Embryogenèse et effets mécaniques

Attention ! Cette article a été modifié depuis l'écriture de ce message. La dernière version est à lire ici.

Bonjour à tous.

Je m'étais engagé à écrire un article plein de fautes pour les nouveaux validateurs, voilà chose faite. Même si je trouve qu'il n'y a pas tant de fautes que ça ici (il est court, ça aide).

Je vous propose aujourd'hui un article sur l'embryogenèse. L'idée ici est de parler des effets mécaniques dans l'évolution des embryons. Ce sujet n'est pas innocent. Les biologistes ont tendance à considérer que tous effet qu'ils observent proviennent de une ou plusieurs molécules, et que si deux espèces ont un caractère en commun, elles doivent aussi avoir un gène en commun (oh, le vilain stéréotype !). L'effet montrer ici est tout autre, puisque non seulement il existe pour une très large gamme d'organisme, mais surtout est mécanique.

C'est une autre approche de la biologie, où des objets comme la matrice cellulaire, la taille des cellules et ce genre de chose joue un rôle fondamentale. Il s'agit donc d'un article assez court, présentant un article de recherche, dans un but d'ouverture (la bio, c'est aussi…), fortement sourcé.

Je crains qu'il ne soit trop compliqué (ça reste de l’embryogenèse), ou bien pas assez détaillé. J'ai essayé de trouver un juste milieu, et demande maintenant votre avis.

En l'absence d'une vrai bêta pour les articles, je l'ai copié/collé ci-dessous, merci de votre compréhension.

Titre : [biologie][physique][embryon] Embryogenèse et effets mécaniques

Description : Origami d'embryon

Licence CC-BY

Comment fait-on les bébés ?

La question est bien connue, mais la réponse n'est pas facile. Surtout si on la reformule : « Partant d'un œuf¹¸ comment obtient-on un bébé ? ». Aux dernières nouvelles, un œuf, c'est plutôt rond et assez uniforme, ce qui n'est pas le cas d'un bébé !

Dans un premier temps, un œuf va se diviser en 2, puis 4, puis 8 cellules. À ce moment-là, une première différenciation va avoir lieu, une partie des cellules sera plus grosses que l'autre. Mais c'est toujours rond ! Pour casser cette forme, il va falloir qu'il y ait à un moment une action mécanique.

Embryogenèse d'un poulet

L'équipe de Vincent Fleury a décidé de se pencher sur les embryons de poulet. L'avantage, outre leur proximité avec les embryons humains, c'est qu'ils sont très plats. Or, travailler en 2D est plus facile que travailler en 3D (que ce soit pour faire des images ou de la modélisation). Ils ont remarqué qu'au deuxième jour, l'embryon se repliait sur lui-même pour donner une forme proche de celle définitive.

L'embryon est constitué de couches concentriques de cellules, dont la taille, et donc la rigidité, est différente. Cette différence de rigidité va induire un pliage suite à une pression² des cellules internes. C'est une expérience que vous pouvez facilement réaliser : lorsque vous tirez sur un objet souple (un vêtement par exemple), celui-ci va se déformer, créant creux et bosses. La présence d'une différence de rigidité dans notre embryon va induire un repliement particulier, typique chez les vertébrés (axe de haut en bas, qui constitue grosso modo la moelle épinière).

Les interactions mécaniques qui ont lieu au sein de l'amas de cellules modifie sa forme.

Une approche mécanique

L'approche ici diffère de celle plus habituelle en biologie. Il n'est pas question de génétique ou de chimie, mais de biologie. Bien sur, les pressions internes et les migrations de cellules ont des origines chimiques, mais le phénomène de repliement lui-même n'est pas dû à une molécule ou un gène, mais à une structure physique, une organisation de l'embryon. On peut reproduire ce genre de résultats sur des modèles simples, si bien que malgré des génomes différents, ce phénomène apparaît pour une grande gamme d'être vivant.

Plus généralement, on a découvert récemment que la mort cellulaire (l'apoptose) provoquait une augmentation local de la tension local. Ce genre de phénomène peut provoquer, là encore, des repliements. Certains modèles mathématiques prédisent des repliement suite à des changements de volume. Par exemple, la contraction d'une sphère provoque l'apparition de rides labyrinthiques (à la manière des empreintes digitales) à sa surface, sous certaines conditions.

