Introduction

La question des origines passionne.

Origine de l’univers, origine de la vie, origine de l’homme, nous voudrions tout savoir. Cependant, les scientifiques se font un malin plaisir à repousser indéfiniment les réponses, sur le mode : « Chaque réponse apporte autant de questions » (sinon plus). La recherche serait cet interminable chemin que, tel Sisyphe, nous gravirions de génération en génération en une quête sans fin, qui serait à elle seule l’honneur du genre humain. Et, d’ailleurs, ce point de vue a pris de telles proportions qu’on ne peut plus se présenter avec des réponses sans passer pour arrogant.

A contrario, nous vivons une époque où un sentiment de « fin de l’histoire » se répand. L’accélération des techniques, l’immédiateté de la communication, l’éternel retour des mêmes problèmes donnent une impression d’épuisement des sociétés, d’essoufflement du projet humain, de course vers l’abîme.

Ce livre a pour objet, sinon pour mission, d’apporter une bonne nouvelle, à la fois gaie et passionnante : l’origine des animaux, et particulièrement de l’homme, est désormais connue, comprise – et, dirais-je même, pas uniquement dans ses grandes lignes. Aujourd’hui, les débats entre chercheurs touchent à des questions tout à fait secondaires. Cependant, il faut bien s’entendre sur l’expression « origine des animaux », a fortiori « origine de l’homme ». En effet, il convient de distinguer l’origine de la vie elle-même et l’origine des formes organisées.

La vie est un fantastique ballet moléculaire, formant en premier lieu des cellules qui sont les briques de base de tous les organismes : plantes, animaux, voire zooïdes primitifs comme certaines masses de cellules ayant l’apparence d’individus sans en être (ce sont des colonies). Cette machine extraordinaire qu’est la cellule n’est pas encore parfaitement comprise. En particulier, la façon dont les premières cellules ont pu spontanément apparaître reste une question débattue. Si, demain, on trouvait des cellules vivantes sous la croûte de Mars, voire sur une comète quelconque, ce serait une forme de vie extra-terrestre, et les scientifiques du monde entier en pleureraient de joie. Mais il y a fort à parier que le grand public serait déçu devant l’observation de quelques microbes martiens, comme ce fut le cas à l’occasion de l’annonce prématurée de la découverte de micro-organismes sur Mars, à la fin des années 1990 : ces microscopiques rognures, qui se révélèrent être de simples cristallisations ayant pris des formes cylindriques, n’avaient rien pour susciter l’admiration.

Pour le grand public, si la vie se résume à quelques tortillons submicroniques, ce n’est guère passionnant. Il voudrait voir, il attend, sinon de petits hommes verts, à tout le moins des sortes de plantes ou d’animaux extra-terrestres, façon Avatar. C’est quand même plus impressionnant que des bactéries ! Comme on le dit vulgairement : il ne faut pas lui en promettre. La grande rencontre, qui se produira sûrement un jour, puisqu’on en est à découvrir des planètes géologiquement semblables à la Terre, a déjà été largement scénarisée : il lui faut une dimension égale à celle de l’homme.

La vie organisée en plantes ou en animaux doit donc certainement attendre, partout dans l’univers, que des cellules soient évoluées. En ce sens, l’origine des animaux se perd dans l’origine de la première cellule. Cependant, chacun comprendra sans peine que, jusqu’à un certain point, on peut décrire les formes animales ou végétales sans aller jusqu’à expliquer en détail la formation des toutes premières cellules. À l’échelle des organismes, il existe des sortes de constantes, d’universaux, qui semblent indépendants de la description microscopique de la matière vivante. Par exemple, la plupart des végétaux ont des tiges ou troncs cylindriques : il doit bien y avoir quelque chose de supérieur aux cellules, ou de plus profond, pour que le cylindre s’impose comme géométrie à tant de plantes en croissance. Il n’y a pas de « gène du cylindre ».

De ce point de vue, la raison pour laquelle les cellules, assemblées en masse, ont constitué des plantes ou des animaux aux formes observables est aujourd’hui comprise, dans les grandes lignes si l’on veut s’abriter derrière certaines précautions oratoires, mais en réalité dans un certain détail si l’on a le courage de dire la vérité. De nos jours, les débats entre chercheurs sur les formes animales, qui concernent en particulier l’origine de l’homme, touchent à des questions tout à fait secondaires. Le consensus sur les grandes lignes est acquis.

Sur le fond, l’origine des animaux, donc notre origine, est connue sur la base des lois fondamentales de la nature. La cause même de notre existence, en tant que masse de cellules organisée, est éclaircie. Et, contre toute attente, elle est inscrite dans les lois de la physique. Ces découvertes (car l’origine des animaux procède de plusieurs phénomènes) annoncent un renouveau, un re-départ de l’embryologie, de la paléontologie et, au-delà, de la médecine régénérative, peut-être aussi de la philosophie. Une étape conceptuelle étant franchie, il ne fait aucun doute que, dans une perspective plus profonde, d’autres progrès adviendront, avec une dimension applicative.

