Au-delà de la cellule (en travaux 10/2007)


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Cette page s'efforce de présenter, avec le regard un peu synthétique du pédagogue, quelques évolutions du concept de cellule, et quelques incursions au-delà de ce concept, en ce début de XXIème siècle. Les simplifications faites, et les prospectives explorées, ne rendent peut-être pas justice aux idées plus nuancées des chercheurs. Comme la vulgarisation, l'enseignement expose l'auteur. Je suis très attentif à toutes les remarques que les lecteurs veulent bien m'adresser.




Sources générales:
Encyclopedia Universalis, article "
vie", G. Canguilhem.
La théorie cellulaire, G. Canguilhem in La connaissance de la vie, Hachette, 1952 (pp 47-98)
Comment les cellules construisent l'animal, Rosine CHANDEBOIS, 1999, Phénix éditions, Paris
Le gène et la forme (ou la démythification de l'ADN), Rosine CHANDEBOIS, 1989, Ed. Espaces 34
CDRom; René Thom; œuvres complètes; à commander auprès de l'IHES (Institut des Hautes Etudes Scientifiques):
http://www.ihes.fr/jsp/site/ Portal.jsp? page_id=217 (150¤, la souscription étant finie)


Page personnelle de recherche (biologie théorique thomienne) sur l'hydratation

Un site à recommander avec des vidéos et un texte clair :http://www.cerimes.fr/e_doc/cellule/cellule.htm




Plan



Le symbole , utilisé pour la biologie théorique, marque les ouvertures théoriques dans une vision Thomienne, ou du moins qui se croît thomienne.




1. La théorie cellulaire, un produit de l'imagination du discontinu*


Qu'est-ce qu'une cellule ?


* « La théorie des molécules organiques illustre une méthode d'explication, la méthode analytique, et privilégie un type d'imagination, l'imagination du discontinu .» (G. Canguilhem)


G. Canguilhem attribue ainsi à Buffon une certaine paternité de la théorie cellulaire et cite : «... la vie étant dans chacune des parties, elle peut se retrouver dans un tout, dans un assemblage quelconque de ces parties. » (Buffon, Histoire des Animaux, chapitre X);


Histoire : la théorie cellulaire
par G. Canguilhem.




La théorie fibrillaire, dans laquelle on peut voir un précurseur de la théorie cellulaire, correspondait au même imaginaire du discontinu.






La théorie cellulaire (Buffon, Oken, Vischov) comprend deux affirmations :


* tout être vivant est composé en totalité (et uniquement) d'au moins une cellule
et
* toute cellule est issue d'une autre cellule.








G. Canguilhem y ajoute deux axiomes
(dont il attribue la paternité aux personnalités dont les noms sont cités entre parenthèses) :


* les vivants non composés sont unicellulaires (Dujardin, Haeckel)
* l'œuf d'où naissent les organismes vivants sexués est une cellule dont le développement s'explique uniquement par la division (Schwann, Kölliker).




Qu'est-ce qu'une cellule ?

 

 

 

 

Comment les cellules se multiplient-elles ?

Qu'est-ce qu'une espèce ?

Qu'est-ce que l'évolution ?


La cellule vivante n'est pas plus une chambre (cellula en latin), qu'une solution aqueuse, ni encore qu'une unité d'un programme du vivant. Une cellule est tout simplement un moyen commode que scientifiques et philosophes ont trouvé pour décrire le vivant: un concept qui désigne l'unité structurale et fonctionnelle du vivant.

La cellule comme unité de structure découle du premier axiome de la théorie (tout être vivant est composé d'au moins une cellule). La cellule comme unité fonctionnelle est le plus petit élément VIVANT, qui possède TOUTES les caractéristiques du vivant. Si on reprend la formulation qui m'est chère, c'est la plus petite unité AU TRAVAIL: plus petite unité qui réalise un travail de nutrition, de relation et de reproduction.

Le deuxième axiome de la théorie cellulaire (toute cellule est issue d'une autre cellule) permet de repousser la question de la vie hors du champ biologique et vers le champ philosophique, mais n'est pas une réponse en elle-même. La biologie doit se contenter de cette propriété du vivant qu'elle ne peut relier à aucun objet sans sortir de sa méthode (qui est expérimentale et qui ne peut répondre à la question de la vie).


Dépasser la théorie cellulaire en direction du continu




1ère étape:
Pour un unicellulaire, les limites de la cellule sont celles de l'être vivant et la théorie convient. Pour un pluricellulaire, comment concilier des propriétés générales, non locales, de l'être vivant et les propriétés de la cellule, supposées être suffisantes pour déterminer l'être entier, dans la théorie cellulaire ?
Cette question de la pluricellularité peut être solutionnée en disant que chaque cellule est vivante mais n'est pas un être vivant, autonome. Seule la totalité de l'être vivant, composé d'innombrables cellules, peut être qualifiée d'être vivant. Mais cette réponse est aussi une fuite ou une esquive. Un début de réponse (philosophique) peut être apporté si l'on considère l'organisme pluricellulaire comme une société de cellules (ce que j'ai aussi fait pour certaines bactéries en suivant Shapiro).
Mais cette vision est encore discontinue...

La vision de René Thom s'est progressivement imposée à moi comme étant une réponse très pertinente à la recherche de propriétés locales, expérimentables, issues de propriétés générales, non locales. L'unité du vivant est alors à exprimer avec des objets mathématiques. Quand à l'unité structurale, elle repose alors sur le continu chimique de la cellule (l'eau étant en première ligne).


2ème étape:
Depuis quelques années, j'ai été amené à présenter la multiplication cellulaire comme une phénomène de croissance intervenant dans le développement des pluricellulaires (j'éprouvais le besoin de séparer la division cellulaire de la reproduction, deux concepts qui n'étaient pas du tout au même niveau). La reproduction devient alors une propriété de l'espèce et non plus de l'individu. Elle est en cela le lieu de l'évolution qui est aussi une propriété de l'espèce et non de l'individu.
Cette fois l'espèce est bien un concept continu.

J'en suis donc revenu inconsciemment au deuxième axiome de la théorie cellulaire qui est en fait la source de la définition de l'espèce: « toute cellule est issue d'une autre cellule» devient: « tout être vivant hérite de la forme de son espèce par sa naissance à partir d'un être vivant de la même espèce.» La dimension évolutive comprise dans la théorie cellulaire devient apparente mais elle n'a de sens qu'au niveau de l'individu et non pas de la cellule.




2. Vers une théorie de l'organisme vivant relevant de l'imagination du continu : ondes, champs, gradients et fonctions du vivant


Modèles thomiens en SVT
Page sur le continu


G. Canguilhem, dans son analyse de la théorie cellulaire, souligne l'ambivalence "continu-discontinu (1)" sans cesse présente, même chez ceux que l'on considère comme les pères de la théorie cellulaire. L'aspect continu peut se rapporter à l'apparition des nouvelles cellules au sein d'un liquide formateur initial (que l'on peut rapprocher d'une matière continue : protoplasma d'Hugo von Mohl, cytoblastème de Schwann...), alors que l'aspect discontinu se retrouve dans les formes observées, assemblages de parties ou molécules (théorie des molécules organiques de Buffon...).



