Licence CC BY

Embryogenèse et effets mécaniques

Origami d'embryon

Publié :
Auteur :
Catégories :

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 organisées mais plat à celui d'un proto-animal en 3 dimensions.


  1. Œuf est ici à prendre au sens « Ovule fécondé par un spermatozoïde ». 

Embryogenèse d'un poulet

L'équipe de Vincent Fleury1 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 connues. 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.

Repliement de l'embryon de poulet au deuxième jour.

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 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).

Le repliement, version simplifiée. On étire ici un ruban de caoutchouc sur lequel un papier est collé. À gauche, l'étirement provoque l'apparition de bandes autour du papier. À droite, un repliement initial est propagé par l'étirement.

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


  1. Laboratoire Matière et Systèmes Complexes, CNRS/Université Paris Diderot. 

  2. La pression des cellules internes viendrait par exemple de la migration vers l’extérieur de celle-ci. 

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 influent sur la forme de l'embryon. Bien sûr, la taille des cellules est due 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 universelle chez les Vertébrés.

Plus généralement, l'équipe de Magali Suzanne1 a découvert récemment que la mort cellulaire (l'apoptose) provoquait une augmentation de la tension locale. 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-jacents. Phénomènes biologiques et mécaniques s’influencent ainsi l'un et l'autre.


  1. Laboratoire de biologie cellulaire et moléculaire du contrôle de la prolifération, CNRS/Université de Toulouse. Vous pouvez lire un communiqué du CNRS pour en savoir plus sur ce phénomène. 

Sources

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.


24 commentaires

J'aimerais reprendre la terminologie suivante "Oeuf est à prendre au sens ovule fécondé par un spermatozoïde" Je croyais qu'une ovule était un ovocyte II fécondé justement…

Comment ça se passe ? Il devrait-être écrit : Oeuf est à prendre au sens d'ovule?

Нова Проспект

+0 -0
Staff

Pour les liens, à part celui vers l'article, il s'agit de communiqué de presse, donc lisibles et axés vers le grand public, n'hésitez pas à les lire !

@Blackline: Un œuf est un ovocyte femelle fécondé par un gamète mâle.

En cherchant, j'ai effectivement lu que les ovocytes II (des « pré-ovule », si j'ai bien compris) se transforment en ovule après la fécondation. Le terme œuf étant valide, je propose de laisser tel quelle pour éviter de devoir définir ovocyte II. ^^ Tout le monde a une idée approximative de ce qu'est un ovule.

Édité

Hier, dans le parc, j'ai vu une petite vieille entourée de dinosaures aviens. Je donne pas cher de sa peau.

+0 -0
Staff

Coucou,

Je suis étonné de ce que je viens de lire … Je m'attendais pas à retrouver des questions aussi intéressantes d'un point de vue mathématique. Merci pour ce moment (:D).

D'ailleurs ça produit une question en moi :

Est-ce qu'il y a des éléments montrant que le passage de la 2D à 3D est légitime ?

Les dynamiques (d'équa diff) du plan et de l'espace sont qualitativement différentes. Je serais pas étonné que beaucoup de mécanismes mis en jeu soient indépendants de ces différences mais n'empêche que c'est une question qui me semble centrale.

Édité

Ce n’est pas en répétant « Hom, Hom », qu’on démontre des théorèmes sérieux - Siegel Mon Twitter

+0 -0

Génial ! Enfin un peu de mécanique dans le domaine corporel. J'ai lu les articles complémentaires et … génial ! :D

J'y retrouve aussi une grande similitude avec les arts martiaux interne, où on joue beaucoup sur ce principe d'étirement sur l'axe. Ainsi que sur notre conception et ressentie du corps qui passe de la 2D à la 3D, gagnant ainsi en substance…

La vidéo est saisissante. De toute beauté. Merci pour cet article :)

Cours de dessin : MaxRoyo.com

+0 -0
Staff

@Holosmos : Je vais répondre sérieusement (!). Le domaine des « systèmes complexes » est un domaine très mathématisé de la physique (avec les chaines de Markov ou les équations stochastiques, par exemple). Les maths sont bien souvent mises sous le tapis (on ne peut pas tout faire !), mais je sais que les sujets sur lesquels on – car j'en suis– travaille intéresse aussi, avec d'autres approches, les matheux ou les biologistes (voire les gens de sciences humaines dans certains cas).

