Laboratoire Matière et Systèmes Complexes

Le laboratoire MSC poursuit des recherches à l’interface physique/biologie, qui peuvent concerner des aspects moléculaires, cellulaires, tissulaires, et parfois aussi les organismes entiers (vers, méduses, poulets). La revue European Physical Journal E (section Physical Biology) a publié le 7 avril 2022 un travail de Vincent Fleury, du laboratoire MSC (UMR CNRS/U de Paris 7057 antenne située à l’Ecole de Médecine), et d’Anick Abourachid, du laboratoire Mecadev (UMR CNRS/MNHN 7179) du Museum d’Histoire Naturelle portant sur la morphogénèse des vertébrés dans leur globalité.

En étudiant finement la morphogénèse du cou et de la face des oiseaux (expérimentalement, le poulet), les chercheurs sont parvenus à une description globale intégrée de la morphogénèse du corps, avec ses organes des sens. En résumé : il existe un principe général de "fabrication", qui permet de ramener la formation des corps à des lois physiques reposant sur les premiers principes. L’embryogénèse des animaux reposerait essentiellement sur deux phénomènes physiques enchaînés. Dans un premier temps, l’ovule fécondé se divise comme se casserait une assiette, en formant des lignes de « fractures » biaxiales tendant à se raccorder à angle droit, suivant des principes usuels en physique de la matière condensée (recherche d’un minimum d’énergie). Ces clivages aboutissent à une structure en cercles concentriques et rayons, analogues aux cernes et quartiers des fruits ou troncs d’arbres.

Figure 1. Figure en cercles et rayons visible au stade "blastula" (fin du 1er jour de développement d’un poulet).

A la différence des plantes, les lignes ainsi formées ont un caractère musculaire , elles soumettent l’embryon, au stade blastodisque, à un système de tractions biaxiales, radiales et orthoradiales, comme si le disque embryonnaire, avant la formation de l’animal proprement dit, faisait de l’exercice.

Vidéo 1. Vue de profil de la morphogénèse d’un poulet, dans laquelle les phénomènes de traction sont très apparents. (Le film enchaîne une vue globale puis un grossissement dans la région de la tête du même embryon)

Vidéo 2. Vue détaillée de la formation d’une oreille (largeur 500 micromètres environ).

L’embryon se forme alors par une séquence de contractions qui suivent d’abord les lignes en cercle, puis les rayons. La première contraction transforme les anneaux en tubes. Ces tubes constituent le corps, vu comme un ensemble de tubes emboîtés (le tube nerveux, le tube digestif, le thorax, mais aussi la poche des eaux, le chorion) puis les contractions radiales engendrent… des tubes également, mais perpendiculaires aux précédents. Ces tubes ne sont rien d’autre que la bouche, les yeux, les oreilles, le nez. C’est pourquoi le schéma de base d’un animal est d’être un tube perforé de tubes latéraux communiquant directement avec le cerveau.

Figure 2. Photo de lamproie ou "poisson flûte". Le schéma de base des vertébrés est un tube perforé de tubes orthogonaux, et doté d’un trou circulaire à un bout.

Cette vision simplificatrice du phénomène aboutit à une modélisation parcimonieuse, permettant de fabriquer des animaux « idéaux » pratiquement à volonté, par un jeu de tensions biaxiales sur le pattern initial de clivages.

Vidéo 3. Exemple de forme animale produite par un jeu de tensions biaxiales.

Ce travail démontre que les animaux, avec leur visage, sont fondamentalement des objets physiques que l’on peut reproduire par des modèles mathématiques, et que le visage est en quelque sorte la seconde dimension du corps, le corps et le visage étant issus des directions orthogonales des clivages, immédiatement reconnaissables sur un visage humain dans les rides de la face, formant un secteur perpendiculaire à la direction de la bouche.

Ce phénomène et les morphologies qui en découlent, sont une lointaine conséquence de la division cellulaire, qui fournit à la fois la force de traction, et la distribution biaxiale, à angle droit, des divisions successives.

Ainsi, les animaux, avec leurs traits, ne seraient qu’une conséquence à grande échelle d’un mécanisme physique de fracture, ou clivage, des ovules fécondés. Dans ce nouveau modèle, le phénomène de morphogenèse animale consiste à transformer un ensemble de lignes à angles droits, en un ensemble de tubes à angles droits, par un mécanisme de pli.

Ces travaux ont fait l’objet d’une actualité sur le site de l’Institut des Sciences de l’Ingénieur et des Systèmes, à retrouver ici

Références :

1-Vincent Fleury et Anick Abourachid, A biaxial tensional model for early vertebrate morphogenesis, EPJ E avril 2022, article en libre accès à retrouver ici. Vidéos sur le site de la revue en accès libre.

2-Vincent Fleury, Alexis Peaucelle, Anick Abourachid and Olivia Plateau, Second order division in sectors as a prepattern for sensory organs in vertebrate development, Theory in Biosciences, June 2021 à retrouver ici, ou bien en archive ici.

Une conférence ("La physique du physique") est accessible par Facebook ici V. Fleury y présente les résultats de ces travaux.

Contact

Vincent Fleury : vincent.fleury[@]univ-paris-diderot.fr Anick Abourachid : anick.abourachid[@]mnhn.fr