(1) J'utiliserai, dans cette page, les formulations de René Thom, un penseur du continu : prégnances, saillances (voir page sur les 4 causes d'Aristote en SVT).



Je vais suivre la chronologie avec trois étapes historiques dans cette marche vers le continu:
- un approfondissement de la chimie (principalement à partir de l'eau cellulaire, à l'aide des travaux de Pascale Mentré);
- qui débouche sur un appui de plus en plus net sur la physique (les chercheurs sont aussi trop nombreux pour citer un seul nom) ,
- pour finir par isoler, à l'aide des mathématiques, les éléments abstraits qui pourraient servir de support à une biologie théorique qui respecterait l'objet original : l'être VIVANT (cette dernière partie se fera à l'aide de la réflexion de René Thom).




2.1 L'eau du vivant, structurante et fonctionnelle
le contenu de cette partie reprend essentiellement une ancienne page: l'eau dans la cellule à partir des travaux de Pascale Mentré



Sources de cette partie:
L'eau dans la cellule vivante; État physique, fonctions
, Pascale Mentré, 2002, in L'eau dans les aliments, M. Le Mestre, D. Lorient et D. Simatos coord., Tec & Doc (ISBN: 2-7430-0523-8)
L'eau dans la cellule, Pascale Mentré, 1995, Masson
The Cytomatrix: A Short History of his Study, K.R. Porter, 1984, The Journal of the Cell Biology, vol 99, n°1
traduction ici ;
Water in the orchestration of the cell machinery. Some misunderstandings: a short review, P. Mentré, 2012, Journal of Biological Physics, vol. 38, no1, pp. 13-26, DOI 10.1007/s10867-011-9225-9
disponible en pdf ici (10/2012)
Rethinking cell structure, Review,
Sheldon Penman, 1995, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Vol. 92, pp. 5251-5257, June 1995)
traduction ici.



Un site en anglais (de Martin Chaplin) particulièrement riche: http://www.lsbu.ac.uk/water/index.html

Une page de culture générale sur l'eau

2.1.1 Voir et imaginer l'eau de la matière vivante






Nous nous intéresserons à l'eau au niveau de la matière vivante que nous appellerons parfois eau cellulaire, même si notre but avoué est de nous affranchir du concept de cellule.




Ce schéma tente de montrer comment on est passé, grâce à l'évolution des techniques d'observation, d'une eau cellulaire majoritairement liquide, à une eau cellulaire sous des états variés, l'eau liquide étant très rare.

Ce schéma est assez personnel et je suis intéressé par toute remarque à son sujet
Ce schéma a aussi pour but de fixer les ordres de grandeurs des dimensions et des objets observables ou imaginés aux différentes échelles (il a été réalisé pour une cellule eucaryote mais peut aussi s'appliquer, en tenant compte de l'absence de noyau et de structures membranaires internes, à la cellule procaryote):




le microscope optique (M.O. - 1) ne permet guère que de voir le noyau et le cytoplasme dont le contenu nous paraît clair mais hétérogène (un peu grumeleux). On peut aussi entr'apercevoir de gros organites comme des vacuoles, des chloroplastes ou des mitochondries. On peut colorer la cellule sans la tuer et voir par exemple les chloroplastes se déplacer entraînés par les mouvements du cytoplasme.


Au microscope électronique (M.E. 2 et 3) la cellule est morte et fixée. Les structures ne sont pas vivantes mais mortes. De plus, on ne voit que celles qui fixent le colorant utilisé (tétroxyde d'osmium). On observe cependant une grande variété de structures. En 2 on distingue des mitochondries, des vésicules et les citernes du réticulum. En 3 les plus gros assemblages protéiques apparaissent comme les ribosomes et les microfilaments du cytosquelette.


L'étape 4 n'est pas vraiment accessible à la microscopie pour des structures complexes en place mais représente ce que l'on peut imaginer être la réalité à partir d'observations de quelques éléments réellement observés mais isolés de la cellule et d'autres structures.




On reconnaîtra (en 4) en partant du coin gauche et en se déplaçant en diagonale vers le bas à droite: une vésicule dont la membrane (en noir) est une structure de près de 8 nm d'épaisseur, des macromolécules (en jaune) avec leur(s) couche(s) d'eau liée (les plus grosses protéines globulaires atteignent typiquement 5 nm de diamètre), un microfilament fin dessiné en arrière plan (en violet, leur diamètre varie de 5 nm pour les plus fins à 25 nm pour les plus épais), deux ribosomes (en gris, de diamètre environ 20 nm) autour d'un ARNm (en rouge, un filament de diamètre inférieur à 2 nm qui est le diamètre de la molécule d'ADN); les molécules organiques plus petites (de diamètre voisin du nanomètre - pensez qu'un aa comme la phénylalanine atteint déjà le nanomètre si l'on tient compte de sa couche d'eau liée - voir plus bas) avec leur(s) couche(s) d'eau liée encombrent le hyaloplasme; l'eau "libre" (en bleu clair) est rare et concentrée dans certains espaces.
Pour des données sur la structure de la matrice cytoplasmique (ou cytomatrix en anglais) voir la traduction d'un article de K.R. Porter de 1984 disponible ici ; The Cytomatrix: A Short History of his Study, K.R. Porter, 1984, The Journal of the Cell Biology, vol 99, n°1

Des résultats fondamentaux sur le cytosquelette (au sens large) de la cellule sont aussi disponibles dans l'article Sheldon Penman : Repenser la structure de la cellule. Revue de 1995 dont une traduction est diponible ici.(Rethinking cell structure, Review, Sheldon Penman, 1995, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Vol. 92, pp. 5251-5257, June 1995)






si 20% de l'eau de la matière vivante est une eau libre,
80% de l'eau de la matière vivante forme un film (~=1,1 nm d'épaisseur) en surface des macromolécules: c'est l'eau interfaciale


Si l'eau représente près de 80% en masse de la cellule vivante, cette eau est à près de 80% sous forme d'un film interfacial d'environ 1,1 nm d'épaisseur qui se trouve entre les molécules organiques structurant la cellule. Il reste donc 20% d'eau libre où s'appliquent les lois de la chimie des solutions aqueuses, principalement de l'eau présente dans des vésicules.



a - Exemple: l'eau de l'ADN



80% de la masse de l'ADN (extrait) est due à l'eau



Pour comprendre comment une augmentation de la surface de contact, qui est due à la faible taille des macromolécules, augmente considérablement le volume d'eau associé à un ensemble de macromolécules, on peut prendre l'exemple de l'ADN: à chaque nucléotide est associé environ 20 molécules d'eau (eau "liée", très structurée, non congelable) ce qui représente environ 80% du poids de la molécule d'ADN. Si l'on place de l'ADN cristallisé en solution aqueuse il gonfle, ce que l'on peut expliquer par la mise en place d'au moins une seconde couche d'eau entre les brins d'ADN, couche moins structurée et congelable, dont l'origine pourrait provenir du caractère fortement électrolytique de la molécule d'ADN. Dans une cellule vivante, l'eau associée à l'ADN atteint ainsi une masse nettement supérieure à la masse d'ADN. On peut donc comprendre que, tout comme ses composants moléculaires, dont la forme est à la fois stabilisée par l'eau et due en partie à cette hydratation, la cellule contient une énorme quantité d'eau, fortement structurante et structurée.