Or, bizarrement, ces faits tardent à parvenir au grand public. Il y a comme une résistance. D’un côté, on peut attribuer ce retard à la prudence, inévitable en la matière : méfions-nous des effets d’annonce prématurés. De l’autre, on peut l’attribuer au contenu même de la réponse : l’origine des animaux serait quelque chose d’un peu décevant. Les animaux se forment sans grande difficulté, suivant des patterns assez simples, qui ne recèlent ni chaos, ni complexité, et encore moins d’intervention divine. La chose qui faisait peur et impressionnait : l’origine, se révèle donc presque triviale. Il va falloir se faire à l’idée d’une banalité des êtres vivants.

C’est ce « finalement, ce n’est que ça ! » qui sera expliqué ici. Après tout, le rôle de la science n’est-il pas aussi de simplifier les problèmes ?

L’origine de la vie elle-même reste toujours mystérieuse, même si plusieurs explications concurrentes sont actuellement à l’étude. L’élaboration des premières cellules vivantes fonctionnelles (probablement des bactéries) a pris beaucoup de temps, de l’ordre du milliard d’années. Mais la formation et l’évolution des animaux, une fois les cellules acquises, ont été nettement plus rapides dès lors que ces cellules ont été capables de s’assembler. L’apparition de formes organisées, à partir des cellules, n’a pris que quelques millions d’années.

En réalité, une masse de cellules a nécessairement une forme, et l’apparition de structures organisées a suivi. Un événement particulier s’est produit, appelé « explosion du Cambrien », qui a vu apparaître tous les plans d’animaux en un temps très bref (à l’échelle de l’histoire de l’univers). Dès l’instant où des cellules sont restées attachées ensemble, elles ont formé des structures organisées. En vérité, une boule de cellules sans structure est pratiquement de l’ordre de l’inconcevable (de fait, ce sont des « pathologies »).

Les résultats et découvertes présentés ici relèvent essentiellement de la physique, car le comportement collectif de cellules se ramène à des lois physiques simples, les lois de la « matière condensée » (physique du solide, physique des liquides, principes de symétrie). Cependant, cette physique est nourrie d’une masse impressionnante de travaux en embryologie et en biologie qui ont posé tous les jalons nécessaires pour arriver à cette nouvelle description des animaux. Si le résultat peut paraître simple (finalement, c’est assez facile de faire des animaux), l’objet humain et la somme de connaissances nécessaires pour le comprendre, qui est le reflet de son histoire, restent prodigieusement étonnants.

Cette description inédite de la formation des animaux et des hommes se diffuse chez les adeptes de l’interdisciplinarité physique/biologie ; des congrès entiers sont désormais consacrés à la biomécanique du développement. La physique est un peu la « voiture balai » des résultats : une fois que toutes les pièces du puzzle se sont trouvées sur la table, il a fallu des adeptes de l’ordre, de l’ordre naturel et de ses lois, pour reconstituer le puzzle. Le puzzle animal est composé de quelques milliers de pièces-cellules, mais, vus avec du recul, les phénomènes impliqués dans la construction des animaux sont au nombre de quatre (différenciation, tension, convection, pli). Ces quatre ingrédients physiques pour faire des animaux seront expliqués ici.

Il est vrai que, depuis un siècle, les biologistes ont mis en avant les aspects aléatoires (mutations dans l’ADN, accidents géophysiques, chaos moléculaire, etc.) ; toutefois, un mouvement se dessine qui restitue aux tissus vivants leur cohérence, leur dynamique, leur profonde unité. De cette unité physique de la matière vivante, de cette « pâte » de cellules, naissent l’ordre, et la fonctionnalité des animaux.

Oui, les animaux sont extraordinairement bizarres. Si bizarres qu’on a souvent été tenté d’attribuer leurs traits à des martingales de l’évolution, à des coups de dés. Cependant, pour une très large part, cette bizarrerie ne procède pas du hasard, mais simplement de la façon dont ils sont faits ; ils ne pouvaient pas être constitués autrement. Du fait même des contraintes auxquelles ils doivent obéir, les animaux qui nous entourent ne pouvaient pas être autrement que des bêtes relativement allongées, munies de nageoires ou de pattes. Le regard humain est tellement singulier qu’il s’étonne et attribue au hasard toutes sortes de réalisations tout bonnement « naturelles » et procédant d’une organisation physique. Les lois de la physique autorisent et même impliquent un merveilleux foisonnement, tout en cadrant ce foisonnement dans des limites reconnaissables. Certes, il y a du hasard dans les molécules du vivant, mais ce n’est pas une raison pour que les formes animales ou végétales soient arbitraires. Il se trouve que les phénomènes physiques ne sont pas intuitifs et qu’il faut une longue initiation pour extraire et comprendre les lois générales de la morphogenèse, qui est un peu l’art de la physique. Or les lois de la physique sont aussi insolites que celles de l’esthétique.

Ce livre propose donc une vision nouvelle de la formation des animaux. Cette vision a le mérite de la simplicité, et a résisté depuis quelques années à des attaques assez brutales ; au moment même où j’écris ces lignes, un professeur de biologie fait circuler un désolant powerpoint contre ces idées, celui-ci n’ayant pas vu, ou voulu voir, leurs confirmations expérimentales. Rassurez-vous : ce livre n’est pas une défense contre ces attaques, mais le récit d’une curiosité insatiable qui naît et se développe lorsqu’on soulève timidement un coin du voile et qu’on a la surprise de constater que tout le drap vient avec, dénudant ainsi les secrets de l’origine des animaux.

