement amoureux en passant par le comportement maternel ou l'agressivité. Elles n'agissent toutefois jamais seules dans leur mise en place, mais en liaison étroite avec le système nerveux. Par exemple, chez la brebis, l'attachement maternel est lié à la présence d'une hormone, l'ocytocine, dont la production est déclenchée par les stimulations nerveuses générées par les contractions de la femelle en train de mettre bas. En temps normal, la brebis éprouve de la répulsion pour le liquide amniotique. Sous l'influence de l'ocytocine, elle sera attirée par ce liquide dont est imprégné son nouveau-né. Cette attirance temporaire va la pousser à lécher son petit et à établir un premier contact. Les hormones jouent également un rôle important dans le comportement sexuel - par exemple, les parades très ritualisées des oiseaux. Chez les humains, ce sont les stéroïdes qui prédominent en ce domaine. Mais leur effet est plus difficile à estimer que celui des hormones intervenant dans la sexualité d'autres animaux au comportement très stéréotypé, car il se conjugue à d'autres paramètres, notamment culturels. Par ailleurs, une baisse de testostérone au cours de la vie, ou une surproduction, aura des effets centraux sur le comportement.

Les hormones végétales influencent quant à elles le comportement de la plante en fonction de l'environnement. Par exemple, en cas de stress hydrique, l'acide abscissique entraîne une fermeture des stomates au niveau de la feuille. Certaines phytohormones comme l'acide jasmonique sont synthétisées en cas de danger et enclenchent la production de molécules de résistance à l'agression.

Qu'est-ce qu'une hormone de synthèse ?
Les stéroïdes ont été les premières hormones synthétisées in vitro, dans les années 1950. C'était alors par voie chimique. En 1975, ce fut le tour des hormones protéiques comme l'insuline, par génie génétique cette fois. Dans ce type de synthèse, le gène codant pour l'hormone est transféré dans le génome de cellules en culture, généralement des bactéries. Ces dernières présentent l'avantage de se diviser rapidement, et donc de fournir de grosses quantités d'hormones en peu de temps. Pour les hormones plus complexes, par exemple les hormones glycoprotéiques comme les gonadotropines les dernières à avoir été synthétisées et les plus difficiles à fabriquer, on est obligé, les bactéries ne pouvant pas synthétiser de protéines glycosylées, d'utiliser des cellules eucaryotes qui se divisent moins vite. Ce mode de production coûte donc plus cher. L'utilisation d'hormones de synthèse représente une avancée décisive, car elle permet d'éviter les problèmes sanitaires qui peuvent résulter de l'usage d'hormones d'extraction. En effet, ces dernières sont susceptibles de servir de vecteur de contamination. Ainsi, des patients traités par de l'hormone de croissance extraite d'hypophyses prélevées sur les cadavres de personnes atteintes de la maladie de Creutzfeldt-Jakob ont contracté la maladie. Aujourd'hui, cette hormone est exclusivement produite par génie génétique.

Les hormones peuvent-elles servir de médicament ?
Oui. On peut évidemment les utiliser pour soigner les pathologies dues à un déficit en une hormone donnée : diabète, problèmes de croissance, problèmes de fécondité. Dans ce cas, l'hormone utilisée sera précisément celle qui fait défaut. Dans les troubles causés par une surproduction hormonale, il suffit bien souvent de traiter le malade avec une hormone impliquée dans la boucle de régulation et exerçant un contrôle négatif sur l'hormone incriminée. Reste le cas des pathologies hormono-dépendantes telles que le cancer de la prostate et une forme de cancer du sein : la croissance des cellules tumorales est stimulée dans le premier cas par la testostérone et dans le second cas par l'oestradiol. Une fois cette dépendance hormonale établie, la thérapie vise à supprimer la sécrétion de l'hormone en question.

Un traitement hormonal n'étant pas anodin, il ne doit être mis en oeuvre que si le rapport bénéfice/risque est réellement favorable. Ainsi la controverse concernant les effets secondaires des traitements hormonaux de substitution des femmes ménopausées risques accrus de cancers du sein, par exemple n'est-elle pas close. Quant aux hormones « de confort » telles que la mélatonine ou la DHEA, leur prise inconsidérée n'est pas à conseiller : au mieux elle n'a aucun effet, au pire elle est dangereuse. Les dangers d'une utilisation non contrôlée d'hormones sont particulièrement flagrants dans le cas du dopage. L'érythropoïétine EPO, par exemple, est une hormone qui stimule la production des globules rouges. Elle augmente l'hématocrite et permet de fixer plus d'oxygène, mais augmente parallèlement le risque de thrombose.

Enfin, dans la relation entre hormones et santé, un autre problème commence à préoccuper les scientifiques : l'impact de ce que l'on appelle les perturbateurs endocriniens. Ces molécules, pesticides ou autres substances chimiques, pourraient en effet perturber notre système de régulation hormonale et celui des animaux et végétaux de notre environnement.