Il s'agit d'une autre approche de la biologie, moins explorée que l'approche génétique. Dans certain cas, cette seconde est insuffisante, ou bien trop complexe, et une vision plus global et macroscopique permet de voir une unité dans des organismes a priori assez différents.

Source

Toutes les images proviennent de l'article de Vincent Fleury, Nicolas R. Chevalier, Fabien Furfaro, et Jean-Loup Duband.

L'article de V. Fleury, Buckling along boundaries of elastic contrast as a mechanism for early vertebrate morphogenesis. Communiqué de presse du CNRS. Article de Pour la science (aussi disponible dans le numéro d'avril 2015, rubrique Actualités). L'interview de M. Fleury, auteur de l'article, sur le site de l'université Paris Diderot. L'article sur le site du laboratoire Matière et Systèmes Complexes (MSC, rattaché à l'université Paris Diderot). L'article sur le site de L'Université Pierre et Marie Curie.

Très intéressant !

Au début, il y a une confusion entre rond et sphérique.

Plus généralement, je pense que ton tuto y gagnerait si tu expliquais un peu plus clairement ce dont l'action mécanique est responsable, et ce dont elle n'est pas responsable. En lisant le début du tuto, on pense que c'est grace à elle que l'embryon va obtenir sa forme définitive. Ensuite on se rend compte que ce n'est pas le cas (les repliements ne peuvent pas complètement l'expliquer), et, au moins dans mon cas, on se retrouve à la fin en se demandant quelle est la portée de cette idée, et ce qu'il reste à faire pour expliquer la forme définitive du nouveau né.

Yop,

j'adore le sujet ! Je serais malheureusement pas assez disponible pour contribuer mais je peux donner quelques remarques :

• pourquoi j'aime bien : parce que ça remet en cause les dogmes du développement fondés au début du XXè par Spemann : des cellules à des destins spécifiques, qui peuvent ensuite être reprogrammées / système d'induction. Le gros problème de la biologie est la création de dogmes qu'on considère comme immuables - donc interdiction à tout le monde de rechercher dans le sens contraire de ces dogmes puisque c'est forcément faux donc temps et argent de perdu.
• ça rappelle qu'on a tout plein d'effets nécessaires au développement en plus d'un simple système d'induction moléculaire et ça explique des formes stéréotypées ; y'a des organes, des membres qui ont cette forme là parce qu'au cours du développement y'a eu telles ou telles contraintes qui ont imposé cette forme globale.
• un exemple que je trouve marrant, c'est la peau des crocodiles. Les craqures de la peau c'est des tensions mécaniques qui se résolvent pas des microlésions qui se creusent au cours du temps. Fun fact mais ça illustre le fait que tout n'est pas contrôlée par des gènes - et aussi que chaque cas est un peu unique en son genre.
• remettre en perspective la conclusion : même si ça explique des formes et que ça ouvre des nouvelles portes, c'est pas pour autant la solution miracle qui remet tout ce qu'on sait en cause. Y'a d'autres origines pour la forme, des divisions asymétriques des cellules, des migrations cellulaires, des rythmes de division différents, ce genre de choses. Inutile de détailler c'est pas le sujet mais ne pas trop ériger les contraintes mécaniques comme la source de tout pour autant.
• à propos de ne pas trop remettre en cause le système génétique, les gènes du développement sont quand même assez bien conservés : l'exemple cas d'école des gènes Hox, les protéines qui appartiennent tous à la même famille - sauf que le nom ne l'indique pas parce qu'elles ont été nommées pour chaque organisme dans lesquelles elles ont été retrouvées avant qu'on montre qu'elles sont homologues, type les beta-caténines, les voies classiques Wnt, Hedgehog, et cie, je vais te (re)faire un cours d'embryogenèse. Encore une fois ça ne peut relever juste que de la remarque en conclusion.
• fun fact 2 : quasiment tous les vertébrés ont le même patron de développement au départ, c'est dans la suite, après le stade où on ressemble tous à un têtard que les différences interespèces se creusent. Il me manque une source pour ça mais c'est de mémoire d'un de mes cours. Ca permet de justifier le fait que ça se généralise à davantage que le poulet.
• fun fact 3 : l'utilisation des embryons de poulets c'est aussi que c'est super facile d'y accéder, la technique est connue depuis le début du siècle dernier - on s'en fout un peu mais tant qu'à faire autant expliquer pourquoi en bio c'est toujours les mêmes bébêtes qui passent sur la table à dissection
• Je serais assez partisan, avant de commencer la description de la manip', d'expliquer pourquoi ils l'ont fait. Pas juste pour le plaisir malsain de découper des embryons de poulets, mais que la recherche de gènes qui contrôlent les formes qu'on peut observer est assez limitée et que pour certains faits on sait que c'est l'action de différentes forces qui va contraindre le développement. Une expérience = une question à laquelle répondre avant tout. En gros rajouter ton baratin de pourquoi tu voulais rédiger l'article, pourquoi les gènes ne suffisent plus ?
• Je verrais bien juste une explication, grosso modo, de l'étape que tu décris, la neurulation (enfin si je ne me suis pas trompé dans l'analyse de la vidéo et des photos !). Juste une description sommaire, un schéma type Wikipédia en coupe transversale pour montrer ce qui se passe.