CHAPITRE 1

La loi générale de formation des animaux

Puisque le principal objet de cet ouvrage est de présenter une avancée importante dans le domaine de la formation des animaux, le mieux est d’entrer in medias res, dans le vif du sujet, et d’expliquer, aussi simplement que possible, comment sont faits les vertébrés, c’est-à-dire tous ces animaux qui nous ressemblent. La discussion des conséquences épistémologiques, voire philosophiques ou politiques, s’ensuivra plus aisément.

Les animaux dont il va être question, les vertébrés, nous ressemblent d’ailleurs tellement qu’il existe une discipline, appelée « anatomie comparée », qui permet de relier les parties des uns et des autres, malgré de petites déformations. Dans mon exposé, un chat, un cheval ou un homme sont à peu près « pareils », et l’on verra progressivement ce qui les distingue (de petites différences de degré, mais non de nature).

Depuis longtemps, les physiciens s’intéressent aux formes et, depuis un peu moins longtemps, aux formes animales. Des modèles sont proposés pour expliquer ces formes, souvent par analogie avec la forme des flocons de neige, celle des gouttes d’eau ou encore celle de morceaux de caoutchouc que l’on plie ou tord.

Cependant, une théorie mettant tout le monde d’accord, c’est-à-dire réalisant une sorte de synthèse de la physique, de la biologie et de la zoologie, ne peut pas considérer les animaux uniquement comme des formes. Les animaux présentent de toute évidence une structure interne, dans laquelle de grandes parties reconnaissables exécutent des fonctions différentes. Par exemple, le système nerveux est situé au milieu du dos, puis il y a les flancs et, dans les flancs, du côté ventral, une cavité (dite abdominale) dans laquelle on trouve les viscères. Passons pour l’instant sur d’autres détails, comme l’existence d’un placenta ou d’un sac amniotique pendant le développement.

Il est assez clair que le système nerveux, les flancs, le tube digestif possèdent des propriétés matérielles différentes, qu’ils exécutent aussi des fonctions différentes, que leur seule forme n’explique pas, bien que la forme contribue à la spécificité de leurs fonctions. En outre, les diverses parties de l’anatomie animale semblent organisées d’une façon assez cohérente, respectueuse de leurs logements ou compartiments respectifs. Et toutes ces parties s’accroissent et se développent d’une manière tellement harmonieuse que certaines questions triviales ne sont même pas posées, par exemple : pourquoi le système nerveux est-il si bien ajusté à l’ensemble du corps si tout cela se construit au hasard de mutations ?

Ainsi, nous ne sommes pas que des formes : notre forme se décline en parties enchâssées les unes dans les autres, dont les propriétés à la fois matérielles (c’est plus ou moins dur) et fonctionnelles (ici, le cerveau pense ; là, l’intestin digère) semblent manifestement différentes et merveilleusement bien organisées. Nous ne sommes pas uniquement des contours ou des ombres.

La forme des animaux n’est précisément pas qu’une question de forme ; il semble alors illusoire de vouloir traiter uniquement l’aspect « formel » sans inclure dans la description un minimum de différenciation des tissus.

De fait, les travaux récents confirment un lien profond entre la forme et les fonctions, telles qu’elles se trouvent réparties dans l’organisme. Il est tout à fait réjouissant que la beauté formelle, mathématisable, des animaux et des plantes n’épuise pas le sujet, et que la fonction joue un rôle dans la morphogenèse. En quelque sorte, le fonctionnement des animaux est intrinsèquement relié à leur forme. Les animaux, et parmi eux les hommes, sont de magnifiques machines, et leur délicate physiologie interne est tout entière reliée à la forme qu’ils revêtent. Nous sommes une caverne pleine de tissus différenciés, et notre aspect extérieur est fondamentalement relié à notre contenu.

Toutefois, la science physique a besoin de bien définir son objet pour le comprendre. La description que je viens de faire d’un animal, constitué de tissus différenciés formant des parties enchâssées les unes dans les autres, n’est pas assez précise pour se prêter à une science. Il faut avancer d’un pas de plus dans la simplification conceptuelle pour comprendre qu’un animal « de base » est en fait un ensemble de cylindres emboîtés les uns dans les autres, comme des poupées russes, et que ces cylindres sont motiles (un animal est un tube qui se déplace – non pas un tube, mais des tubes). Quand je parle de cylindres ou de tubes, j’entends le tube nerveux (qui donne la colonne vertébrale et le cerveau chez les humains), le tube digestif (qui est d’ailleurs moins entortillé chez beaucoup d’animaux et chez les jeunes embryons), le tout enchâssé dans une sorte de grand cylindre qui forme le corps (ce qui est plus facile à admettre quand on imagine un serpent ou une anguille), un tout qui est, chez beaucoup d’animaux, enchâssé dans deux cylindres que sont le sac amniotique (ou poche des eaux) et le chorion.