Qu'est-ce qu'un boeuf ou un poulet « aux hormones » ?
Il s'agit d'un boeuf en fait, plutôt un veau ou d'un poulet auquel on a fait des injections d'hormones pour augmenter sa masse musculaire, et donc la quantité de viande obtenue après abattage. Certains pays, comme les Etats-Unis ou le Canada, font couramment usage de ce type de traitement. Mesure protectionniste ou d'intérêt sanitaire : il a été interdit en Europe dès 1984. Son impact sur la santé n'est pas démontré. Par ailleurs, il convient d'établir un distinguo entre l'injection d'un surplus d'hormones déjà synthétisées naturellement par l'animal et l'injection d'hormones qui lui sont totalement étrangères. En effet, les hormones naturelles sont rapidement dégradées par le boeuf ou le poulet. La testostérone, par exemple, disparaît en quelques jours, et le consommateur ne risque pas de l'absorber si la dernière injection a lieu quelques jours avant l'abattage. Mais elle a tout de même un effet sur le goût car elle modifie le ratio protéines/graisse - laquelle donne l'essentiel de sa saveur à la viande. Quant aux hormones qui ne sont pas naturellement déjà présentes chez l'animal, elles présentent le désavantage réel, quand on les injecte, d'être dégradées assez lentement et de s'accumuler dans la masse graisseuse. Le consommateur risque donc de les ingérer.
NOTES
* Hémolymphe : fluide qui circule dans les vaisseaux et l'espace interstitiel des tissus des invertébrés, et transporte les métabolites et l'oxygène sauf chez les insectes, où ce dernier circule dans des trachées.

*La barrière hémato-encéphalique , constituée par la paroi des vaisseaux capillaires du cerveau, restreint au strict minimum le type de molécules accédant à ce dernier. Elle le protège ainsi des variations de composition du sang, mais interdit aussi le passage de nombreux médicaments.

* Hormone anti-müllérienne : hormone sécrétée par le testicule embryonnaire. Elle provoque l'atrophie du canal de Müller qui, chez l'embryon femelle, est à l'origine des trompes, de l'utérus et d'une grande partie du vagin.
SAVOIR
-Y. Combarnous, Les hormones, PUF, collection « Que sais-je ? », 1998.

-J.-D. Vincent, La Biologie des passions, éditions Odile Jacob, 1999 poche 2002.

-C.G.D. Brook et N.J. Marshall, Endocrinologie, De Boeck Université, 1998.


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DES GNOMES SUR MESURE

 

Inventer des génomes sur mesure
Cécile Klingler dans mensuel 445


En mai dernier, le généticien américain Craig Venter créait la première bactérie ayant un génome synthétique. Quels organismes inédits pourraient voir le jour dans les années à venir ? La biologie de synthèse va-t-elle révolutionner le vivant ?
E lle porte un nom du troisième type : Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0. Le 20 mai dernier, le concepteur de cette bactérie, le biologiste et généticien américain Craig Venter, l'a présentée en ces termes à un parterre de journalistes : « Nous sommes ici, aujourd'hui, pour annoncer l'obtention de la première cellule synthétique, faite en partant d'un génome conçu par ordinateur, en construisant le chromosome à partir de quatre bouteilles de produits chimiques, en l'assemblant dans des levures, en le transplantant dans une cellule bactérienne réceptrice, et en transformant cett e cellule en une nouvelle espèce bactérienne . » Et d'asséner, d'un ton calme, posé, presque monocorde : « Il s'agit, sur cette planète, de la première espèce capable de se reproduire ayant pour parent un ordinateur. »

Transformation
La formule, percutante, n'étonne pas de la part d'un homme qui a l'art des déclarations fracassantes. Elle a immédiatement fait le tour du monde. Mais la bactérie Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0, présentée pour l'occasion comme l'emblème de la « biologie de synthèse » ou « biologie synthétique », symbolise-t-elle vraiment un tournant dans la biologie ?

Contrairement à ce qu'ont titré bon nombre de journaux, les biologistes du John Craig Venter Institute n'ont en tout cas pas « créé la vie ». Pourquoi ? L'expérience qu'ils ont menée parle d'elle-même. D'abord, ils ont synthétisé, in vitro , un long fragment d'ADN. Pas n'importe lequel : sa séquence, c'est-à-dire la succession de « briques élémentaires » qui le constitue ce que l'on appelle les bases, est à quelques modifications près celle du génome de la bactérie Mycoplasma mycoides . Ce n'est donc pas un génome inventé ex nihilo . Puis ce génome a été transplanté dans une bactérie d'une espèce voisine, Mycoplasma capricolum , on ne peut plus naturelle. Il s'y est alors exprimé, et Mycoplasma capricolum s'est peu à peu transformée en Mycoplasma mycoides [1] . Le rôle « créateur » de l'homme est donc infime.

Pourtant, ce travail représente une avancée majeure. Pas sur le plan de la connaissance fondamentale : « Dès 2003, Venter avait montré qu'un ADN synthétisé in vitro, à partir de sa séquence "virtuelle", pouvait fonctionner dans une cellule », rappelle Miroslav Radman, qui dirige l'équipe « biologie de la robustesse » de l'Inserm.