Plop,

Oui, en effet, je rejoins l'opinion de mon VDD surtout pour l'avant-dernier point (pour le fun fact 3, bof, c'est pas spécialement intéressant. En note de bas de page à la limite). Mais pour un premier jet, c'est vraiment pas mal. A la limite, essaye de voir si tu peux interviewer V. Fleury. Ce serait plutôt pas mal pour l'article.

HS :

C'est un article.

pourquoi j'aime bien : parce que ça remet en cause les dogmes du développement fondés au début du XXè par Spemann : des cellules à des destins spécifiques, qui peuvent ensuite être reprogrammées / système d'induction. Le gros problème de la biologie est la création de dogmes qu'on considère comme immuables - donc interdiction à tout le monde de rechercher dans le sens contraire de ces dogmes puisque c'est forcément faux donc temps et argent de perdu.

M'oui… Ce n'est pas le premier travail allant dans ce sens et tu en auras toujours pour penser différemment, s'abstraire de la théorie couramment admise. C'est l'essence même de la recherche. Il y a quand même une certaine différence entre la notion de "dogme" et celle de "théorie couramment admise". Il est effectivement difficile de s'abstraire de ces théories couramment admises (et pas qu'en biologie) mais tu ne seras pas jeté au bûcher pour avoir pensé différemment surtout si les résultats sont intéressants (et le mode d'analyse respectueux des règles de rigueur). Et ça, c'est en partie dû à certaines personnes qui au fil du temps et en "prônant" cette volonté d'abstraction, ont enjolivé voire créer des résultats de toute pièce (soit pour obtenir une reconnaissance ou des crédits ou autres) et il y a eu quelques cas. Bref, la faute n'est pas toujours à chercher du coté de cette fameuse "théorie couramment admise" mais aussi de ces petits malins.

J'ai mis en bêta très tôt car je ne savais pas vraiment par où partir, ni s'il avait un public intéressé par une approche inhabituelle de l'embryogenèse. Dans, avant de répondre plus précisément, merci de vos retours, ça m'aide beaucoup !

@Rockaround:

Pour la forme original, je dois effectivement reprendre. Si j'ai bien compris, les souris et les mouches, c'est sphérique, les humain et les poulet, c'est plat et rond.

La mécanique est l'un des facteurs de dissymétrie de l'embryon. C'est de la recherche récente, et je ne crois pas que la portée des phénomène de pression soit connu. Ça fait un moment qu'on sait que ça joue, on a découvert ici un mouvement important clairement dû à la pression. Le reste, on ne sait pas encore. Je dois mettre une petite phrase pour le dire : on ne sait pas encore.

@Goeland-croquant:

La remise en cause du dogme, même si je ne l'ai pas écrit comme ça (je parle « d'ouverture »), c'est un peu ce que j'ai dans l'idée.