Les animaux, ce sont donc des tubes dans des tubes dans des tubes qui avancent et qui ont des fonctions différentes : ici ça pense, là ça digère, là-bas ça remue.

Cependant, la relation entre la forme et la fonction s’établit « forcément » très tôt, puisque les animaux commencent à se mettre en forme dans les premiers jours, voire les premières heures, de leur développement. Au passage, tout ce que je décrirai, en jours, pour un poulet (qui est mon modèle animal fétiche de développement) se transpose à l’humain en semaines. Le modèle de développement qui se fait jour explique la formation des animaux par des événements ayant lieu très tôt, vers deux jours de développement chez des animaux de laboratoire comme les poulets, alors qu’ils sont à peine longs de 6 millimètres ; un peu plus tard chez l’homme, mais les mécanismes sont les mêmes.

Comme chacun sait, le développement commence par le stade « œuf » ou « ovocyte ». À cette étape, l’embryon est bien rond ; même les vaches sont sphériques au stade de l’ovule fécondé, et la question est : comment passe-t-on d’une vache sphérique à une vache ordinaire ? Dit autrement : existe-t-il un phénomène physique simple permettant de fabriquer directement un petit animal reconnaissable à partir d’une masse informe, c’est-à-dire, le plus souvent, une masse ronde ? L’intérieur de l’animal ayant de surcroît automatiquement une structure en poupées russes séparant des fonctions différenciées ?

La réponse, apportée par de récents travaux, est : oui, il existe un phénomène physique simple qui permet de fabriquer sans transition un animal bilatéral, orienté à partir d’une masse de cellules rondes. Et ce phénomène est à l’origine d’une lignée particulièrement importante, celle des vertébrés. Il ne s’agit pas seulement d’une découverte de principe : ce phénomène a été visualisé, filmé, mesuré, in vivo, lors du développement des embryons.

Pour faire très simple : il existe un phénomène (bio-)physique qui transforme directement un rond fait d’anneaux concentriques en une succession de tubes emboîtés les uns dans les autres, et qui se déplacent (!).

Figure 1. Schéma de principe de la morphogenèse des embryons : un disque, formé d’anneaux emboîtés, se transforme en un animal formé « de tubes dans des tubes dans des tubes ».

Ce phénomène, comme beaucoup de phénomènes physiques, est très « dynamique » et rapide, tellement rapide qu’on ne s’en est pas rendu compte pendant des décennies. Il requiert une description physique de ce qu’est un embryon au moment où sa morphogenèse a lieu. Cette description permet de comprendre la structure « en cible » de l’embryon (anneaux concentriques), et pourquoi le résultat de la dynamique physique est un ensemble de tubes dans des tubes dans des tubes. Pour résumer : il existe un phénomène capable de transformer « des anneaux dans des anneaux dans des anneaux » en « des tubes dans des tubes dans des tubes » qui se déplacent (!).

Pour le comprendre, il faut entrer plus précisément dans le développement embryonnaire. Le développement d’un animal commence par l’accumulation de divisions cellulaires qui forment progressivement une sorte de grappe de cellules, ronde ou discoïdale. Pendant ce temps, l’œuf fécondé fait du « sur-place » : il est quasi immobile. Si l’on ne distinguait pas les parois cellulaires, on verrait simplement une petite boule (de l’ordre de 4 millimètres de diamètre).

Figure 2. « Embryon » de grenouille au stade de simple grappe de quelques cellules (stade dit morula, « framboise » en latin).

Au début, l’embryon n’a rien à manger, en sorte que le nombre de cellules augmente, tandis que leur taille diminue. Sans rien changer à la taille absolue de l’œuf, la grappe de cellules devient une boule formée de cellules de plus en plus petites, que l’on distingue de plus en plus mal. La boule semble devenir plus lisse, tandis qu’elle est de plus en plus encombrée de cellules. S’agissant du poulet, l’animal de laboratoire que j’utilise et qui va servir de support à mes explications, nous recevons les œufs alors qu’ils ont déjà passé un ou deux jours dans la poule.

Vous pensez bien qu’un spermatozoïde, si courageux soit-il, ne peut pas traverser une coquille d’œuf ; c’est pourquoi la poule fécondée doit faire sa coquille après la fécondation, dans une chambre spécialisée de son oviducte (sorte de tuyau sortant des ovaires et conduisant vers la sortie) qui cristallise des cristaux de carbonate de calcium autour de l’œuf « liquide ». Ces cristaux forment la coquille. Cette cristallisation prend quand même un ou deux jours, tandis que l’ovule fécondé a commencé à se diviser.