À l'époque, Venter et ses collaborateurs avaient synthétisé in vitro le génome d'un virus de bactérie, d'après sa séquence enregistrée dans les banques de données. Puis ils l'avaient injecté dans la bactérie Escherichia coli . La bactérie avait alors répliqué cet ADN synthétique et synthétisé les protéines qu'il code, avec comme résultat final la production de virus actifs. « C'était un travail splendide ! ajoute Radman. Avec ses derniers travaux, Venter n'a, conceptuellement, rien démontré de plus. »

En revanche, les avancées technologiques sont indéniables. Miroslav Radman souligne par exemple la performance technologique que représente la transplantation d'un chromosome synthétique long d'un million de paires de bases, donc très fragile, dans une bactérie : l'équipe de Venter a réussi à contourner ce problème, en concevant un protocole où le génome synthétique est mis en contact avec les bactéries receveuses, sans qu'on ait à le manipuler.

Quant à Philippe Marlière, spécialiste de biologie synthétique au Génopole d'Évry et fondateur de la société Global Bioenergies, il s'enthousiasme devant la longueur de l'ADN synthétisé, et les perspectives que cela ouvre. « Un million de paires de bases, dit-il, c'est à mi-chemin des 2 millions de paires de bases d'un génome bactérien fonctionnel mais simplifié, dans lequel on insérerait les gènes correspondant à des voies métaboliques conçues sur mesure. Cela permettrait de produire telle ou telle molécule. »

Définition
« Concevoir sur mesure » et « produire » : voilà lâchés les deux mots qui définissent le mieux la biologie de synthèse. Car même si les travaux des équipes se réclamant de cette discipline permettront certainement de mieux comprendre le fonctionnement des cellules, les objectifs affichés sont, en général, très concrets. Pour Venter et la plupart des « biologistes de synthèse », il s'agit de transformer des bactéries, des levures, voire des cellules humaines, en usines de production de composés chimiques, de médicaments, ou encore de biocarburants. Comment ? En transférant dans ces cellules des gènes qu'elles ne possèdent normalement pas.

Voilà qui semble bien banal : après tout, voilà trente ans que l'on sait faire produire à des bactéries, par transfert de gène, des molécules qu'elles sont normalement incapables de synthétiser. Cela s'appelle du génie génétique. Que l'on transfère le gène humain codant l'insuline à une bactérie Escherichia coli ce qui a été réalisé en 1978, et elle produit de l'insuline. La biologie synthétique ne serait-elle donc qu'un nouveau mot pour une même approche ?

De fait, les trois exemples systématiquement vantés comme étant des succès de biologie synthétique ne révèlent pas de différences flagrantes avec le génie génétique. Il s'agit d'abord de l'obtention, par les biochimistes de la compagnie DuPont, d'une bactérie Escherichia coli capable de synthétiser, à partir de glucose, une molécule jusque-là dérivée du pétrole : le 1,3-propanediol, très utilisé dans la fabrication des matières synthétiques. Des milliers de tonnes sont aujourd'hui produites par ces bactéries, mises au point à la fin des années 1990.

Puis Jay Keasling, de l'université de Berkeley, a réussi en 2003 à transférer dans des bactéries et des levures des gènes végétaux leur permettant de produire de l'artémisinine, une molécule antipaludéenne normalement synthétisée par une plante, l'armoise Artemisiana annua . Le processus est actuellement en cours d'industrialisation chez Sanofi-Aventis. Enfin, une collaboration entre Bruno Dumas, de Sanofi-Aventis, et Denis Pompon, du CNRS de Gif-sur-Yvette, a abouti à l'obtention d'une levure synthétisant de l'hydrocortisone, une hormone humaine jusque-là produite par synthèse chimique.

Dans ces trois cas, les gènes introduits dans le micro-organisme utilisé comme usine de production sont des gènes naturels, provenant d'autres organismes. Alors, génie génétique ou biologie de synthèse ? « Peut-être faut-il plutôt parler de biologie présynthétique, suggère Jean-Loup Faulon, directeur de l'institut de biologie synthétique et systémique créé au Génopole d'Évry en janvier 2010. "Synthétique", car la synthèse de ces molécules a nécessité le transfert d'au moins une dizaine de gènes, soit beaucoup plus que ce que l'on faisait précédemment. Et "pré ", car ces travaux ont été réalisés "à la main". Chaque gène a été introduit un à un, avec les outils de biologie moléculaire classiques. »

Comme Philippe Marlière, il préfère, pour illustrer ce que peut être la biologie de synthèse, mettre l'accent sur une autre approche plus innovante, la « rétrosynthèse » : les gènes transférés et les protéines qu'ils codent ne sont pas utilisés pour ce qu'ils font dans les cellules d'origine, mais pour ce qu'ils peuvent faire en théorie. C'est en particulier le cas des enzymes, ces protéines qui, dans les cellules, catalysent c'est-à-dire rendent possible la transformation d'une molécule en une autre. Il se trouve que, dans une cellule, une enzyme donnée catalyse une réaction précise. Mais en théorie, elle est capable d'en catalyser d'autres. Si elle ne le fait pas, c'est parce que la molécule susceptible d'être transformée n'est pas présente. Par conséquent, si on la lui fournit, la réaction potentielle a lieu.