Si j'érige les contraintes mécaniques comme source, c'est que je me suis planté dans l'écriture. En effet, ces contraintes viennent bien de quelque part. Ici, c'est une différence de taille de cellule. Cette différence n'est, pour autant que l'on le sache, pas un phénomène physique. C'est des aller-retour chimie (donc génétique, puisque les éléments chimique sont souvent les protéines crées selon le plan génétique) et physique. L'un, seul, n'explique pas l’embryogenèse. Mon but est de dire « ça joue aussi ». Ce n'est pas l'idée qui ressort, donc réécriture !

Pour le poulet, ils disent que c'est plus simple que la mouche de par la forme. Je ne suis pas allé plus loin. Pour les crocos, ça me fait penser à des effets non-linéaires, très fréquent en biologie. Mais je ne suis pas super au point là dessus…

Pour l'avant dernier point, je vais fouiller. En effet, le monsieur travaille sur l’influence de la pression sur les embryons depuis une dizaine d'année. Je ne suis pas sûre qu'on soit bien dans le « une expérience = une question » ici. Je fais essayer de trouver ça dans son article.

Ça correspond effectivement à la neurulation. Mais j'ai dû aller voir ce que ça voulait dire. Autant l'approche choisie me parle (échelle macro., phénomène émergent, influence de la forme), autant je ne connais vraiment pas grand chose en embryogenèse. Je dois reconnaître qu'il me manque l'un des points de vue ici.

@Arius: Pour l'interview, le problème, c'est que je suis en stage dans le même labo, et que je n'ai pas trop envie qu'on sache ce que je fais sur internet. Et puis, les interviews, c'est pas mon truc.

Yep, je comprends.

Mise à jour ! Le premier message renvoie vers celui-ci, mais la version du premier message n'a pas été modifiée.

J'ai repris afin de tenir compte des commentaires. Difficile de lister les choses modifiées, puisque la conclusion a été entièrement réécrite, que l'intro et le corps ont subis quelques modification pas vraiment cosmétique. L'idée, comme précédemment, n'est pas d'aller trop loin (c'est assez spécifique, l'embryogenèse), ni de faire croire que cette approche va répondre à toute les questions que l'on se posait.

Voici :

Comment fait-on les bébés ?

La question est bien connue, mais la réponse n'est pas facile. Surtout si on la reformule : « Partant d'un œuf¹, comment obtient-on un bébé ? ». Un œuf, c'est plus ou moins sphérique, ce qui n'est pas le cas d'un bébé !

Dans un premier temps, un œuf va se diviser. On observe alors une première différenciation, une partie des cellules sera plus grosse que l'autre. Mais c'est toujours une boule ! Une manière de comprendre comment cette forme se casse est de faire une analyse mécanique.

Notez qu'il s'agit d'une présentation d'un travail de recherche récent. Non seulement l'article en question date du début de l'année, mais l'approche, visant à un angle mécanique plutôt que chimique, ne date que de quelques années. Notez aussi que l'on ne va s'intéresser qu'à une toute petite partie de l'embryogenèse, à savoir le moment où l'on passe d'un amas de cellules organisé mais plat à celui d'un proto-animal à 3 dimensions.

Embryogenèse d'un poulet

L'équipe de Vincent Fleury a décidé de se pencher sur les embryons de poulet. L'avantage, outre leur proximité avec les embryons humains, c'est qu'ils sont très plats, et que les techniques d'observation sont bien connus. Or, travailler en 2D est plus facile que travailler en 3D (que ce soit pour faire des images ou de la modélisation). Les résultats présentés ici concernent les premières étapes du développement, et ils sont a priori généralisables aux vertébrés.

L'équipe de M. Fleury a remarqué qu'au deuxième jour, l'embryon se repliait sur lui-même pour donner une forme proche de celle définitive. La question ici est de savoir comment ce repliement s'effectue.

Pour ceux qui connaissent un peu l'embryogenèse, le stade juste avant est la gastrula, où l'embryon est plat, constitué de quelques milliers de cellules, et le final est le début de la neurulation, c'est-à-dire de la formation du système nerveux.

