La science en train de se faire

Un colloque « Biologie Physique Mathématiques », s’est tenu à Nice il y a une dizaine de jours. Cette rencontre s’inscrit dans un tourbillon de colloques internationaux ou nationaux, adressant, entre autres, le problème de la mécanique des tissus au cours du développement. Voilà le pitch de ce colloque :

 

Les systèmes biologiques sont naturellement des systèmes soumis aux lois de la physique et des mathématiques. Vis à vis de l'évolution, ces lois sont à la fois des contraintes et un support pour la sélection des espèces. Ainsi les phénomènes physiques et mathématiques participent souvent à "l'organisation" de systèmes biologiques, par exemple à l'émergence de formes ou de dynamiques spatiales ou temporelles complexes. Les interactions entre la biologie, la physique et les mathématiques se sont donc révélées indispensables à l'étude de tels systèmes, et c'est pourquoi elles se sont beaucoup développées ces dernières années autour du champ thématique des systèmes complexes en biologie.

 

Ce n’était pas un colloque de paléontologie, cependant, l’évolution y était très présente, puisque la compréhension de la morphogénèse des plantes ou des animaux, induit dans la foulée, inévitablement, des réflexions sur leur évolution. Par exemple, plusieurs orateurs ont évoqué le modèle de Douady et Couder sur l’organisation en spirale (« phyllotactique ») des plantes. Beaucoup a déjà été raconté sur cette merveilleuse théorie, qui explique pourquoi toutes les plantes, ou presque, adoptent un mode de croissance qui positionne les feuilles à l’intersection de spirales contra-rotatives (les parastiques). De semblables spirales s’observent au centre des tournesols ou sur les pommes de pin.

L’origine de cette organisation réside dans l’encombrement du petit (très petit) domaine où apparaissent les ébauches de feuilles, qui s’appelle un méristème. Quand les ébauches de feuilles "poussent", elles essaient d’occuper le maximum de place, ou dit autrement, elles interagissent avec les feuilles précédentes pour s’en éloigner le plus possible, l’interaction successive de toutes les ébauches forme naturellement, par « brisure de symétrie » un arrangement spiral, tel que les rapports des angles successifs se rapprochent du nombre d’or (de même, les nombres de spirales sont des nombres consécutifs de la suite de Fibonacci, obtenue en sommant deux termes consécutifs, pour obtenir le suivant : 1,2,3,5,8,13,21... laquelle n’est NULLE PART, gravée dans le génome, c’est la force elle-même qui s’auto organise pour engendrer des spirales en nombres de Fibonacci, par exemple, 8 et 13 pour une pomme de pin typique).

La force de la physique, est de parvenir à montrer que ce motif est obligatoire (c'est l'attracteur de la dynamique).

Un orateur, et non des moindres, en vint à énoncer que les plantes poussaient comme ça, simplement parce qu’elles ne pouvaient pas faire autrement. Selon lui, on avait même à tort attribué à l’adaptation au soleil la disposition des feuilles. Dans cette idée, Darwinienne s’il en est, l’organisation en spirale aurait pour but de maximiser l’ensoleillement arrivant sur les feuilles. Las !, beaucoup de feuilles, en particulier dans les spirales décussées (ça alterne gauche-droite), se retrouvent à la verticale exacte les unes des autres, de sorte que les feuilles jeunes couvrent exactement de leur ombre les feuilles apparues précédemment : on voit mal comment cela pourrait optimiser l’ensoleillement. En réalité, seule la vitesse de croissance semble fixée génétiquement, et cela suffit à sélectionner le mode de croissance spiral de type « Fibonacci ».

Cet exemple illustre cette idée très commune chez les physiciens que le Darwinisme ne sert à rien pour calculer les formes végétales ou animales (il m’est même arrivé de dire, « c’est des conneries ». Entendons-bien ce que « connerie » veut dire ici : si vous considérez que l’évolution Darwinienne consiste à sélectionner des formes efficaces, parmi des formes apparaissant au hasard, ce n’est pas avec ça que vous trouverez les formes observées, encore moins que vous prédirez leur structure mathématique (exemple : les nombres de Fibonacci, apparaissant spontanément dans les tournesols, les pommes de pins etc… C'est la dynamique de formation qui définit la forme, la sélection oeuvre a posteriori). Il est bien certain que la sélection Darwinienne a sélectionné les plantes à spirales, mais ce fait n’est d’aucun intérêt pour en calculer les lois générales, et les réalisations particulières.