L'équipe de Global Bioenergies, pionnière dans ce domaine, a utilisé avec succès cette approche pour produire un hydrocarbure dans une bactérie. Après avoir imaginé la chaîne de réactions enzymatiques susceptible d'aboutir à cette substance, elle a transféré dans des bactéries les gènes des enzymes censées effectuer ces réactions. Puis, elle a fourni à ces micro-organismes la molécule censée réagir avec la première enzyme. La réaction a eu lieu, et, après elle, l'ensemble des réactions prévues. « Il s'agit donc vraiment de biologie de synthèse, souligne Philippe Marlière, car nous faisons apparaître des réactions enzymatiques et des molécules qui n'existent pas au naturel. »

Démarche d'ingénieur
Cela dit, le propre de la biologie de synthèse tient peut-être autant à la façon de voir la biologie qui anime ses promoteurs - plus souvent physiciens, informaticiens ou ingénieurs chimistes que biologistes - qu'aux manipulations effectuées. « Nous suivons une démarche d'ingénieurs, explique Jean-Loup Faulon, avec ses quatre phases classiques de conception, de construction, d'implémentation et de validation. Et nous le faisons de façon systématique et formalisée. » Cette démarche s'accompagne d'ailleurs d'un langage particulier : les chercheurs évoquent par exemple leur ambition de concevoir un « châssis », autrement dit un génome de « base » auquel on pourrait ajouter, en fonction des besoins, des séquences de gènes soigneusement conçues par ordinateur.

Cette approche d'ingénieur est encore plus prononcée dans d'autres travaux relevant de la biologie de synthèse. Les cellules, en général des bactéries Escherichia coli, y sont alors considérées comme des minirobots que l'on appareille avec des outils dans les faits, des molécules codées par des gènes, pour leur permettre d'accomplir des tâches précises par exemple, détecter tel ou tel type de cellules. Le programme qui leur est implémenté, sous forme d'une combinaison de gènes, vise à leur faire accomplir une série de tâches complexes, en fonction de leur environnement. Cette approche à d'ores et déjà donné de premiers résultats [fig.2] .

Là encore, la notion de « génome standard » est présente. Avec en plus l'ambition, pour certains, de standardiser les « outils », c'est-à-dire les séquences de gènes qui permettent d'accomplir telle ou telle action. Le Massachusetts Institute of Technology a ainsi créé une base de données en accès libre qui répertorie plusieurs de ces séquences, appelées BioBricks.

À ce stade, les interrogations pointent. Certes, la bactérie de Venter, Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 , est anodine. Mais si l'on combine les potentialités qu'elle ouvre - recombiner des gènes à bien plus large échelle qu'on ne le fait actuellement - avec les innovations métaboliques et fonctionnelles présentées plus haut, on franchit bel et bien une frontière par rapport au génie génétique classique. D'autant que les possibilités de manipuler les génomes sont facilitées par l'apparition des registres de BioBricks, mais aussi par le développement d'entreprises, nommées « gene foundries », qui synthétisent à la demande les fragments d'ADN qu'on leur commande.

L'équipe de Venter a travaillé avec l'une de ces compagnies, BlueHeronBiotechnologies. Or, à peu près n'importe qui peut leur passer commande : il suffit d'un mail avec la séquence souhaitée. Et les séquences, elles, reposent dans des bases de données informatiques en libre accès. Certains pointent donc du doigt les risques de bioterrorisme - les trois principales « gene foundries » ont du reste mis en place des systèmes d'analyse des séquences commandées, de façon à repérer, par exemple, un gène pathogène.

Mais sans négliger cette menace, Philippe Marlière souligne qu'elle n'est peut-être pas la plus dangereuse : il est beaucoup plus facile d'utiliser un organisme pathogène existant déjà. « Imaginons plutôt une cyanobactérie modifiée pour produire tel ou tel biocarburant, dit-il. Les cyanobactéries sont des bactéries photosynthétiques à la base du fonctionnement des écosystèmes aquatiques, et qui n'ont besoin que de soleil et de dioxyde de carbone pour synthétiser des molécules carbonées. C'est précisément pour cela qu'elles sont intéressantes. Bien sûr, il est prévu de les faire travailler dans des enceintes confinées - qu'il va falloir inventer, puisque qu'elles doivent impérativement recevoir le rayonnement solaire. Mais si jamais elles s'échappent ? »

Anticiper les risques
Certes, il est possible que les modifications dont elles auront fait l'objet les handicapent par rapport à leurs homologues naturelles, et qu'elles ne puissent proliférer. Mais c'est loin d'être certain. « Or, on ne peut pas courir ce risque, martèle Philippe Marlière. Aujourd'hui, il est encore hypothétique, car on est loin de savoir reprogrammer ces bactéries. Mais justement, c'est le moment d'anticiper. »

Certains, telle l'organisation non gouvernementale canadienne ETC Group, voudraient un moratoire suspendant ces recherches. Philippe Marlière, lui, ambitionne, en lien avec d'autres laboratoires européens, de concevoir des bactéries permettant de réduire à zéro le risque de pollution génétique. « À zéro , insiste-t-il. On ne peut pas se contenter d'une obligation de moyens, il faut une obligation de résultats. » La solution préconisée est de faire en sorte que le génome de ces bactéries soit tellement différent de celui des êtres vivants actuels qu'ils ne puissent pas se croiser. Pour y parvenir, il s'agit de créer une troisième forme d'acide nucléique, différente de l'ADN et de l'ARN. C'est l'un des objectifs du projet de recherche européen Xenome, coordonné par le Génopole d'Évry.