L’ovule fécondé s’est déjà tant divisé à la ponte de l’œuf qu’on ne distingue plus du tout les cellules, sans de puissants microscopes. La première figure de notre cahier d’illustrations montre l’embryon, au premier jour de développement, vu à un faible grossissement (l’image fait 5 millimètres bord à bord). (L’embryon est sorti de l’œuf, évidemment.) Bien qu’on ne puisse percevoir les cellules individuelles, on distingue en revanche une structure « moyenne » en anneaux : il y a une sorte de bord, un anneau foncé et un disque central un peu plus opalescent, qu’on appelle blastoderme. L’anneau foncé se nomme zone pellucide et le grand anneau blanc extérieur est l’équivalent du placenta des mammifères. Chez le poulet, cela s’appelle le sac vitellin ou zone opaque. Ces noms techniques ne doivent pas occulter la simplicité de la chose : l’embryon se présente comme une cible, avec des anneaux concentriques visiblement différents. Il y a une sorte d’écorce, une sorte d’aubier (un anneau sous l’écorce), et même une sorte de duramen (la zone dure au cœur du bois), comme on dit pour les arbres. Personne ne conteste que les arbres sont faits d’anneaux concentriques (appelés cernes), et chacun perçoit que la cause première de ces cernes du bois est la rythmicité des saisons. De même, la rythmicité des divisions cellulaires est la cause de la structure emboîtée en anneaux des stades embryonnaires des animaux.

Cette structure n’a rien pour surprendre : de même que pour les cernes des arbres, on comprend qu’en accumulant des divisions une structure en « peaux d’oignon » – ou, dit autrement, en anneaux concentriques – s’établisse par le simple jeu de la poussée des cellules les unes contre les autres. Cependant, ces anneaux concentriques manifestent des différences entre cellules, associées notamment à leur taille. Ces différences sont directement visibles sur la photo (cahier, fig. 1, haut), par le simple fait que les cellules ne diffusent pas la lumière de la même façon (« ça n’a pas la même couleur dans chaque anneau »). L’anneau le plus clair, sur le bord, est d’ailleurs l’anneau qui digère le jaune d’œuf ; c’est pour cela qu’il est blanchâtre (les cellules sont gavées de jaune d’œuf). Chez les mammifères, comme l’homme, l’organe extra-embryonnaire, appelé placenta, ne sert pas à digérer du jaune d’œuf, mais à prélever des nutriments et des fluides à la mère.

C’est un fait assez troublant que les poussins se forment en ne mangeant, par définition, que de l’œuf. On peut se demander si l’on pourrait former un embryon de mammifère, d’humain par exemple, en ne le nourrissant qu’avec de l’omelette (cela pour illustrer le genre de fantasmes qui traversent l’esprit des embryologistes – le nez sur son guidon, comment s’empêcher de penser ?).

Nous allons donc considérer cette rondelle sombre, avec des anneaux successifs apparents, comme la « configuration de référence », c’est-à-dire, au sens physique, comme la forme « informe ». Et nous cherchons désormais le mécanisme permettant de transformer cette rondelle informe en un animal. Enfin, si je dis : « nous cherchons », c’est pour les besoins de la rhétorique, car, en réalité, le mécanisme est maintenant compris.

Voici comment ça se passe. Un point important à comprendre, car il va jouer un rôle essentiel dans la morphogenèse de l’embryon, est que les cellules, dans ces anneaux, ont en fait des tailles variables, qui grandissent du centre vers le bord. On peut le deviner « à l’œil nu », car elles diffusent la lumière de façon différente, un peu comme le blanc d’œuf ou la neige, qui sont blancs par diffusion de la lumière. Quand on regarde en détail le contenu des anneaux, on découvre avec une certaine surprise (j’y reviendrai) une succession de marches assez régulières, en sorte que les tailles de cellules sont organisées d’anneau en anneau suivant un ordre à peu près régulier : 5 microns, 10 microns, 15 microns, 20 microns.

Ainsi, pour dire les choses de façon architecturale, un élément central des découvertes récentes est que l’embryon de poulet a une structure en « mastaba », ou en « tour de Hanoi », pour ceux qui connaissent ce jeu fondé sur une pile de disques de tailles différentes. Il y a donc des marches, ou gradins, associées à des cellules différentes, en particulier par leur taille. Ces marches sont très peu hautes, en sorte que ce mastaba est, en fait, très plat.

Quand je reçois dans mon laboratoire les embryons de poulet immédiatement sortis de la poule et que je les regarde à la loupe dans une boîte de Petri, après avoir bien rincé tout le jaune et tout le blanc d’œuf, je vois immédiatement cette structure en anneaux concentriques. Comme les cellules ont beaucoup diminué de taille au fil des divisions successives, il faut un microscope pour pouvoir observer de près la structure. Ainsi, en zoomant dans le disque-embryon, on remarque que les anneaux sont reliés aux types de cellules. Celles-ci sont effectivement différentes dans les différents anneaux qu’on distingue à l’œil nu, et plus grosses au bord.

Cette structure manifeste une différenciation cellulaire avec une sorte d’ordre, ou d’emboîtement, du centre vers le bord, avec des « poupées russes » qui, à ce stade, ne sont que des anneaux. Vue « de dessus », la configuration des cellules forme un disque présentant un « carrelage » avec de plus petits carreaux dans un disque central, puis des carreaux moyens, puis de grands carreaux et, enfin, des carreaux géants (si l’on peut dire, pour des tailles maximales de 20 micromètres). Ainsi, un point particulièrement important de la description des animaux, au stade où ils forment de simples « patates », est qu’il existe une succession d’anneaux, du centre vers le bord, avec un ordre assez clair : les petites cellules sont au centre, les grandes au bord. Le disque observé est ainsi également plus épais au centre.