L'ADN, une molécule très hydratée


Pour une molécule organique de 2 nm de diamètre (de l'ordre de celui de la molécule d'ADN qui est plutôt grossièrement cylindrique) supposée sphérique (donc de volume 33,5 nm3), une couche d'hydratation dont l'épaisseur est estimée à 0,27 nm correspond à un volume de (4/3 π (2,273-23)nm3= 15,5 nm3 ) soit un volume relatif de (2,273-23/23 ) soit 46%.


Avec une deuxième couche d'eau on atteint 105 % et enfin 177% avec une troisième couche d'eau.
Il faut cependant raisonner en masse et non en volume et avec des molécules de forme très complexe, mais toute augmentation de la surface de la molécule va bien de le sens d'une augmentation de la masse d'eau associée dans des proportions très importantes qui ne sont évidentes que pour un chimiste.



b - Généralisation: eau liée, eau structurée et eau libre






Il est évident que, si la majorité des scientifiques actuels s'accordent pour la présence d'une couche d'eau "liée", l'épaisseur de la "coquille d'hydratation" est fortement discutée par les spécialistes.


La première couche d'eau est appelée eau liée (bound water).
Les couches d'eau d'ordre supérieur sont appelées
eau structurée (structured) ou polarisée (polarized) ou contrainte (strained) ou encore vicinale (vicinal).
L'eau dont les molécules ne sont pas en interaction avec la macromolécules forme une eau "libre" qualifiée d'eau
bulk. C'est par exemple l'eau contenue dans des vésicules (de pinocytose) d'un diamètre de l'ordre de 100 nm ou supérieur (vacuole des plantes ?).


Enfin il existe aussi une eau constitutive des macromolécules, inextractible sans modifier profondément la structure et la fonction de la molécule.



c - Petits calculs pour comprendre






En sachant que l'empilement de sphères le plus dense atteint près de 75% du volume total (c'est la fameuse conjecture de Kepler qui a reçu une démonstration faisant intensément appel à l'informatique par Hales en 1999), on peut faire entrer approximativement, dans un volume Vo donné d' environ 70 µm3, 100 sphères de 1 micromètre (1 µm) de diamètre, possédant une couche d'eau liée environ 1,1 nm d'épaisseur ou 73 millions de sphères d'un diamètre 100 fois plus petit (10 nm) avec une couche d'eau liée de la même épaisseur.
Le volume d'eau liée dans le premier cas est de l'ordre de 0,2 µm3 (en fait 0,25% du volume total) alors que dans le second cas, il atteint 14 µm3 (soit 20% du volume total).
Pour des ions hydratés les calculs sur le volume sont inefficaces mais on peut raisonner sur le nombre d'ions et de molécules. L'eau représente bien plus de 50% du volume. Un ion K+ est solvaté en moyenne par 4 molécules d'eau. Le rayon ionique (voir plus bas) est de l'ordre de 0,121 nm ce qui ferait plus de 7.000 milliards d'ions dans un volume de 70 µm3. Ce qui correspondrait à un nombre 4 fois plus élevé de molécules d'eau associées. En masse on a 35% de K+ pour 65% d'eau.


DIVISER pour CROÎTRE en surface

volume Vo (environ 70 µm3)
100 sphères
73 millions de sphères
1 µm de diamètre
10 nm de diamètre (1/100 µm)
une couche d'eau liée de 1,1 nm d'épaisseur
volume d'eau liée d'environ 0,2 µm3 soit 0,25% du volume total
volume d'eau liée d'environ 14 µm3 soit 20% du volume total




Cette analogie géométrique peut aider à comprendre comment une cellule contiendrait 80% de son eau sous forme d'eau interfaciale (liée) constituant un microfilm de 1,1 nm d'épaisseur autour des macromolécules cellulaires.








le cytoplasme n'est pas un milieu - un solvant plus ou moins liquide - de molécules en solution ...
le cytoplasme est un milieu hétérogène grouillant de molécules entourées par une eau qui leur est liée plus ou moins fortement




d - L'eau interfaciale de quelques molécules





Même si les spécialistes discutent pour savoir quel est le nombre habituel de couches d'eau liée autour des macromolécules, elles sont omniprésentes. Une molécule est toujours entourée d'eau plus ou moins fortement attachée à elle. Cette eau est ordonnée selon les interactions qu'elle développe avec la molécule à laquelle elle se lie: on parle ainsi d'eau liée ou d'eau structurée. Par rapport à la figure 1, cette figure correspondrait à un grossissement environ dix fois plus fort le grossissement le plus fort de la figure 1 soit environ 5.000.000 de fois; ce qui n'est bien sûr pas accessible à une quelconque technique microscopique sur des molécules en place dans un cytoplasme, et encore moins sur de la matière vivante. Nous devons donc nous contenter d'interprétations, réalisées par des méthodes indirectes, et non d'observations.



e - Quelques formes de l'eau interfaciale (un peu plus de chimie):






- les molécules d'eau établissent des liaisons hydrogène entre elles (structure ice-like) qui sont fortement favorisées dans les poches hydrophobes et au voisinage des domaines apolaires des molécules;


- les molécules d'eau (polarisées) sont fortement attirées par les domaines ionisés des molécules et forment une eau électrostrictée dont la densité peut atteindre 1,2. Les molécules d'eau électrostrictée s'échangent sans cesse avec l'eau bulk;


- les molécules d'eau sont fortement immobilisées par des liaisons hydrogène (de structure variées) au niveau des domaines polaires.


Les liaisons hydrogène sont responsables de nombre de propriétés originales de l'eau liquide et solide (voir
page sur l'eau).




La petite taille du proton est à l'origine de l'intensité de la liaison hydrogène car un champ électrostatique engendré par une particule de charge q varie en q/d2, si d est la distance au centre de la particule. Le proton forme un pont entre un atome donneur auquel il est lié de façon covalente (O) et un atome accepteur qu'il attire électriquement (O ou N, mais aussi C ou encore un nuage d'électrons π d'un cycle aromatique...) .


L'habituelle linéarité de la liaison hydrogène observée entre molécules d'eau dans la glace, n'est pas conservée dans toutes les liaisons hydrogène qui peuvent aussi présenter des énergies variables en fonction de leur longueur (8 kJ.mol-1 pour les plus courtes liaisons à 42 kJ.mol-1 pour les liaisons les plus longues). L'établissement d'une liaison hydrogène modifiant les caractéristiques du donneur et de l'accepteur, on observe un phénomène de coopérativité qui facilite l'établissement de liaisons en chaîne. Ces chaînes de molécules d'eau liée expliqueraient nombre de fonctions de l'eau interfaciale.