Sur le plan de la connaissance scientifique et de la « création de vie », voilà qui est beaucoup plus innovant que Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 ! Mais en dépit de la charte de bonne conduite que les principaux chercheurs européens sont en train de formaliser, et qu'ils s'engagent à signer, il n'est pas certain que cela suffise à lever les inquiétudes. À quand une réflexion mondiale, sur la gouvernance des recherches et des applications de la biologie de synthèse ?


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NEURONES NEUFS L'GE ADULTE

 

Neurones neufs à l'âge adulte
Pierre-Marie Lledo,Gilles Gheusi dans mensuel 410


Cellules souches. Notre stock de neurones n'est pas constitué une fois pour toutes à la naissance ! De nouveaux neurones apparaissent constamment dans notre cerveau.
« D es neurones se forment-ils dans le cerveau des mammifères adultes ? » Ainsi le biologiste Joseph Altman titrait-il, en 1962, un article publié dans la revue Science. Ses observations lui laissaient en effet penser que de nouveaux neurones proliféraient dans le cerveau de rats adultes [1] . Presque une hérésie !

À l'époque, la neurobiologie était en effet ancrée dans la certitude que le cerveau adulte était dépourvu de toute potentialité régénératrice. Il n'est, dès lors, pas surprenant que ses confrères se soient empressés d'oublier la suggestion d'Altman.

Il fallut attendre les années 1980 pour que l'hypothèse de l'existence d'une neurogenèse chez l'adulte soulève un regain d'intérêt avant de s'affirmer, dans la décennie suivante, comme l'un des thèmes majeurs des neurosciences modernes. Aujourd'hui, on élucide peu à peu les mécanismes qui la régissent. Reste à comprendre son rôle, aussi bien dans un cerveau sain que dans un cerveau malade.

Paradoxalement, c'est le formidable essor des neurosciences au début du XXe siècle qui empêcha ensuite, pendant plusieurs dizaines d'années, la communauté des neurobiologistes d'accepter l'existence d'une neurogenèse chez l'adulte. Et ce, pour des raisons d'ordre épistémologique, conceptuel et technique.

Les éléments épistémologiques tiennent beaucoup à l'influence considérable des écrits du neurobiologiste espagnol Santiago Ramón y Cajal, prix Nobel en 1906. Ses travaux le conduisirent en effet à émettre nombre de postulats fondamentaux concernant la morphologie du système nerveux. Or, parmi ces postulats, figurait en bonne place celui selon lequel le cerveau adulte est un organe dépourvu de capacités de régénérescence : les réseaux neuronaux peuvent s'y réorganiser, de nouvelles connexions entre neurones s'y établir, mais il n'y a pas d'apparition de nouveaux neurones. L'immense influence de Ramón y Cajal dans le développement des neurosciences modernes érigea, jusqu'à une date récente, cet énoncé en dogme.

Conserver les souvenirs
Sur le plan conceptuel, comment comprendre que le cerveau puisse, grâce à ses neurones, conserver des souvenirs pendant toute la vie, si les neurones en question se renouvelaient en permanence ? Autre objection : dans un système aussi complexe que le cerveau, comment imaginer que le remplacement de certains éléments ait lieu sans perturber le fonctionnement de l'ensemble ?

Sur le plan technique enfin, les neurobiologistes ont longtemps manqué de critères morphologiques tangibles attestant de la nature des cellules observées dans le cerveau. Les cellules en division qu'Ezra Allen, biologiste de Cold Spring Harbor, décrivit en 1912 autour des ventricules latéraux de rats albinos adultes, étaient-elles des neurones ou des cellules gliales * [2] ? Nul n'était en mesure de répondre. Dans les années 1960, Joseph Altman se heurta au même problème lorsqu'il rapporta l'existence de cellules en division dans la zone sous-ventriculaire, ainsi que dans une zone de l'hippocampe appelée gyrus denté.

Au début des années 1980, Michael Kaplan, de l'université de Boston, réalisa une série d'études qui, toutes, confirmaient les premiers travaux d'Altman [3] . Toutefois, le scepticisme ambiant persista en dépit de la précision de ses quantifications, et de la diversité des tissus observés. Ces réticences tiennent beaucoup à l'entrée en scène dans ce domaine de Pasko Rakic, de l'université Yale. Au cours d'une conférence donnée en 1984, P. Rakic ne réfuta pas l'existence d'une neurogenèse dans le cerveau adulte, du moins chez les rongeurs. En revanche, la quantité de neurones néoformés étant extrêmement faible, il lui déniait une quelconque signification fonctionnelle. L'année suivante, il se livra à un examen minutieux de cerveaux de macaques. À ses yeux, aucune cellule en division ne présentait de critères morphologiques permettant sans ambiguïté de la qualifier de neurone [4] .

La publication de cette étude renforça les convictions des sceptiques, et mit un frein aux travaux visant à rendre compte de l'existence d'une neurogenèse chez les mammifères adultes.