En fait, cette structure préfigure l’organisation du corps : dans ce disque, le système nerveux central est, par définition, au centre, et sera composé de ces petites cellules. Les (futurs) flancs et le (futur) corps (comme on le voit de l’extérieur, l’« enveloppe » corporelle) sont dans l’anneau suivant, formé par les cellules moyennes, et tout ce qui constitue les organes externes de l’embryon se trouve dans les deux anneaux les plus périphériques. Les organes externes ou « annexes embryonnaires », tels le placenta, le sac amniotique, le sac vitellin, qui sont des poches utilisées par l’embryon pour se développer.

C’est un fait peu connu du grand public que ces organes extra-embryonnaires sont fabriqués par l’embryon lui-même, et qu’il y consacre, au début, une majorité de sa masse. Dans les photos (cahier, fig. 1, haut), le rond central légèrement plus clair (blastoderme), formant finalement l’embryon, constitue environ 20 % de la surface totale du disque.

Une autre conséquence, très connue, de cet ordre de choses est que les animaux sont, en général, plus denses au centre et plus mous sur les bords. L’exemple type : tous les poissons, comme les raies ou les soles, qui ont un axe charnu le long de l’axe médian, et des voiles mous sur les côtés. Les mammifères eux-mêmes, quand on y prend garde, sont visiblement plus denses le long de l’axe médian (colonne vertébrale) et plus mous sur leurs flancs – il n’y a qu’à penser à un râble de lapin. Cette différence entre le « centre » et les « bords » est déjà visible au stade où nous ne sommes que des rondelles de quelques millimètres.

Tout l’art de l’embryogenèse (le phénomène de formation des embryons) est de transformer ces anneaux concentriques, plutôt durs au centre et mous au bord, en un être constitué de parties emboîtées les unes dans les autres comme des poupées russes, le tout enrobé dans un sac amniotique (pendant la grossesse). Et tout l’art de l’embryogenèse (la science qui étudie la formation des embryons) est de comprendre scientifiquement comment ça se passe : comment l’ordre de cellules en anneaux emboîtés les uns dans les autres, que je viens de décrire, devient un animal avec cette exquise structure que nous lui connaissons, et qui fait même penser à certains qu’elle n’a pu qu’être créée par un être supérieur, tant elle est complexe. (À ce propos, je n’ai pas d’avis tranché là-dessus. À l’instant où j’écris ces lignes, mon opinion serait plutôt que la formation du corps des animaux est un phénomène si délicatement parfait que cela n’a précisément pas pu être inventé par un esprit pensant, si supérieur soit-il : c’est trop subtil. On peut comprendre la formation des animaux a posteriori, sachant qu’elle est possible et a eu lieu, par l’observation et l’inquisition scientifique, mais on ne peut pas l’organiser en amont ; pour être clair, il me semble impossible qu’un Dieu « personnel » ait conçu les lois générales de la physique, avec l’espoir ou l’idée même que cela aboutirait à des animaux batifolant dans un jardin terrestre.) Que ces phénomènes d’auto-organisation conduisent à la beauté du monde animal est un mystère profond qui me dépasse, mais que je peux seulement souligner, sans commentaire particulier.

Les récentes techniques d’imagerie permettent de visualiser le devenir de ces anneaux au cours du développement. Une étude attentive, et dynamique (voir films sur mon site académique), permet de constater que les frontières entre cellules ne sont pas « brassées ». Certes, elles se déforment, mais d’une façon très « propre », déterministe, qui respecte l’existence d’un côté à petites cellules, mitoyen d’un côté à moyennes cellules, puis, plus loin, une deuxième frontière où l’on passe aux plus grandes cellules encore, etc. Imaginez que vous tourniez lentement de la crème fraîche sur du chocolat chaud ou du café : la frontière entre la crème et le café prendrait une forme voluptueuse. Certains gâteaux marbrés reposent sur ce principe.

La même chose a lieu pendant la formation des embryons : la frontière entre petites et grosses cellules, qui délimitera le système nerveux et les flancs, se déforme lentement, sans être dispersée. Cette frontière produit peu à peu la forme de l’animal, par son mouvement d’enroulement puis de pli. Les frontières entre types cellulaires sont donc des lignes molles, comme est mou tout l’embryon. Ces lignes forment des contours qui se déforment, et le résultat final est l’animal. Voyons comment cette déformation progresse jusqu’à former cet animal.

Comment fait-on un animal bien formé à partir d’une succession d’anneaux ? La formation de l’embryon a lieu en deux étapes. Dans une première étape que je détaillerai plus loin, la moitié de la plaque s’engouffre dans un trou qui sera le futur anus. J’en suis bien désolé, mais à partir d’ici il sera beaucoup question d’anus et d’engouffrement dans cet orifice. C’est un peu singulier, mais c’est en gros notre anus qui nous fabrique et, comme disent les Anglais, « each one of us was at some point just an asshole ».

Le trou, ou sillon, est visible dans la photo ci-dessous, alors que les cellules ont commencé à s’engouffrer dedans.

Figure 3. Imagerie du mouvement cellulaire, obtenue en superposant les clichés à différents temps. Les trajectoires des cellules apparaissent, révélant l’engouffrement des cellules vers un sillon, comme une sorte de tectonique des plaques qui finira par former l’anus.