L’exemple des spirales phyllotactiques est un peu compliqué (comme est compliquée une marguerite...), et c’est pourquoi Douady a reçu la médaille d’argent du CNRS (et qui sait le prix Nobel, qu’il pourrait partager avec Couder). Mais on peut traiter dans le même esprit les fruits ronds, ou rentrant aux pôles, comme les pommes. Si vous voulez savoir pourquoi les melons sont ronds et les citrouilles rentrantes aux pôles, ça ne sert absolument à rien d’aller dans des carrières chercher des fossiles de melons ou de citrouilles. Regardez simplement pousser une citrouille. Au stade « embryon de citrouille », quand celle-ci fait quelques centimètres, elle est en fait bien ronde, sous l'effet des forces de poussées. Cependant, au fur et à mesure que grandit la citrouille, elle est coincée au pôle par la tige. Sa croissance se poursuit autour de cet obstacle, en formant un entonnoir dans la région de la tige, entonnoir très prononcé également au cœur du pédoncule des pommes, des cerises etc. Ça n’a pas d’intérêt, de faire la paléontologie des pédoncules de pommes, pour comprendre la forme en entonnoir de la pomme, autour de son pédoncule.Cependant, ces formes dont je viens de parler, ne sont que des formes particulières, en l’occurrence végétales, parmi toutes les formes possibles. Parler des plantes n’est pas très polémique ; on dirait qu’on peut sans souci dire que les formes de plantes sont déterminées par les lois de la physique, et que ça ne chiffonne personne. Mais dites que la forme de la tête est fixée par des lois physiques indépendantes des biotopes et tout à coup, vous êtes créationniste (Bizarre bizarre, vous avez dit bizarre). Dans le même colloque, quelques questions très chaudes du moment furent discutées, comme par exemple, la morphogénèse des animaux (les tétrapodes). La situation, conceptuellement, est pourtant semblable, mais il semblerait qu’on ne puisse en parler tranquillement qu’entre spécialistes. Dès que des nouvelles de ce genre parviennent aux oreilles de personnes comme Pascal Picq, ça n’existe pas, c’est l’ombre de la théocratie qui se profile à l’horizon. Que mes lecteurs comprennent bien : il se passe des choses scientifiquement sensationnelles. Surtout vous, les jeunes, dans cette ambiance morose de société fatiguée à qui on annonce tous les jours son effondrement. Réveil ! Il se passe en science des événements extraordinaires, dus pour une large part au gigantisme des moyens informatiques (on ne se promène plus qu’avec au moins un téraoctet de données sur soi), et à la diffusion de connaissances pointues en physique des milieux visco-élastiques.

Dans le cas des vertébrés, de nombreux chercheurs ont aujourd’hui confirmé l’existence de tourbillons à la surface des embryons, qui positionnent les parties du corps de l’animal (vertébré tétrapode). En particulier, très récemment, Nadine Peyriéras et son équipe ont effectué une visualisation 3D de la totalité des cellules de l’embryon de poisson zèbre (vous avez bien lu : la totalité), qui montre bien de formidables enroulements de nature visco-élastique.

http://www.youtube.com/watch?v=wJNRIDWjX-o&feature=results_main&playnext=1&list=PL2E01635DDBAD2664

 

http://www.youtube.com/watch?v=D3I_5IF40C8&feature=related

Ils ont vu ça aussi à l’EMBO. C'est sur ce film là que les enroulements se perçoivent le mieux :

 

http://www.youtube.com/watch?v=vslaD-mWaNA&feature=related

 

A l’occasion de ce colloque à Nice, Nadine montrait les images de singularités tourbillon, c'est-à-dire l'extraction par tranches de 2 minutes 30sec de développement, des trajectoires de la matière embryonnaire, confirmant les modèles : la formation du vertébré « tourne » si j’ose dire autour d’une question de champ de vecteur singulier, présentant des points de vitesse nulle, comme des tornades physiques de cellules.

Si vous voulez comprendre la formation des vertébrés, c’est ça le cœur du sujet, la chose même : des enroulements physiques de matière. Jusqu’à hier, on ne savait même pas quel était le problème, sur quels paramètres jouait la sélection naturelle pour faire un animal. Maintenant on sait. La nature engrène des tourbillons de matière.

Moi-même, je présentais des tourbillons sur des embryons de poulet, moins spectaculaires au plan de l’imagerie, mais un peu plus proches de l’homme (les poulets sont plus proches de l’homme que les poissons ou les grenouilles, notamment en ce que la « blastula » est plate). Voilà le film :

 © VF/CNRS/MSC © VF/CNRS/MSC

Et voici une extraction des champs de vitesse (vous êtes censés voir que ça tourne). L'axe du futur corps est à peu près horizontal, tête à droite. Les petits bâtons verts représentent le déplacement du tissu par rapport à un instant donné, où un petit bout de tissu était sur une croix bleue (on suit point par point le déplacement), ça correspond à 20 minutes de déplacement.

Surtout, sur ces films on perçoit la nature matérielle des enroulements; les marquages fluorescents des poissons zèbres affectent la sensation matérielle de la masse (ça brille trop, sur un fond trop noir). Comprendre l'évolution des animaux, dans la lignée des vertébrés, c'est comprendre comment on change ces tourbillons en tirant dessus plus ou moins fort, comme le font les cellules, comprendre aussi comment les types cellulaires différents s'accordent avec les enroulements démentiels que l'on observe.

C'est ça la science en train de se faire. Et c'est le titre de ce billet, mais c’est en réalité la devise du Collège de France ; pourtant ce n’est pas là-bas que vous entendrez parler des travaux présentés à Nice, et en bien d’autres endroits, par de nombreux chercheurs. Pour les chercheurs du Collège (MM. P. Picq, A. Prochiantz), pour les darwiniens fondamentalistes américains ou anglais (PZ Myers, R. Dawkins), si on extrapole ce qu'ils disent sur les modèles physiques de morphogénèse : tout cela n’existe pas, et si ça existe, c’est créationniste (allusion à de précédents billets où je raconte comment A. Prochiantz, P. Picq ou PZ Myers commentent ce genre de recherches).

Le Club est l'espace de libre expression des abonnés de Mediapart. Ses contenus n'engagent pas la rédaction.