Mais en 1992, Brent Reynolds et Samuel Weiss, alors à l'université de Calgary, mirent en évidence des cellules souches au sein du cerveau de souris adultes. Ces cellules souches pouvaient se différencier soit en neurones, soit en astrocytes [5] . Cette découverte apporta un soutien considérable à l'hypothèse d'une neurogenèse adulte. Dans les années qui suivirent, des progrès techniques - par exemple la découverte de molécules permettant de distinguer les neurones des astrocytes - donnèrent un nouveau souffle aux recherches dans ce domaine. Et aujourd'hui, preuve est faite que des processus de neurogenèse existent dans le cerveau des mammifères adultes, homme compris [6] .

Deux régions cérébrales fournissent en permanence de nouveaux neurones : la zone sous-ventriculaire, située sur les parois des ventricules latéraux et la zone sous-granulaire, localisée dans le gyrus denté de l'hippocampe [fig. 1] . Ces deux zones sont appelées des « niches » germinatives. Emprunté à l'écologie, le terme n'est pas anodin. Il signale en effet combien l'architecture et l'organisation de ces zones conditionnent leur capacité germinative. C'est, par exemple, grâce au micro-environnement moléculaire et cellulaire qu'elles y trouvent que les cellules souches gardent leur capacité à se diviser de façon asymétrique, en donnant d'une part une nouvelle cellule souche, d'autre part une cellule, appelée précurseur, vouée à se différencier. Et c'est également ce micro-environnement qui induit la différenciation des précurseurs, cette fois en cellules appelées neuroblastes, à l'origine des neurones.

Point crucial, les neuroblastes ne se différencient pas au sein de la zone germinative : ceux produits dans la zone sous-ventriculaire migrent vers le bulbe olfactif, tandis que ceux produits dans la zone sous-granulaire du gyrus denté migrent dans une autre région de ce même gyrus [fig. 1] . Une fois parvenus à destination, ces neuroblastes se différencient en sous-types de neurones différents : les premiers évoluent, pour la plupart, en neurones dits « GABAergiques », tandis que les seconds se différencient en neurones dits « glutamatergiques ».

À quoi servent ces nouveaux neurones ? Une chose est sûre : les régions cérébrales concernées par la neurogenèse - autrement dit le bulbe olfactif et l'hippocampe - sont impliquées dans la mémoire et dans l'apprentissage. Tout le problème est de comprendre comment les nouveaux neurones interviennent dans ces processus : est-ce de façon directe ou indirecte ?

Prenons l'exemple de l'hippocampe. Indubitablement, la neurogenèse y est modulée par l'expérience et l'activité du sujet. Par exemple, chez un rat, elle diminue lorsque l'animal est exposé à un stress tel que l'odeur d'un prédateur, et elle augmente lorsque l'animal a plus d'activité physique [7] . Et chez l'homme, elle s'accroît sous l'effet d'antidépresseurs lire « Neurogenèse et dépression », page ci-contre. Tout aussi indubitablement, les performances mnésiques d'une souris diminuent lorsque la neurogenèse est bloquée [8] . Mais cela démontre-t-il que les nouveaux neurones s'insèrent dans les réseaux chargés de la prise en charge des souvenirs ? Non : on peut, par exemple, tout aussi bien imaginer qu'ils vont renforcer d'autres réseaux facilitant le fonctionnement des premiers...

Stimulation olfactive
Le problème est identique en ce qui concerne le bulbe olfactif. Nos travaux et ceux d'autres équipes soulignent un lien potentiel entre l'ampleur de la neurogenèse bulbaire et les capacités de la mémoire olfactive. Nous avons, par exemple, montré que la capacité des souris à distinguer des odeurs différentes est altérée chez des souris transgéniques, mutées de telle sorte que la migration des neuroblastes soit modifiée [9] . Ou encore, que chez des animaux normaux élevés dans un milieu riche en stimuli olfactifs, le nombre de nouveaux neurones dans le bulbe double par rapport aux souris maintenues dans des conditions standard.

En parallèle, la mémoire olfactive de ces souris placées dans un environnement enrichi est bien meilleure. Cela démontre-t-il pour autant que ces nouveaux neurones prennent en charge les signaux fournis par les récepteurs olfactifs qui sont régulièrement produits dans la cavité nasale ? Comme pour l'hippocampe, on se heurte ici à l'absence de démonstration directe d'un lien de cause à effet. Sans compter que reste à résoudre une autre question fondamentale : savoir comment les différents aspects de la perception et de la mémoire des odeurs restent conservés dans un système dynamique soumis à l'arrivée constante de nouveaux neurones lire « Récapitulation de l'embryogenèse ? », p. 54.

En dépit de ces interrogations, il ne fait aucun doute que les nouveaux neurones jouent un rôle dans le cerveau sain. Dès lors, il était inéluctable que les biologistes s'interrogent sur l'existence et l'impact de la neurogenèse en cas de pathologie cérébrale. Possède-t-elle une fonction réparatrice intrinsèque ? Si oui, pourrait-on en tirer parti comme outil thérapeutique ?