La solvatation résulte de l'établissement de liaisons électrostatiques entre les molécules d'eau et les ions et de liaisons hydrogène entre les molécules d'eau de cette "couche" dite de solvatation. Le nombre moyen de molécules d'eau de la couche de solvatation dépend de la charge de l'ion et de son rayon atomique: plus l'ion est chargé plus il attire les molécules d'eau; et à charge égale, plus un ion a un rayon ionique important, moins il attire de molécules d'eau.



Pour un ion de grande taille de charge négative comme le chlore, cette charge est répartie sur toute la surface de l'ion (1/S=1/π R2) est est donc plus faible que pour un ion de petite taille comme de sodium. Ainsi l'ion chlorure est solvaté par environ 3 molécules d'eau pour un rayon de solvatation inférieur au rayon de l'ion dans un solide ionique (NaCl) alors que l'ion sodium est solvaté par environ 5 molécules d'eau et son rayon ionique est presque deux fois plus faible que lorsqu'il est solvaté.


Un autre exemple est le lithium (ion Li+) qui est solvaté par environ 6 molécules d'eau ce qui fait passer son rayon ionique de 0,060 nm à 0,236 nm (soit près de 4 fois plus) lorsqu'il est solvaté. L'ion potassium (K+), volumineux, et ne portant qu'une seule charge positive, n'est solvaté que par 4 molécules d'eau en moyenne, et passe d'un rayon ionique de 0,133 nm à 0,121 nm lorsqu'il est hydraté.


Dans un champ électrique, EN SOLUTION, les ions les plus petits et les plus solvatés migrent le plus lentement.







Les clathrates sont des structures polyédriques à faces pentagonales qui contiennent des molécules d'eau réunies par des liaisons hydrogène et des molécules hydrophobes (on connaissait les clathrates en géologie où c'est une forme d'association de l'eau avec les hydrocarbures, et en astrophysique où ces structures ont été utilisées pour expliquer certaines caractéristiques spectroscopiques des rayonnements de certaines corps célestes) .



Les clathrates sont très stables, cristallisables, et peuvent contenir jusqu'à 90% d'eau.
On pense que des structures de type clathrates, imparfaites, seraient extrêmement fréquentes pour les molécules biologiques hydrophobes et même au voisinage des domaines hydrophobes de macromolécules.



Les 3 types principaux de structuration de l'eau au voisinage d'une macromolécule: eau de solvatation (remarquez la seconde couche d'eau liée à la première par des liaisons hydrogène: la première couche est appelée eau liée (sous-entendu à la macromolécule), la seconde, eau structurée), eau liée par des liaisons hydrogène à des domaines polaires ou à des nuages d'électrons π (là aussi une seconde couche d'eau stabilise la première couche), eau liée par des liaisons hydrogène en structures de type clathrate au voisinage de domaines hydrophobes (d'après Mentré, 1995, Fig 12.2 principalement).






l'eau de la matière vivante est très hétérogène
* elle est polarisée (anisotrope),
* elle présente des variations importantes dans son architecture, son degré de coopérativité et sa densité,
* elle possède un pouvoir solvant réduit,
* elle possède une activité osmotique réduite.




Ce premier paragraphe nous a donc permis de décentrer notre regard de l'eau pour le porter d'abord vers les macromolécules. Ce n'est qu'ensuite que le regard se tourne à nouveau vers l'eau comme composant essentiel de toutes ces macromolécules en milieu vivant. Si les élèves pouvaient ne plus imaginer une eau de tube à essais plus ou moins riche en macromolécules, mais un cytoplasme surpeuplé (le terme anglais de "crowded" est particulièrement évocateur) de macromolécules entourées d'une eau hétérogène. L'eau est un composant du vivant mais est inséparable des autres molécules. Mieux, c'est elle qui va donner l'unité aux molécules du vivant, non pas comme solvant mais avec des rôles bien plus variés.




f - C'est l'eau qui structure le vivant et non pas les membranes







les états de l'eau chez les êtres vivants


Sommairement on peut distinguer:


* un milieu thixotropique (avec à la fois des propriétés de solide et de liquide) : la matière vivante (c'est l'ancien contenu cellulaire ou tissulaire : parenchyme, muscle, épithélium, os...), avec 60 à 90% d'eau dont environ 20% correspond à de l'eau libre et 80% à de l'eau interfaciale
Pour les champignons et les plantes l'eau vacuolaire, libre, augmente encore fortement ce pourcentage.


* des barrières : les parois, mucilages et autres milieux d'échanges dont le contenu en eau libre est réduit mais pour lesquels la mobilité est forte


* des fluides: les liquides (plasma, sèves...) et les gaz (avec des goutelettes et microgoutellettes d'eau) qui sont des milieux particuliers où l'eau liquide libre est la phase dominante.
L'eau à l'état gazeux est aussi fortement présente chez les plantes dans les espaces et méats aérifères.





quels rôles pour les membranes ?




On remarquera que si c'est l'eau qui structure le vivant, il n'y a donc plus de barrière structurale au niveau des membranes. C'est une première atteinte à la notion de cellule, délimitée par une membrane. Les états de l'eau structurent bien davantage le cytoplasme que les couches fluides phospholipidiques membranaires.. Ou plutôt l'état de l'eau (ou de son absence) au niveau des membranes est un élément majeur de leur structure et propriétés.


Je signale ici au passage la vision de Sheldon Penman dans son article Repenser la structure de la cellule. Revue de 1995 dont une traduction est diponible ici. qui, après avoir mis en évidence les réseaux microtrabéculaires au sein du cytoplasme et du nucléoplasme, et proposé une intéressante vision de la cellule centrée non pas sur les membranes mais sur les couches protéiques (lamina limitantes externe de la cellule et du noyau), va chercher dans le génome non codant une improbable source d'information structurale (conclusion de l'article). En se détachant du modèle instructionniste génomique pour s'intéresser aux phases on irait bien plus vite dans la compréhension de la forme et de la dynamique cellulaire.


Les membranes monocouches ont une face hydrophile et une face fortement hydrophobe. Elles ont tendance à former des micelles au centre hydrophobe et à l'extérieur hydrophile.
Les membranes bicouches ont deux faces hydrophiles et un cœur hydrophobe. In vitro elles sont peu stables et donnent souvent des micelles. In vivo leur teneur en cholestérol et surtout en protéines détermine leurs formes.


Une interprétation particulièrement astucieuse de la topologie des membranes a été présentée par d'Yves Bouligand (sur l'ancienne page sur les modèles)

je recommande particulièrement la figure présentant Une "microzoologie" des formes observées et supposées de micelles "membranaires" ).ci-contre------------>




... deux visions de la compartimentation : la compartimentation métabolique permet de s'affranchir des limites cellulaires classiques : par exemple dans un muscle strié les unités fonctionnelles sont davantage définies par leur innervation (plaque motrice), celle-ci se fait très précocement au cours de l'embryogénèse...