Je dois reconnaitre que je connais très mal le point de vue mathématique associé, mais c'est effectivement fortement multi-disciplinaire.

Pour la 2D/3D, je vais d'abord citer M. Fleury :

To address this question we chose to study the chicken embryo because it is initially almost flat. The first 3D morphogenetic events will therefore obviously consist in forming “folds” on an almost 2D soft plate. These are easier to follow than for frog or fish development where the initial blastula configuration is already 3D.

M. FLeury et al, introduction

Soit traduit approximativement : « Pour répondre à cette question, nous avons décidé de travailler avec des embryons de poulet car ils sont à l'origine quasiement plat. Le 1er évènement ayant lieu en 3 dimensions est donc bien évidemment la création de « repliements » sur toute la surface plate. Il est plus facile de suivre cela (ce phénomène sur les embryons de poulet) plutôt que les embryons de grenouilles ou poissons dont la configuration de blastula est déjà en 3 dimensions. »

De ce que je sais, les embryons sont toujours plus ou moins plat (c'est-à-dire pas épais) à ce stade. Ceux de poulet sont plats et sur un plan, d'où le coté 2D.

Le fait de passer de 2 à 3 dimensions suite à l'action d'une force (que ce soit ici, ou comme dans le cas de la contraction d'une sphère) consistent en des problèmes encore mal connu. Donc, est-ce légitime ? Les biologiste nous disent que c'est à peu près pareil pour tout les Vertébrés, ce qui est une réponse qui n'est absolument pas convaincante. :D

C'est tout le problème de faire un article de vulgarisation sur un sujet de recherche, on ne peut pas répondre aux questions ! ^^

@MaxRoyo : Enfin, comme tu le dis. ^^ L'idée de regarder aussi les contraintes mécanique a mis du temps à se faire une place.

N'oubliez pas de vous renseignez sur ce que font vos voisins, ça pourrait vous donner des idée !

Hier, dans le parc, j'ai vu une petite vieille entourée de dinosaures aviens. Je donne pas cher de sa peau.

+0 -0

Et c'est bien dommage quand on voit les dégâts dans certains domaines. Comme les Hallux Valgus, c'est génétique, c'est la vieillesse, tiens prends des anti-douleurs. Alors qu'un des responsables est une mauvaise posture qui vient appuyer sur le gros orteil, écrasant la voute plantage. Bah à la longue, ça fait mal, ça frotte, ça s'inflamme et ça se déforme.

Ou encore, un médecin qui donne à un de mes élèves des antibiotiques car il a une douleur à l'intérieur de l'oreille (mais le médecin n'explique pas d'où ça vient) (mais lui donne des antibiotiques quand même…). Alors qu'en mimant la posture de l'élève, j'ai senti que les déséquilibres posturaux me tiraient l'oreille au niveau du tympan… Pas étonnant qu'à la longue cela devienne douloureux.

De la bonne veille mécanique, c'est trop simple pour qu'on daigne y porter son intérêt ??? :P

Cours de dessin : MaxRoyo.com

+1 -0
Staff

Si je comprends bien tu confirmes mes doutes (le fait que ça se joue sur un plan ou dans l'espace est passé sous le tapis).

La justification de M. Fleury me plait moyen. Recoller les côtés opposés un carré pour faire un tore donne deux dynamiques (tore/plan) très différentes par la suite.

Ce n’est pas en répétant « Hom, Hom », qu’on démontre des théorèmes sérieux - Siegel Mon Twitter

+0 -0
Staff

La justification de M. Fleury me plait moyen.