Depuis quelques années, la mise au point de différentes techniques permettant d'induire des lésions variées dans des cerveaux de rongeurs offre un début de réponse quant au déroulement de la neurogenèse dans un cerveau malade. Par exemple, l'équipe de Jeffrey Macklis a mis au point une technique permettant d'induire l'élimination rapide, par photolyse, des neurones du cortex de souris. Chez ces animaux, on observe alors la production de nouveaux neurones dits « pyramidaux » dans le cortex [10] . Pour la plupart, ils semblent provenir de neuroblastes issus de la zone sous-ventriculaire. Et, comme les neurones détruits, ils envoient de longs axones jusqu'à la moelle épinière. Toutefois, bien qu'intéressants, ces résultats ne suffisent pas à prouver que le cerveau mature peut remplacer de façon spécifique les neurones d'une zone donnée. En effet, la technique utilisée présente des limitations : les lésions infligées n'atteignent que les neurones pyramidaux, mais n'affectent pas les cellules gliales ni d'autres neurones environnants, comme ce serait le cas avec une lésion « naturelle ».

Mort cellulaire massive
Menée elle aussi chez des rongeurs, une autre étude semble plus concluante. En 2002, Olle Lindvall est ses collaborateurs de l'université de Lund, en Suède, ont provoqué une ischémie cérébrale chez plusieurs rats en bouchant pendant deux heures leur artère cérébrale moyenne. Corollaire de cet arrêt de la circulation sanguine : les neurones de la région privée de sang, le striatum, disparaissent quasiment tous. Mais cinq semaines après l'expérience, de nouveaux neurones y apparaissent. Il s'agit de neurones dits « striataux épineux », autrement dit les neurones appropriés à cet endroit du cerveau. Et de nouveau, c'est la zone sous-ventriculaire qui produit le type neuronal désiré [11] . Il semble donc que le cerveau mature soit capable de remplacer certaines catégories de neurones, au moins en cas de mort cellulaire massive. Ce remplacement cellulaire se ferait essentiellement par recrutement des précurseurs produits dans la zone sous-ventriculaire, attirés par des substances libérées sur le site de la lésion.

Aussi intéressant soit-il, l'ensemble de ces résultats doit être considéré avec circonspection sur le plan fonctionnel. D'abord, la proportion de nouveaux neurones reste extrêmement faible eu égard au nombre de neurones disparus. En effet, certains des progéniteurs se différencient en astrocytes plutôt qu'en neurones, et la majorité des quelques neurones produits meurent très rapidement. Pour que la neurogenèse ait un impact fonctionnel chez ces animaux au cerveau lésé, il faudrait donc augmenter la survie cellulaire. Cet obstacle n'est peut-être pas infranchissable : chez des rats soumis à un arrêt général de la circulation cérébrale pendant quelques minutes, l'injection de facteurs de croissance stimule la neurogenèse dans l'hippocampe [12] .

Ce procédé ne résout toutefois pas tous les problèmes - il est, par exemple, impératif de circonscrire les effets de ces substances, qui peuvent entraîner une prolifération cellulaire anarchique.

Lésion éloignée
De plus, on constate que la localisation de la dégénérescence influe de manière importante sur le remplacement neuronal : si la lésion est trop éloignée du site de production de neuroblastes, on ne détecte pas d'apparition de nouveaux neurones dans le site lésé. Par exemple, dans les expériences d'ischémies menées par Olle Lindvall, seul le striatum reçoit des progéniteurs. Or, ce n'est pas la seule zone lésée. Le cortex, lui aussi, est atteint. Pourtant, on n'y détecte aucun nouveau neurone. Cela provient peut-être du fait que la lésion du cortex est une conséquence de la lésion du striatum, et que les mécanismes qui induisent la mort des neurones diffèrent dans ces deux zones [11] .

Enfin, la vitesse à laquelle la dégénérescence se produit joue également un rôle dans l'intensité de la neurogenèse réactive. Les études menées chez les rats et les primates ont montré qu'une dégénérescence neuronale massive, provoquée, par exemple, par une ischémie, déclenche un certain accroissement de la neurogenèse. On est donc en droit d'espérer qu'il en est de même chez les patients frappés par une ischémie. Qu'en est-il, en revanche, pour les maladies neurodégénératives comme la maladie d'Alzheimer, où la mort des neurones est lente et progressive ? Les quelques études menées chez des « modèles » animaux de ces pathologies ne poussent pas à l'optimisme : la production neuronale y est extrêmement faible.

De plus, rien n'exclut que la maladie elle-même découle en partie d'une déficience des cellules souches neuronales [13] . Autant de critères qu'il convient de prendre en considération avant d'évoquer de possibles applications thérapeutiques.
[1] J. Altman, Science, 135, 1127, 1962.


[2] E. Allen, J. Comp. Neurol., 22, 547, 1912.

[3] M.S. Kaplan et J.W. Hinds, Science, 197, 1092, 1977 ; M.S. Kaplan, Trends in Neurosciences, 24, 617, 2001.


[4] P. Rakic et al., Ann. New York Acad. Sci., 457, 193, 1985.


[5] B.A. Reynolds et S. Weiss, Science, 255, 1707, 1992.