Mais les membranes ne perdent pas pour autant leurs rôles dans la communication, mais plutôt que d'interfaces (cellulaires), elles pourraient servir de surfaces communicantes entre espaces dynamiques plus ou moins éloignés : des cosurfaces




Jean-Pierre Miolan : « Un nouveau mode de conduction des signaux nerveux », La Recherche, 413, nov 2007, 14-15


Les membranes, notamment des neurones, pourraient servir de surfaces communicantes par le biais de microdomaines lipidiques: des radeaux (rafts en anglais) de sphingolipides . Le mécanisme proposé par cette équipe fait intervenir l'activation en cascade d'une séquence de seconds messagers dont certains comme le céramide sont situés dans les radeaux. Il permettrait une vitesse de conduction du signal de l'ordre du cm à la minute. On notera bien que c'est l'activation des seconds messagers qui se déplace et non les radeaux.


Caroline Fasano, Jean-Pierre Miolan et Jean-Pierre Niel travaillent depuis un certain temps sur les sphingolipides membranaires; voir un article dans Médecine sciences accessible et en français: Les sphingolipides : vecteurs d'agents pathogènes et cause de maladies génétiques, Médecine/Science, avril 2006, 22, 4


article original en anglais: Fasano C, Tercé F, Niel JP, Nguyen HTT, Hiol A, et al. (2007) Neuronal Conduction of Excitation without Action Potentials Based on Ceramide Production. PLoS ONE 2(7): e612 doi:10.1371/ journal.pone.0000612



 (en travaux)


2.1.2 Les fonctions de l'eau





L'eau n'est donc plus seulement constitutive du vivant (matière vivante, milieu de vie) mais ses rôles se découvrent aussi énergétiques (mécaniques, chimiques...) et relationnels.
On n'a encore que quelques rares éclairages sur ces nouveaux rôles de l'eau qui n'est plus essentiellement un solvant mais une interface (détails in Mentré, 2002, p 94-101). C'est un renversement complet de la compréhension de l'eau qui tient désormais un rôle actif:




a - L'eau cytoplasmique n'est pas un solvant mais est organisée



* mais il existe d'autres gradients beaucoup plus pertinents: le gradient c'est la dérivée d'une fonction: une telle fonction ne peut s'appuyer sur des atomes et des molécules, elle doit provenir d'un champ qui n'est pas déterminé par des particules : champ de nutrition par exemple.





les concentrations in vivo sont trop faibles pour obéir aux lois de la chimie des solutions: la notion de gradient* de concentration perd tout sens dans une cellule:


On estime qu'une bactérie comme Echerichia coli ne contient qu'une centaine de protons qui sont éloignés les uns des autres de plusieurs centaines de nm et donc ne peuvent être responsables d'un gradient de concentration. De même pour les ions calcium que l'on estime à une concentration cellulaire de 10-3M dont 10-8M à 10-6 libres (non complexé par des macromolécules comme la calmoduline...) mais solvaté (entouré par des molécules d'eau).


Dans une bactérie comme Escherichia coli que l'on peut estimer parallélipipédique (de volume V=2.1.1 µm3 = 2.10-15 L), une concentration de 10-6M correspond à un nombre de molécules de calcium n = N (nombre d'Avogadro). 10-6. V soit n = 6.1023.10-6.2.10-15 molécules = 1200 molécules. De la même façon, une concentration de 10-8M correspond à un nombre de molécules de calcium n = N (nombre d'Avogadro)x 10-8. V molécules soit n = 6.1023.10-6.2.10-15 molécules = 12 molécules. En supposant chaque molécule au centre d'un cube de côté "a", la distance entre deux molécules est très approximativement égale à "a" soit RACINE CUBIQUE [(V/n)]. On trouve 0,1 µm pour la concentration de 10-6M et 0,6 µm pour la concentration de 10-8M. Pour une cellule supposée sphérique, on a les mêmes ordres de grandeur.



Comment imaginer qu'une dizaine d'ions ou même quelques milliers d'ions, séparés par de très nombreuses macromolécules puissent déterminer un gradient de concentration à de telles distances ! Quand aux compartiments membranaires habituellement invoqués pour présenter une concentration homogène, leur taille étant de l'ordre de la centaine de nanomètre (épaisseur d'une citerne golgienne ou du réticulum endoplasmique) au micromètre (mitochondrie), ils ne peuvent non plus contenir plus de quelques unités à dizaines d'unités de ces ions, bien incapables donc de déterminer un gradient de concentration. Cette remarque d'une part remet en cause probablement la mesure des concentrations aussi faibles que celles présentées et d'autre part oblige à considérer que les molécules sont avant tout liées à d'autres molécules dans la cellule et que l'eau ne joue que très rarement, le rôle de solvant.


Les concentrations extrêmement faibles estimées pour le vivant conduisent à des interprétations trompeuses si l'on pense que le compartiment cellulaire bactérien, par exemple, est un milieu homogène où la chimie des solutions en milieu aqueux pourrait s'appliquer. Ainsi une concentration en calcium de 10 nanomoles correspond à environ 12 ions calcium dans le cytoplasme. Avec des chiffres aussi petits il est indispensable d'envisager une chimie des milieux hétérogènes pour le cytoplasme dont une représentation très imagée est proposée. On reconnaîtra la membrane plasmique (en orange) avec des protéines membranaires (en jaune) , des ribosomes (en gris) et des éléments du cytosquelette (en violet). Le calcium libre est très probablement séquestré dans des microdomaines très localisés (en bleu foncé) dans lesquels on peut peut-être utiliser une chimie statistique avec par exemple la loi d'action de masses, mais il est incohérent de l'appliquer à l'ensemble du compartiment cellulaire.






les propriétés physiques du cytoplasme, sont hétérogènes et très variables selon les types de cytoplasmes dans les différents tissus, ce qui peut notamment être expliqué par les différentes formes de l'eau au sein de ce cytoplasme



Le hyaloplasme ne formerait pas une entité homogène au comportement physique identique sauf dans quelques cellules très spécialisées comme les hématies dont la compartimentation est réduite à un quasi-unique compartiment, monofonctionnel. L'immense vacuole des cellules végétales peut aussi constituer un bon exemple de compartiment d'une telle homogénéité.
La pression osmotique par exemple est un facteur que l'on ne peut probablement étendre à l'ensemble du compartiment cytoplasmique que dans ces cas exceptionnels. Il est bien plus probable que la quasi-totalité des cytoplasmes présentent plutôt une organisation en microdomaines où la pression osmotique est un facteur qui dépend des conditions locales principalement.


Une des théories les plus séduisantes sur l'organisation de l'eau cytoplasmique est la théorie de Watterson (1982,1991); la tension existant dans un volume d'eau est reliée par l'auteur aux mouvements vibratoires des molécules qui seraient dus aux phénomènes de coopérativité (résonance) observés entre les molécules d'eau reliées par des liaisons hydrogène.
Il a ainsi mesuré que le cytoplasme serait organisé en domaines (
clusters) d'environ 40 nm3 dont le diamètre correspond à la longueur d'onde vibrationnelle, voisine de 3,4 nm, les nœuds étant situés aux points où la tension est la plus faible. Chaque cluster contiendrait environ 1300 à 1400 molécules d'eau (pour un poids moléculaire de 24kDa).