Attention, il dis pourquoi il utilise des embryons de poulet plutôt que de grenouille. Il ne justifie pour ainsi dire pas que ce résultat est valable pour les embryons non plats. Ça devrait l'être, car on parle d'organismes proches (ceci n'est PAS une justification mathématiques, mais on peut avoir une présomption de par nos connaissance biologique).

Sinon, pour le tore/plan, la différence est ici plus faible : plaque ou plaque ondulée. Mais je suis d'accord, ça peut fortement changer les résultats. Par exemple, sur la 2ème de l'article (celui-ci, sur ZdS), l’existence ou non d'un léger repliement initial modifie considérablement le résultat final, soit des bosses autour de la feuille rigide, soit un recouvrement complet. On n'insistera jamais assez sur l'importance des conditions initiales.

Il s'agit de domaine actif de recherche, et à n'en pas douter on aura dans quelques années un article qui nous dira ce qui se passe en fonction de la géomètrie initial (pour peu que ce soit soluble, bien sûr :-° ).

Hier, dans le parc, j'ai vu une petite vieille entourée de dinosaures aviens. Je donne pas cher de sa peau.

+0 -0
Staff

Attention, il dis pourquoi il utilise des embryons de poulet plutôt que de grenouille. Il ne justifie pour ainsi dire pas que ce résultat est valable pour les embryons non plats. Ça devrait l'être, car on parle d'organismes proches (ceci n'est PAS une justification mathématiques, mais on peut avoir une présomption de par nos connaissance biologique).

Gabbro

T'aurais du garder le contexte dans ton message précédent :p. Je pensais bêtement que quelqu'un lui avait posé la même question et qu'il avait répondu ça !

Sinon merci pour ces réponses :-)

Ce n’est pas en répétant « Hom, Hom », qu’on démontre des théorèmes sérieux - Siegel Mon Twitter

+1 -0
Staff

Salut,

pour la question du passage de la dimension 2 à la dimension 3, ça n'a pas de raison de poser problème. Fondamentalement, c'est de la mécanique des milieux continus (ce qui explique aussi le développement tardif de ces théories, va résoudre ça avec un minitel :D ), les équations s'écrivent indépendamment du nombre de dimensions spatiales de ton système physique. Donc même si tu gagnes un degré de liberté (m'enfin, tu changes même pas le nombre de tes variables qui reste indénombrable), ce qui se passe en 2D peut se passer en 3D (l'inverse n'est pas contre pas vrai).

Donc étudier un système 2D pour avoir des indices sur ce qui se passe en 3D, ça n'a rien de délirant ou de pas rigoureux. Par contre, il faut tenir compte du fait que des phénomènes supplémentaires peuvent s'ajouter en 3D, ce qui nécessite bien évidemment ds études supplémentaires.

I don't mind that you think slowly, but I do mind that you are publishing faster. – W. Pauli

+0 -0
Staff

Bien sûr. Mais ce sont justement ces phénomènes supplémentaires qui pourraient tuer tout ce qui a été fait.

Vraiment ce qui me vient à l'esprit c'est le bête théorème de point fixe de Brouwer-Poincaré. C'est le genre de choses qui pourraient être utiliser en 2D (à très juste titre) mais qui plomberait tout passage en 3D.

Ce n’est pas en répétant « Hom, Hom », qu’on démontre des théorèmes sérieux - Siegel Mon Twitter

+0 -0
Staff

Ben d'une part, généraliser Brouwer Poincaré à un nombre quelconque de dimensions, c'est parfaitement possible (donc je ne comprends pas le problème), ensuite, il faut être un peu réaliste sur deux points :

  • ces théorèmes bien gentils ne servent souvent pas à grand chose lorsqu'on étudie un système réel, savoir qu'il existe un point fixe, on s'en fout un peu (et d'ailleurs, on le sait déjà, suffit de mettre tous les champs de contrainte et de vitesse à 0 et tu as ton point fixe), ce qu'on veut c'est connaître l'évolution temporelle du système, et là, les maths ne sont d'aucun secours direct, on passe par de la discrétisation (typiquement ici, ça doit être des éléments finis), et on approche les solutions ;
  • si quand tu regardes un phénomène, il se passe à peu près de la même manière en 2D qu'en 3D (le développement du poulet n'est pas fondamentalement différent de celui de l'homme), tu sais à l'avance que les phénomènes ajoutés par la troisième dimension ne viennent pas tuer tout ce qui se passe déjà en 2D, donc ne pas s'embêter tout de suite avec la 3D est un bon moyen de faire avancer le schmilblick.