L'embryon, plat, est constitué de couches concentriques de cellules, dont la taille, et donc la rigidité, est différente. Cette différence de rigidité va induire un pliage suite à une pression² des cellules internes. C'est une expérience que vous pouvez facilement réaliser : lorsque vous tirez sur un objet souple (un vêtement par exemple), celui-ci va se déformer, créant creux et bosses. La présence d'une différence de rigidité dans notre embryon va induire un repliement particulier, typique chez les vertébrés (axe de haut en bas, qui constitue grosso modo la moelle épinière).

Les interactions mécaniques qui ont lieu au sein de l'amas de cellules modifie sa forme et provoque un repliement de celui-ci, à la manière de l’expérience ci-dessus.

Une approche mécanique

L'approche ici diffère de l'approche chimique, plus habituelle en biologie. On s’intéresse ici à la manière dont la taille et l’agencement des cellules influe sur la forme de l'embryon. Bien sûre, la taille des cellules est dû à leur division, et la mécanique seul n'explique pas la formation de l'embryon. Le but est ici d'ajouter un outil simple, la mécanique, pour expliquer une forme complexe et assez universel chez les vertébrés.

Plus généralement, on³ a découvert récemment que la mort cellulaire (l'apoptose) provoquait une augmentation locale de la tension local. Ce genre de phénomène aurait une influence sur la formation des embryons via leur influence mécanique. Certains modèles mathématiques prédisent des repliements suite à des changements de volume. Par exemple, la contraction d'une sphère provoque l'apparition de rides labyrinthiques (à la manière des empreintes digitales) à sa surface, sous certaines conditions. On a là quelques phénomènes où l'on s'attend à trouver une influence mécanique.

Il s'agit d'une autre approche de la biologie, moins explorée que l'approche génétique. Rappelons encore que cette approche est complémentaire. Les tensions présentes au sein de l'embryon proviennent bien de mécanismes cellulaires, et l'approche mécanique permet d'expliquer les formes observées sans pour autant avoir une connaissance précises des phénomènes sous-jacent. Phénomènes biologiques et mécaniques s’influeraient ainsi l'un et l'autre.

Source

Toutes les images proviennent de l'article de Vincent Fleury, Nicolas R. Chevalier, Fabien Furfaro, et Jean-Loup Duband.

L'article de V. Fleury, Buckling along boundaries of elastic contrast as a mechanism for early vertebrate morphogenesis.

Communiqué de presse du CNRS.

L'interview de M. Fleury, auteur de l'article, sur le site de l'université Paris Diderot.

Article de Pour la science (aussi disponible dans le numéro d'avril 2015, rubrique Actualités).

L'article sur le site du laboratoire Matière et Systèmes Complexes (MSC, rattaché à l'université Paris Diderot). L'article sur le site de L'Université Pierre et Marie Curie.

Bonjour à tous, l'article est parti en validation. La version est grosso modo celle au dessus, les fautes de français en moins.

Encore merci !

Version en validation :

Comment fait-on les bébés ?

La question est bien connue, mais la réponse n'est pas facile. Surtout si on la reformule ainsi : « Partant d'un œuf¹, comment obtient-on un bébé ? ». Un œuf, c'est plus ou moins sphérique, ce qui n'est pas le cas d'un bébé !

Dans un premier temps, un œuf va se diviser. On observe alors une première différenciation, une partie des cellules sera plus grosse que l'autre. Mais c'est toujours une boule ! Une manière de comprendre comment cette forme se casse est de faire une analyse mécanique.

Notez qu'il s'agit d'une présentation d'un travail de recherche récent. Non seulement l'article en question date du début de l'année, mais l'approche, visant à un angle mécanique plutôt que chimique, ne date que de quelques années. Notez aussi que l'on ne va s'intéresser qu'à une toute petite partie de l'embryogenèse, à savoir le moment où l'on passe d'un amas de cellules organisés mais plat à celui d'un proto-animal en 3 dimensions.

Embryogenèse d'un poulet

L'équipe de Vincent Fleury² a décidé de se pencher sur les embryons de poulet. L'avantage, outre leur proximité avec les embryons humains, c'est qu'ils sont très plats, et que les techniques d'observation sont bien connus. De plus, travailler en 2D est plus facile que travailler en 3D (que ce soit pour faire des images ou de la modélisation). Les résultats présentés ici concernent les premières étapes du développement, et ils sont a priori généralisables aux vertébrés.