À ce stade, il n’y a donc pas d’animal à proprement parler, mais simplement une sorte de plaque avec un trou. Les cellules s’y engouffrent comme une plaque continentale faisant sa subduction au milieu du Pacifique. Il est curieux que le grand public soit beaucoup plus au fait de la tectonique des plaques au milieu du Pacifique que de la formation des embryons ; c’est pourquoi cette analogie avec la subduction continentale dans les fosses océaniques devrait être parlante, bien que les bases de temps et les dimensions soient considérablement éloignées. Or, c’est aussi la beauté de la physique que de traiter des phénomènes différents avec des formalismes communs, les propriétés particulières de chaque matière (viscosité, élasticité, etc.) venant fixer les dimensions et les bases de temps spécifiques.

Cette subduction peut se vérifier quand on filme le mouvement : on distingue nettement une sorte d’enroulement du tissu qui forme de grandes traînées dévalant vers le trou, à la vitesse… de 1 micron par minute (soit 1,5 millimètre par jour, à comparer à la tectonique des plaques qui avance plutôt à la vitesse de 1 centimètre par an), comme sur la figure ci-dessus prise in vivo (noter l’échelle : l’ensemble de l’image fait environ 1 millimètre). Je recommande d’aller voir les films de ce phénomène, qui sont très spectaculaires.

C’est cette tectonique des plaques qui va être à l’origine de la « fabrication » de l’animal ; l’engloutissement des cellules dans l’anus fonctionne comme une « lave », qui va provoquer une déformation de la « plaque continentale » formant alors une « chaîne de montagnes » qui sera le corps de l’animal. Les sommets de ces chaînes portent d’ailleurs le doux nom de plis et crêtes neurales.

Lorsqu’on regarde un embryon au stade où le trou, ou « faille », constituant l’anus est bien formé, et où les cellules s’engouffrent à l’intérieur, on voit que la structure en zones emboîtées, petites cellules au centre, grandes cellules au bord, est préservée. On peut délimiter des zones, les plus petites cellules étant voisines de l’orifice anal, les cellules moyennes formant une bande un peu plus loin, et les grandes cellules formant le contour de l’ensemble du tissu vivant issu de l’œuf initial (souvenons-nous que cet œuf initial produira l’embryon, mais aussi plusieurs organes extra-embryonnaires, tel le placenta ; dans la figure 1 du cahier d’illustrations, l’embryon ne sera fait que des cellules petites et moyennes situées au centre).

En entrant dans l’anus, visible précédemment (figure 2 du cahier d’illustrations) en haut à gauche, et pointé par la flèche, les cellules qui envahissent le disque par l’intérieur tirent dessus. Dans la figure ci-dessus, les cellules visibles dans la bande à petites cellules et la bande à cellules moyennes vont former l’embryon à la suite d’une traction par des cellules que vous ne voyez pas, et qui sont précisément celles qui sont tombées dans le trou (ou sillon) anal situé à gauche.

Cette traction des cellules qui avancent produit des plis (les cellules tirant pour avancer, elles entraînent avec elles toute la plaque, qui fronce comme du beurre gratté avec un couteau). Il faut remarquer que l’embryon, à ce stade, a à peu près la consistance d’un blanc d’œuf : c’est dire s’il est mou et déformable. C’est d’ailleurs un des paramètres qui rend possible l’existence des animaux : certes, les cellules exercent des forces très faibles, mais elles le font sur un matériau extrêmement mou, environ mille fois plus mou que du caoutchouc, et des millions de fois plus mou qu’un arbre. De grandes déformations sont donc possibles, à l’échelle de quelques heures.

J’ai dit que la vitesse de ces mouvements est partout de l’ordre du micromètre par minute ; donc, pour former un animal d’environ un centimètre, il faut réorganiser les cellules constituant l’animal sur 10 000 micromètres, ce qui va prendre au minimum 10 000 minutes. À raison de 60 minutes par heure, il faudra quelque 150 heures, soit un peu moins d’une semaine. C’est effectivement le temps nécessaire pour former un petit embryon reconnaissable ; cependant, l’étape cruciale prend une douzaine d’heures.

Le public, plus habitué à des grossesses qui durent neuf mois, est en général très surpris de découvrir la rapidité de la morphogenèse. Un animal présentant des ébauches d’à peu près tous les organes se forme en moins d’un jour, entre le deuxième et le troisième jour de développement, pour un poulet. Accessoirement, on notera qu’un poulet complet, capable de marcher et de picorer tout seul, se forme en vingt et un jours – ce qui, à la réflexion, paraît très peu pour fabriquer quelque chose d’aussi « complexe ».

Mais revenons sur les forces de traction qui vont former l’embryon. Comme l’anus a la forme d’un trait (visible finalement par la petite cicatrice que nous avons au voisinage d’icelui), les cellules qui tirent sur la surface le font de manière bidirectionnelle, comme si elles écartelaient dans les directions tête-queue le mastaba mou initial ; la traction a donc lieu dans un sens et dans l’autre. On peut voir au microscope l’action de ces cellules entrées dans l’anus, et qui tirent sur la surface (figure ci-dessous) en retournant les embryons. C’est également une nouveauté : on peut prendre les embryons et les tourner dans tous les sens, de façon à suivre les mouvements de tissus dans des directions qu’on n’avait pas l’habitude d’explorer auparavant.