Édité

I don't mind that you think slowly, but I do mind that you are publishing faster. – W. Pauli

+0 -0
Staff

Ben d'une part, généraliser Brouwer Poincaré à un nombre quelconque de dimensions, c'est parfaitement possible (donc je ne comprends pas le problème)

@dri1

Bah c'est surtout que t'arrives avec des hypothèses beaucoup, beaucoup plus fortes en version 3D.

Par exemple ça marche plus avec les champs de vecteurs sur un tore. Alors que c'est pas un objet dingue.

  • si quand tu regardes un phénomène, il se passe à peu près de la même manière en 2D qu'en 3D (le développement du poulet n'est pas fondamentalement différent de celui de l'homme), tu sais à l'avance que les phénomènes ajoutés par la troisième dimension ne viennent pas tuer tout ce qui se passe déjà en 2D, donc ne pas s'embêter tout de suite avec la 3D est un bon moyen de faire avancer le schmilblick.

@dri1

C'est ce que je disais plus haut. Je pense aussi qu'il doit y avoir des outils généraux qui font tout en même temps. Mais là de ce que je lis, ça se fait en 2D (en grosse partie), et donc avec des outils de 2D.

Tous les moyens ne se valent pas, moi ce qui m'intéresse c'est pas tellement le résultat (honnêtement je m'en balance de la formation d'un embryon) ce qui m'intéresse, et certainement ce qui intéresse la majorité des gens qui travaillent dedans j'imagine, c'est de savoir pourquoi ça se passe de telle ou telle manière.

  • ces théorèmes bien gentils ne servent souvent pas à grand chose lorsqu'on étudie un système réel, savoir qu'il existe un point fixe, on s'en fout un peu (et d'ailleurs, on le sait déjà, suffit de mettre tous les champs de contrainte et de vitesse à 0 et tu as ton point fixe), ce qu'on veut c'est connaître l'évolution temporelle du système, et là, les maths ne sont d'aucun secours direct, on passe par de la discrétisation (typiquement ici, ça doit être des éléments finis), et on approche les solutions ;

@dri1

Je connais pas le domaine de recherche, j'ose pas dire ce qu'ils font. L'exemple du point fixe était un exemple disant pourquoi les outils 2D sont pas toujours généralisable à 3D.

Ce n’est pas en répétant « Hom, Hom », qu’on démontre des théorèmes sérieux - Siegel Mon Twitter

+0 -0
Staff

En fait, je ne comprends absolument pas ce qui te pose problème dans le raisonnement effectué dans l'étude citée dans cet article. On voit (par observation) que physiquement, ça se passe grosso-modo de la même manière en 2D et en 3D. Comme les calculs sont moins lourds (mais fondamentalement, les outils et les maths sont strictement les mêmes), on va pas s'embêter à faire de suite de la 3D, on regarde déjà comment ça se passe en 2D pour avoir une idée générale du phénomène…

I don't mind that you think slowly, but I do mind that you are publishing faster. – W. Pauli

+0 -0
Staff

Ah mais je dis pas que y a une faute de raisonnement. J'ai juste posé une question sur la manière dont ils pourront passer à la 3D.

Tu vois bien qu'une étude en 2D c'est pas comme en 3D. Il y a des exemples de résultats qui ne se généralisent pas directement (il faut parfois changer fondamentalement les hypothèses). Je trouve pas ça aberrant de se demander à quelle distance ces scientifiques sont des résultats en 3D.