Un point essentiel d'application de cette théorie est que la plupart des protéines intracytoplasmiques ont des dimensions qui correspondent précisément à un cluster: 40 nm3 pour un nombre de résidus compris entre 120 et 300 et un diamètre moyen de 3,5 nm. Ces clusters ne seraient pas des structures rigides mais dynamiques, très sensibles aux éléments introduits; les protéines polymériques par exemple, d'une taille supérieure à un cluster, modifiant la résonance de l'ensemble. Watterson propose de relier la stabilité de la matrice hyaloplasmique à l'harmonie vibratoire des domaines d'eau et de macromolécules entourées d'eau. La cohérence résultant alors non pas de forces de liaison mais de mouvements vibratoires résonnants, sensibles aux perturbations (et permettant ainsi de transférer extrêmement rapidement un signal (modification de la longueur d'onde...) d'un point à un autre) mais résistants grâce à leur souplesse.






paradoxalement, l'eau du cytoplasme vivant - surpeuplé de macromolécules - devient rare, étant utilisée de façon compétitive par les macromolécules; son accessibilité contrôle alors les activités des biomolécules



Un excès d'eau impliquerait un désordre par manque de structuration. Un (léger) déficit d'eau entretient la possibilité d'un contrôle par facteur limitant.


Pour étudier cette hypothèse P. Mentré et G. Hui Bon Hoa ont étudié des biomolécules sous haute pression hydrostatique (HPH), facteur connu pour favoriser une forte hydratation de ces molécules et donc une configuration qui maximise l'eau interfaciale, plus dense (d'après la loi de Le Chatelier).


Les résultats obtenus sur des cellules eucaryotes - qui semblent pouvoir supporter sans problème des pressions atteignant 1000 à 1200 bars (soit 100 à 120 MPa) pendant une dizaine de minutes - sont époustouflants : cytosquelette, complexes antigène-anticorps, ADN-facteurs, etc., se dissocient sous des HP de quelques dizaines de MPa et cet effet est réversible. Le contrôle des assemblages biomoléculaires par l'eau est en voie d'exploration.




b - L'eau canal de transport et de communication









L'eau n'est pas immobile mais percole le cytoplasme



Toutes les liaisons évoquées ci-dessus sont des liaisons dynamiques dont le turn-over est rapide. Une molécule d'eau engagée dans une liaison électrostatique avec un domaine ionisé d'une molécule reste moins longtemps dans cet état que dans l'eau bulk qu'elle rejoint au bout de quelque temps. L'eau interfaciale peut aussi se déplacer avec les structures cellulaires qu'elle enrobe, et ce, avec des vitesses bien supérieures à celle de la diffusion dans une eau bulk. On peut considérer que les molécules de toute petite taille sont capables de percoler avec l'eau interfaciale. La plupart des macromolécules, qui sont d'ailleurs souvent associées en complexes moléculaires, sont transportées.


Il n'en reste pas moins que ce que l'on nomme l'autodiffusion de l'eau dans la cellule reste un phénomène à explorer ( ce qui a déjà été commencé mais sort du cadre de cette synthèse partielle - voir Mentré,2002, p 103-104 et références) à la lumière de cette nouvelle vision de la cellule vivante.


Le transport de l'eau par les vésicules de pinocytose reste aussi un mode de transport rapide et efficace.






les transports de molécules, d'ions, de signaux se font d'autant plus rapidement qu'ils sont associés à des structures de transport de grande taille



Par exemple, au sein d'un axone, on estime la vitesse de diffusion de protéines isolées (de diamètre de l'ordre de quelques nm) inférieure à 0,01 µm.s-1, alors que avec des protéines transporteuses (de diamètre de l'ordre d'une dizaine de nm) on atteint des vitesses de l'ordre de 0,05 µm.s-1 et enfin, avec des vésicules (de l'ordre de 100 µm de diamètre) on atteint des vitesses de l'ordre de 0,5 µm.s-1. Pour chaque ordre de grandeur de taille on gagne un ordre de grandeur en vitesse (in Mentré, 2002, p 91).






les molécules d'eau liées forment un réseau subtil coordonateur



les chaînes de molécules d'eau, à la surface de macromolécules où reliant des molécules entre elles, présentent, comme dans la glace (mais avec une mobilité réduite cependant), une conductivité protonique efficace qui pourrait emprunter les circuits de conduction de l'eau interfaciale formant, selon l'expression de R. Peters un réseau subtil coordinateur.




Conduction protonique
ou
"transfert" d'un proton le long d'une chaîne de molécules d'eau liées par des liaisons hydrogènes
(d'après P. Mentré, 1995 et 2000)
Si le phénomène n'est guère contesté, ce modèle n'est cependant pas encore admis de façon unanime.
Dans ce modèle, il n'y a pas vraiment de déplacement du proton mais liaison covalente d'un proton en début de chaîne, transfert de liaisons covalente et électrostatique tout le long de la chaîne et libération d'un proton en fin de chaîne par rupture de liaison covalente. En terme de bilan il y a changement d'orientation de la chaîne de molécules d'eau à la suite du "transfert" d'un proton.







Cette conductivité est actuellement une piste majeure de recherche en biochimie,

  • notamment dans l'activité enzymatique (les molécules d'eau de la surface des enzymes, réunies en chaînes conductrices de protons à partir d'un certain seuil d'hydratation, seraient responsables, même sans aucune déformation de la molécule enzymatique, des changements d'activité)
  • ou dans le couplage entre pompes et canaux (le transfert de protons associé au fonctionnement d'enzymes hydrolysant l'ATP pourraient être à l'origine non pas d'un gradient d'H+ mais de courants protoniques microlocalisés qui donneraient un autre sens à la théorie dite chimioosmotique...)
  • ou encore dans le transfert de signaux ioniques (la transduction du signal calcium souvent présentée comme le résultat d'une cascade de réactions de phosphorylations-déphosphorylations le long d'une chaîne de kinases et de phosphatases, pourrait aussi résulter de l'enchaînement de proche en proche d'oscillations de molécules chélatrices entre un état où le calcium est masqué et un état où le calcium est libéré: la propagation du signal se faisant alors sans déplacement de calcium; des courants protoniques entre chaînes de molécules d'eau interfaciales le long d'une chaîne de macromolécules, pourraient aussi intervenir; on connaît ainsi une "onde" protonique qui semble suivre l'onde calcium en décrivant des cercles concentriques autour du point de contact du spermatozoïde avec l'ovocyte d'amphibien lors de la fécondation).




c - L'eau participe au métabolisme et le dirige peut-être








le pouvoir régulateur de l'eau structurée




La première couche d'eau interfaciale (eau liée) semble joue le rôle d'élément de contrôle principal, du fait notamment de sa forte coopérativité (elle est plus difficilement perturbable); la seconde couche étant surtout un réservoir. Mais les échanges entre ces deux couches (mécanisme appelé micro-osmose) sont eux-mêmes un élément essentiel du pouvoir régulateur de l'eau structurée en général.