[6] P.S. Ericksson et al., Nat. Med., 4, 1313, 1998 ; N. Sanai et al., Nature, 427, 740, 2004 ; M.A. Curtis et al., Science, 315, 1243, 2007.

[7] E. Gould et P. Tanapat, Biol. Psychiatry, 46, 1472, 1999.


[8] T.J. Shors et al., Nature, 410, 372, 2001.


[9] G. Gheusi et al., PNAS, 97, 1823, 2000 ; C. Rochefort et al., J. Neurosci., 22, 2679, 2002.

[10] S.S. Magavi et al., Nature, 405, 951, 2000.


[11] A. Arvidsson et al., Nat. Med., 8, 963, 2002.


[12] H. Nakatomi et al., Cell, 110, 429, 2002.


[13] B. Steiner et al., Regen. Med., 1, 15, 2006.
NOTES
* Les cellules gliales sont les plus nombreuses cellules du cerveau. Elles comprennent les astrocytes, les oligodendrocytes et les cellules microgliales.
OBSERVATION : NEUROGENÈSE ET DÉPRESSION
Le taux d'apparition de nouveaux neurones dans l'hippocampe aurait-il un lien étroit avec la dépression ? Plusieurs observations réalisées chez des rongeurs ou des primates appuient cette hypothèse. Des facteurs de stress impliqués dans l'apparition d'une dépression par exemple, le fait d'être immobilisé de façon prolongée réduisent de manière significative la neurogenèse hippocampique. Sur le plan pharmacologique, différentes catégories d'antidépresseurs, telle la fluoxétine le Prozac augmentent la neurogenèse lorsqu'ils sont administrés de manière chronique ; un délai de trois semaines est au minimum nécessaire pour observer ce phénomène, qui concorde avec l'apparition des effets comportementaux des antidépresseurs. Inversement, ceux-ci perdent toute efficacité thérapeutique si la production de nouveaux neurones est éliminée dans l'hippocampe. Enfin, chez l'homme cette fois, les études en imagerie cérébrale de patients atteints de dépression révèlent un hippocampe dont le volume est réduit, par comparaison avec celui de personnes non dépressives.

Attention toutefois : ces corrélations ne prouvent pas l'existence d'un lien de cause à effet entre le niveau de neurogenèse et la dépression. Du reste, l'élimination des processus de neurogenèse dans l'hippocampe ne conduit pas pour autant au développement d'un état dépressif ! Ce que montrent ces résultats, c'est que la neurogenèse semble indispensable à l'action des antidépresseurs. Reste à comprendre pourquoi.
PROCESSUS : RÉCAPITULATION DE L'EMBRYOGENÈSE ?
Comment l'intégration de nouveaux neurones dans un réseau mature - que ce soit dans le bulbe olfactif ou l'hippocampe - peut-elle avoir lieu sans altérer la stabilité des circuits préexistants et le maintien des traitements neuronaux ? L'hypothèse la plus communément admise est que les processus mis en oeuvre chez l'adulte sont, peu ou prou, les mêmes que chez l'embryon. Cette hypothèse est plausible en ce qui concerne l'hippocampe : il est en effet prouvé que la neurogenèse chez l'adulte y met en oeuvre les mêmes séquences d'activations moléculaires et cellulaires que chez l'embryon. En revanche, elle est pour le moins sujette à caution en ce qui concerne le bulbe olfactif : contiguës chez l'embryon, les régions de production et d'intégration des neuroblastes bulbaires sont, on l'a vu, très éloignées l'une de l'autre chez l'adulte. En conséquence, les facteurs moléculaires qui agissent localement en contrôlant les différentes étapes de prolifération, de maturation et d'intégration des futurs neurones, ne sont pas les mêmes dans le cerveau adulte et dans le cerveau en développement.
REMUE-MENINGES VISAGES ÉTRANGERS
Croiser un proche et ne pas le reconnaître , ou voir disparaître l'identité d'une collègue de bureau simplement parce qu'elle attache ses cheveux : la « prosopagnosie » est un handicap déconcertant. Il toucherait pourtant au moins 2 % d'entre nous , selon deux études. Ce trouble de la reconnaissance des visages est plus rarement diagnostiqué, car les personnes atteintes n'en ont pas toujours conscience. Elles développeraient en effet des stratégies compensatoires de reconnaissance, utilisant des indices tels que la façon de marcher, la voix ou la coiffure. Ce trouble apparaît parfois après un traumatisme cérébral, mais surtout au cours du développement de l'enfant. On en cherche encore la cause . S. E. C. Williams, New Scientist, 2579, 34, 2006.
SAVOIR
en savoir plus

Anne Lefèvre-Balleydier, « Les cellules souches humaines ont du nez », La Recherche, avril 2007, p. 17.

Antoine de Chevigny et Pierre-Marie Lledo, Médecine/Sciences, n° 6-7, juillet-août 2006, p. 607.

Pierre-Marie Lledo, Patricia Gaspar et Alain Trembleau, « Ces chants d'oiseaux où poussent les neurones », Les Dossiers de La Recherche n° 22, février 2006, p. 45.

Brigitte Onténiente et Sowmyalakshmi Rasika, Médecine/Sciences, n° 3, mars 2003, p. 265.

 

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