L'équipe de M. Fleury a remarqué qu'au deuxième jour, l'embryon se repliait sur lui-même pour donner une forme proche de celle définitive. La question ici est de savoir comment ce repliement s'effectue.

Pour ceux qui connaissent un peu l'embryogenèse, le stade juste avant est la gastrula, où l'embryon est plat, constitué de quelques milliers de cellules, et le stade final est le début de la neurulation, c'est-à-dire de la formation du système nerveux.

L'embryon est constitué de couches concentriques de cellules ; la taille des cellules, et donc leur rigidité, diffère selon les couches. Cette différence de rigidité va induire un pliage suite à une pression³ des cellules internes. C'est une expérience que vous pouvez facilement réaliser : lorsque vous tirez sur un objet souple (un vêtement par exemple), celui-ci va se déformer, créant creux et bosses. La présence d'une différence de rigidité dans notre embryon va induire un repliement particulier, typique chez les vertébrés (axe de haut en bas, qui constitue grosso modo la moelle épinière).

Les interactions mécaniques qui ont lieu au sein de l'amas de cellules modifie sa forme et provoque un repliement de celui-ci, à la manière de l’expérience ci-dessus.

Une approche mécanique

L'approche ici diffère de l'approche chimique, plus habituelle en biologie. On s’intéresse ici à la manière dont la taille et l’agencement des cellules influe sur la forme de l'embryon. Bien sûr, la taille des cellules est dû à leur division, et la mécanique seule n'explique pas la formation de l'embryon. Le but est ici d'ajouter un outil simple, la mécanique, pour expliquer une forme complexe et assez universel chez les vertébrés.

Plus généralement, l'équipe de Magali Suzanne⁴ a découvert récemment que la mort cellulaire (l'apoptose) provoquait une augmentation locale de la tension local. Ce genre de phénomène aurait une influence sur la formation des embryons via leur influence mécanique. Certains modèles mathématiques prédisent des repliements suite à des changements de volume. Par exemple, la contraction d'une sphère provoque l'apparition de rides labyrinthiques (à la manière des empreintes digitales) à sa surface, sous certaines conditions. On a là quelques phénomènes où l'on s'attend à trouver une influence mécanique.

Il s'agit d'une autre approche de la biologie, moins explorée que l'approche génétique. Rappelons encore que cette approche est complémentaire. Les tensions présentes au sein de l'embryon proviennent bien de mécanismes cellulaires, et l'approche mécanique ne permet que d'expliquer les formes observées, sans apporter d'informations sur les phénomènes sous-jacent. Phénomènes biologiques et mécaniques s’influencent ainsi l'un et l'autre.

Source

Toutes les images proviennent de l'article de Vincent Fleury, Nicolas R. Chevalier, Fabien Furfaro, et Jean-Loup Duband.

L'article de V. Fleury, Buckling along boundaries of elastic contrast as a mechanism for early vertebrate morphogenesis.

Communiqué de presse du CNRS.

L'interview de M. Fleury, auteur de l'article, sur le site de l'université Paris Diderot.

Article de Pour la science (aussi disponible dans le numéro d'avril 2015, rubrique Actualités).

L'article sur le site du laboratoire Matière et Systèmes Complexes (MSC, rattaché à l'université Paris Diderot). L'article sur le site de L'Université Pierre et Marie Curie.

Je vais essayer de m'en occuper le plus rapidement possible (un peu charrette en ce moment), à moins qu'un autre staffeux décide de prendre l'article en charge.

PS : J'ai corrigé les tags (ajouté celui de physique) et renvoyé en validation.

Alors, question bête : les tags des articles, ce n'est pas en mettant [tag1][tag2] dans le titre (comme sur le forum) ? Parce que j'avais mis [physique] et [biologie]…

Nope

Si je peux me permettre une remarque inutile - donc absolument indispensable - il faut écrire Vertébrés, les noms d'espèces, de classification, … en bio prennent une majuscule.