l'eau interfaciale, par ses liaisons multiples avec des domaines variés des complexes moléculaires contrôle leur assemblage-désassemblage et leur fonctionnement.
L'eau impliquée dans les assemblages des complexes macromoléculaires, par exemple avec les liaisons hydrogène établies avec les domaines polaires, interviendrait aussi pour orienter ces assemblages et participerait à la dynamique de leur assemblage-désassemblage. De la même manière, l'eau interfaciale semble intervenir directement dans le contrôle de l'activité de molécules fonctionnelles comme par exemple les enzymes. Récemment on a attribué la transition allostérique (avec changement de conformation et coopération entre les 4 sous-unités protéiques) entre la molécule d'hémoglobine désoxygénées (Hb) et la molécule oxygénée (HbO8) à la liaison de 60 molécules d'eau à la molécule d'Hb, cette eau provenant essentiellement de domaines ice-like de l'eau interfaciale associés à des domaines hydrophobes de la molécule d'Hb. L'eau est directement impliqué dans de nombreux autres processus que l'on découvre petit à petit: réactions allostériques, dénaturation des protéines, assemblage des microtubules, dénaturation de l'ADN... , notamment à travers le processus de compensation enthalpie-entropie qui manifeste thermodynamiquement la structuration-déstructuration de l'eau
(voir références in Mentré 2002, p 97).


On peut aussi citer les nombreuses enzymes activées spécifiquement par le potassium et non par le sodium. Le contrôle de l'activité de ces enzymes serait directement due à l'eau interfaciale. En effet, le site catalytique des enzymes est généralement hydrophile mais situé la plupart du temps au fond d'une poche hydrophobe. Quand le substrat se lie au site de l'enzyme le caractère hydrophobe de la poche s'accentue ce qui tend à structurer davantage l'eau (ice-like). Cette structure à la propriété d'exclure fortement le Na+ mais non le K+ (voir deux paragraphes plus loin, l'utilisation de la série de Hofmeister). Les ions K+ entrent alors dans la poche et déstructurent l'eau (état vapor-like) qui augmente de volume. Cette effet mécanique entraînerait l'ouverture de la poche et la libération du produit de la réaction enzymatique (in Mentré, 2002, p 96, §3.2.2).








l'eau interfaciale, comme son nom l'indique, contrôle, par sa position, les mécanismes informationnels supposant une reconnaissance moléculaire (topologique).
Un exemple démonstratif est ce l'on nomme l'effet star: le pourcentage de coupures non canoniques (erronées) réalisées par une enzyme de restriction (EcoR1, dont la séquence canonique est AATT) augmente linéairement avec la pression osmotique. Les auteurs de cette expérience l'interprètent comme la nécessité de l'expulsion de l'eau interfaciale du domaine de liaison enzyme-ADN. Aux fortes pressions hydrostatiques l'eau interfaciale est stabilisée, la reconnaissance ne peut se faire et toute activité de coupure enzymatique est bloquée. On peut extraire une partie de l'eau d'hydratation en augmentant la pression osmotique, dans ce cas on favorise la reconnaissance et la liaison enzyme-ADN et donc la coupure de celui-ci, même pour des sites non canoniques.


l'eau interfaciale, de par ses propriétés physiques, peut contrôler la composition chimique de la cellule: c'est par exemple l'exclusion sélective des ions.
L'eau interfaciale, polarisée, exclue d'autant plus fortement les ions qu'ils génèrent un champ électrique élevé (selon la série de Hofmeister). Donc à taille égale ce sont les plus chargés qui sont les plus exclus et à charge égale, ce sont les plus petits qui sont les plus exclus.

poids atomique croissant >>>>>>>
et / ou charge électrique décroissante <<<<<<<<<<<<
diamètre décroissant à l'état hydraté <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba 2+ < < Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+
citrate3- < tartrate2- < SO42- < < Cl- < NO3- < ClO3- < I- < SCN-

ions cosmotropes
(du grec cosmos = ordre - structurent l'eau; en anglais kosmotropes)
de gros diamètre - solvatés - rendent l'eau interfaciale encore plus structurée
plus exclus de la cellule

ions chaotropes
(du grec chaos = désordre - déstructurent l'eau; en anglais chaotropes)
de petit diamètre - peu solvatés - solubles dans l'eau interfaciale qu'ils déstructurent
moins exclus de la cellule

Série de Hofmeister : cations et anions




Les ions chaotropes, à la différence des ions cosmotropes circulent facilement dans les couches d'eau qu'ils déstructurent. C'est une raison avancée pour expliquer que le potassium, contrairement au sodium n'est pas exclu de la cellule. Certains auteurs estiment que la plus forte concentration en potassium du hyaloplasme par rapport au sodium est une conséquence directe du pouvoir solvant sélectif de l'eau interfaciale et non le résultat d'une activité membranaire. On a même montré expérimentalement que des cellules, dont les membranes ont été perméabilisées par des détergents, et placées dans des milieux riches en sodium, calcium et magnésium, ne s'enrichissaient pas notablement en ces ions (alors que leur concentration ionique est faible pour ces ions). Par contre, ces cellules à membrane perméabilisée, placées dans un milieu riche en potassium (mais moins riche que la cellule), perdent rapidement leur potassium.






les réactions chimiques du métabolisme se font dans des structures complexes, sans eau libre, ce qui explique des rendements proches de 100%




La faiblesse des rendements en solution aqueuse peut être due au peu d'accessibilité des substrats; l'excellent rendement pour des enzymes associées en complexe est dû à la diminution du temps de transit d'une enzyme à l'autre; on désigne ce mécanisme d'association par le terme de canalisation (chanelling) ou d'une façon plus générale de compartimentation métabolique qui exprime l'idée d'association des enzymes impliquées dans une même chaîne métabolique .


La compartimentation métabolique est donc une notion qu'il faut étendre à la totalité de la cellule, en relativisant la notion de membrane et des canaux ou transporteurs qui lui étaient associés. Un compartiment métabolique peut très bien se répartir à la fois dans un organite, le long d'une membrane et à l'extérieur de celle-ci.


L'eau structurée pourrait servir de réseau de coordination des signaux intracellulaires au sein de laquelle les transports seraient nettement plus rapide que dans une eau libre; des résultats assez convaincants ont déjà été obtenus avec des mouvements de protons qui transmettent des signaux extérieurs en signaux intracellulaires.






le pouvoir mécanosensible ou mécanogénérateur de l'eau par micro-osmose
les déplacements d'eau depuis la seconde couche d'hydratation vers la première couche d'eau liée (mécanisme de micro-osmose) s'accompagnent de changements de densité, donc de volume, et induisent alors des effets mécaniques.