Figure 4. Trajectoires des cellules montrant un mouvement bidirectionnel s’éloignant du sillon central. Ce mouvement tire sur la surface. Cette traction déclenche les plis qui forment l’animal.

Les films, et les images qu’on en extrait, sont très parlants : en suivant les cellules à la trace, on forme des traits blancs dans la figure ci-dessus, qui montrent le mouvement des cellules entrées dans l’anus. L’image est obtenue en prenant un film et en superposant les planches du film, comme si on laissait ouvert l’obturateur de l’appareil photo. Les cellules qui sont visibles comme de petits points blancs, à chaque instant, laissent une traînée blanche dans l’image quand on superpose tous les plans du film.

Comme ces cellules tirent sur la surface en avançant, on voit en fait a contrario la force de traction qui s’exerce sur l’autre face, où se formera l’animal. « Ça » tire essentiellement dans les deux directions (directions correspondant à la future tête et à la future queue).

Arrivé à ce point, on peut avoir le sentiment d’une grande complexité. En réalité, l’observation montre que ces mouvements s’enchaînent de façon très naturelle et quasi inéluctable, l’embryon étant de fait coincé dans un tout petit volume (diamètre 4 millimètres, épaisseur un dixième de millimètre !). L’étape essentielle pour la formation de l’animal est simplement cette traction bidirectionnelle sur la rondelle molle, dont on voit la cause dans la photo ci-dessus. Bref, j’aurais pu vous faire grâce de tout ce que je viens d’expliquer, et me borner à dire : pour faire un animal, il suffit de tirer aux deux bouts sur une plaque molle, ou « feuillet », de matière vivante.

Or chacun sait que, lorsque l’on tire sur un tissu très mou dans les deux sens, il se forme des plis. C’est exactement le phénomène à l’origine de la formation des animaux ; c’est aussi la cause de tous les drapés que l’on connaît : plis de rideaux, lits défaits, etc. Dans le vivant aussi, et d’autant plus qu’il est extrêmement mou, le « tissu » qui subit ce phénomène de traction plie. Tout bêtement.

Figure 5. Voici six heures de la formation d’un embryon (de poulet), au moment exact où les plis se forment (vers un jour et demi de développement). On passe d’une forme plate à un ensemble de plis épousant les frontières entre cellules. Au bout de quelques heures, on distingue déjà le cerveau, la position des yeux, les premiers précurseurs vertébraux.

Cependant, le tissu vivant, qui certes est très mou, est constitué d’anneaux de cellules de tailles différentes, et je n’aurais pas pu faire l’économie de cette explication-là, car elle joue un rôle essentiel dans la compréhension de l’organisation des animaux.

Les parties où les cellules sont petites et serrées sont naturellement moins souples que la partie où les cellules sont fines et plates. On le comprend aisément : quand les mailles sont plus petites, un tissu est plus fort, plus épais, plus rigide.

Un phénomène analogue a lieu dans la matière vivante embryonnaire. Quand les cellules qui composent le tissu vivant sont plus petites, le tissu de soutènement qui forme des mailles serrées entre cellules est plus dense, donc plus rigide. On observe une telle gradation des cellules (et donc de la rigidité du tissu) dans la matière vivante, précisément dans la galette informe et molle qui s’apprête à former un animal. Il faut imaginer que la partie fine de l’embryon est un linge (tissu) fin, et la partie épaisse un linge (tissu) plus épais. La partie centrale est donc plus rigide et plie plus difficilement que la partie située sur les bords. J’ai appelé cela, dans certaines conférences, l’effet « manche de chemise » : quand on regarde une chemise sur le corps d’une personne, la plupart du temps il y a un pli au poignet. En effet, le poignet est fait d’un anneau amidonné ou cartonné, particulièrement rigide, tandis que la manche de la chemise est molle comme de la flanelle. La moindre compression ou tension fait plier la chemise à son poignet, exactement à la frontière entre le mou et le dur.

Dans le tissu vivant, les mailles sont plus serrées dans le disque central, qui est le futur cerveau, que dans les futurs flancs qui constituent l’anneau suivant. Et elles sont encore plus serrées que dans le futur sac amniotique, qui formera, lui, une grande poche flasque enveloppant le bébé (la poche dite des « eaux »).

Le début de la morphogenèse opère donc comme une plongée d’une partie du tissu dans l’anus ; les cellules qui se sont glissées dessous tirent sur la surface et la font plier, se « chiffonner », mais d’une façon parfaitement reproductible, car les plis suivent exactement les frontières entre cellules « gravées » dans le tissu. C’est le point important qui rend la morphogenèse si facile, si reproductible, et si efficace pour faire des animaux fonctionnels et bien organisés, des animaux « cohérents », dont les pièces semblent emboîtées comme dans un puzzle.

Ce livre est édité sous la direction de Sylvain Bourmeau

Couverture W. N.

Dépôt légal : mai 2017
© Librairie Arthème Fayard, 2017

ISBN : 978-2-213-70338-1