Je connais pas les outils utilisés dans les papiers. Ma question sert aussi à ça, à savoir s'ils ont été choisis en partie pour ce que j'ai dit plus haut.

Regarder en 2D pour avoir une intuition de la 3D n'est pas critiquable et j'ose pas le faire. C'est triste que tu penses ça de moi …

Ce n’est pas en répétant « Hom, Hom », qu’on démontre des théorèmes sérieux - Siegel Mon Twitter

+0 -0
Staff

Je sais pas si ça a déjà été relevé (j'ai pas lu les commentaires), mais j'ai vu une petite faute d'accord : "les techniques d'observation sont bien connus" > "bien connues".

+0 -0

Pour les liens, à part celui vers l'article, il s'agit de communiqué de presse, donc lisibles et axés vers le grand public, n'hésitez pas à les lire !

@Blackline: Un œuf est un ovocyte femelle fécondé par un gamète mâle.

En cherchant, j'ai effectivement lu que les ovocytes II (des « pré-ovule », si j'ai bien compris) se transforment en ovule après la fécondation. Le terme œuf étant valide, je propose de laisser tel quelle pour éviter de devoir définir ovocyte II. ^^ Tout le monde a une idée approximative de ce qu'est un ovule.

Gabbro

Tu ne m'as pas compris, le terme oeuf me vas, mais le Terme ovule que t'as mis est du coups redondant. Tu dis ovule fécondé. Sauf que c'est l'ovocyte II qu'est fécondé^^

Édité

Нова Проспект

+0 -0
Staff

Ok, je vois mieux.

Par contre, je suis gêné. Si je défini œuf, ce n'est pas pour sortir ovcyte II. D'un point de vue vulgarisation, ce serait stupide. Tel quel, c'est faux. Mais si je mets juste ovule, je pense que les gens ne vont pas comprendre. Pour l'immense majorité des gens (y compris moi avant ton message :) ), un ovule est l'équivalent femelle du spermatozoïde, et quand les deux se rencontrent, ça fait un bébé embryon.

Si tu as une manière simple, lisible et juste, ce sera avec plaisir ; en l'état actuel des choses, je ne vois pas de solution pour être plus juste/précis.

Hier, dans le parc, j'ai vu une petite vieille entourée de dinosaures aviens. Je donne pas cher de sa peau.

+1 -0
Staff

Tu peux peut-être faire une note de note de bas de page pour préciser ? Ou introduire le concept de gamètes femelles/mâle…

Édité

+0 -0

Ok, je vois mieux.

Par contre, je suis gêné. Si je défini œuf, ce n'est pas pour sortir ovcyte II. D'un point de vue vulgarisation, ce serait stupide. Tel quel, c'est faux. Mais si je mets juste ovule, je pense que les gens ne vont pas comprendre. Pour l'immense majorité des gens (y compris moi avant ton message :) ), un ovule est l'équivalent femelle du spermatozoïde, et quand les deux se rencontrent, ça fait un bébé embryon.

Si tu as une manière simple, lisible et juste, ce sera avec plaisir ; en l'état actuel des choses, je ne vois pas de solution pour être plus juste/précis.

Gabbro

Je suis d'accord avec toi cela peut paraitre un peu "Chaud" de redéfinir un mot si utilisé à mauvais escient ^^. Avec un schéma simple on pourrait en tirer quelque chose de didactique. Mais ce n'est clairement pas une obligation sachant que ton sujet ne traite pas spécifiquement de ce qui se passe avant l'embryogenèse. Cela aurait sa place dans un chapitre menstruation/fécondité.

Je suis content de t'avoir appris ça lol, de vieux cours de biologie qui me restent en tête :). Au fait j'aime beaucoup ton article !

Нова Проспект

+0 -0
Vous devez être connecté pour pouvoir poster un message.
Connexion

Pas encore inscrit ?

Créez un compte en une minute pour profiter pleinement de toutes les fonctionnalités de Zeste de Savoir. Ici, tout est gratuit et sans publicité.
Créer un compte