Le rôle de ces changements de densité dans les moteurs moléculaires a fait l'objet de nombreuses recherches. On a notamment proposé (voir références d'Oplatka, in Mentré, 2002 p 100-101) l'existence de minijets d'eau à l'interface des molécules d'actine et de myosine associées dans les myofilaments des cellules musculaires. Le glissement relatif entre les myofilaments serait du à la force mécanique de l'eau déstructurée projetée sous forme de minijets, ce qui a fait comparer le mécanisme de la contraction musculaire ainsi revisité à un moteur alternatif à vapeur.
Le flagelle bactérien en rotation rapide (40 à 60 tours par seconde) et l'ATPsynthase, fonctionneraient de même comme des turbines à eau. Des minijets seraient dirigés sur des minirotors et les feraient tourner.


Les effets mécaniques des changements de densité de l'eau structurée pourraient aussi rendre compte de la transduction de signaux notamment depuis la membrane jusqu'aux structures internes de la cellule par le biais du cytosquelette. Une déformation de la membrane cellulaire peut modifier par contrainte mécanique la structure de l'eau structurée au voisinage de cette membrane. Cette modification pourrait ensuite se transmettre, mécaniquement, de proche en proche, au sein de l'eau d'hydratation des éléments du cytosquelette que l'on sait se polymériser/dépolymériser à grande vitesse. On a ainsi mis récemment en évidence que 10 à 12 molécules d'eau s'associent à la molécule d'actine au cours de son étape de polymérisation.


Remarque personnelle 1:
Cette sensibilité de l'eau structurée située dans le cytoplasme cortical de la cellule à des stimuli mécaniques, et surtout sa capacité à transmettre ce signal mécanique le long du cytosquelette puis finalement à réaliser la transduction du signal mécanique en un signal chimique par le biais de la micro-osmose (un changement de pression et donc de densité de l'eau interfaciale peut induire la stabilisation d'éléments chimiques cosmotropes ou l'exclusion d'éléments chaotropes... voir paragraphe ci-dessus), pourrait rendre compte de la sensibilité de nombreuses cellules nerveuses, plus ou moins modifiées, à la pression (que l'on nomme barorécepteurs).
Remarque personnelle 2:
Cette approche des systèmes protéiques motiles à base d'actine, dont le mécanisme de contraction serait intimement lié aux propriétés mécaniques de l'eau structurée, semble être une piste prometteuse de recherche. L'actine est l'élément motile essentiel du cytoplasme cortical, qui est le siège de la cytocinèse (division du cytoplasme) pour toute cellule eucaryote (voir ci-dessous). Le rôle du cytosquelette cortical n'est pas non plus à négliger dans la contraction musculaire d'une fibre striée (les microphotographies avec coloration des filaments d'actine montrent un réseau extrêmement riche dans ces cellules, en plus de myofilaments classiquement présentés). C'est encore l'actine qui peut être à l'origine de la sensibilité à la pression d'une villosité, si on invoque ce mécanisme de couplage avec l'eau structurée.




2.2 Les phases du vivant : la physique de la vie

....encouragements à suivre de nouvelles pistes


Cette partie
est déplacée depuis la page sur les niveaux d'organisation du vivant

«... il y aurait lieu d'introduire de manière plus systématique la notion de "phase" : le tissu osseux est - à peu près - une réalisation de la phase solide ; le tissu sanguin réalise une phase liquide ; or chaque phase a son propre "groupe de symétrie" qui lui aussi agit dans l'espace u des coordonnées spatio-temporelles ; d'où des contraintes sur l'application de l'espace (u) dans le "déploiement" de la bifurcation, application qui définit la croissance et le mouvement de la phase correspondante. Les phases locales définies par des minima des potentiels V(x; u) seraient à la fois en équilibre "sémantique" - dans un champ sémantique approprié - et globalement, des contraintes de conservation des espèces chimiques et de leur ordre moléculaire imposeraient des relations entre les modes de croissance de ces phases (noter que le problème analogue de la croissance d'une phase en milieu inanimé - par exemple, une cristallisation - n'est pas résolu). On pourrait donc qualifier cette méthode de structuralisme dynamique ; elle réconcilie Geoffroy-Saint-Hilaire et Cuvier : Geoffroy, parce que la succession des différenciations successives dans l'embryon se réalise de manière sensiblement isomorphe entre diverses espèces de Vertébrés ; Cuvier, parce que les potentiels locaux V(x; u) (ou fonctions de Lyapunov) ont une signification fonctionnelle liée à la régulation globale de l'organisme. On a affaire là à une sorte de vitalisme méthodologique , nullement incompatible, d'ailleurs, avec le réductionnisme physico-chimique.» René Thom, 1981f11


Dynamique globale et morphologie locale chez les êtres vivants, 1981, 11. Preprint IHES, Bures-sur-Yvette, cf. ULP, Sém. Fond. Sc. RCP 443, Strasbourg, 13 novembre 1981).




Les modèles thomiens en SVT

page complémentaire sur les modèles de la théorie des catastrophes

page sur le continu


La phase d'un système (au sens de la thermodynamique) est définie comme une partie homogène séparée des autres parties du système par une surface (EU, "Transitions de phase").

Mais cette surface est définie non pas dans notre espace de perception (euclidien, à trois dimensions: la longueur, la largueur, la hauteur) mais dans un espace de dimension souvent assez grande ou espace des phases où le système possède un état totalement défini à partir des ses coordonnées.


On peut aussi dire que l'espace des phases est l'espace le plus simple qui permette de définir de façon précise l'état d'un système (voir page sur le continu). Cet espace possède comme coordonnées les variables dynamiques indépendantes du système. À tout instant le fait de connaître les coordonnées du système dans l'espace des phases permet de connaître son état (dynamique).

Dans les lignes qui suivent le mot "phase" sera donc utilisé de façon indifférente pour désigner une étape d'un phénomène (le temps étant alors la variable principale) qu'un ensemble plus ou moins homogène matériel (une molécule, un tissu, un organe) ou immatériel (une surface, un volume...).


Avec le vocabulaire aristotélico-thomien une phase c'est un anhoméomère (1987f9). Un système peut comporter une ou plusieurs phases.






2.2.1. Les phases moléculaires et macromoléculaires

essai de formalisation des dynamiques


Quelles sont les dynamiques attachées aux phases moléculaires ?
Une liste en a été établie dans le
cours de 1èreS:
synthèse (naissance, condensation...), réplication (séparation, duplication...), dégradation (coupure...), agglomération (liaison...), transfert (déplacement, transport, rejet...), déformation (rotation, pli, contraction, étirement...)...

Voici un essai de présentation à partir de l'exemple de l'ADN.


Les dynamiques sont en nombre fini. Elles sont contraintes par le lois de la matière.

 



l'ADN est présent selon plusieurs phases correspondant à des dynamiques différentes


L'ADN est une des macromolécules les plus étudiées. L'idée selon laquelle l'organisation structurale de la molécule dans l'espace et dans le temps (dynamique) pourraient contrôler ses fonctions est bien ancienne.
L'idée, ici, serait de séparer les différentes formes de l'ADN que l'on rencontre dans la cellule (ou hors de la cellule) comme autant de phases et non plus comme un seul objet décrit par ses caractéristiques chimiques. La fonction, pour chaque phase, serait étroitement associée à la dynamique - ne pas oublier que l'on s'efforce ici de proposer un modèle continu et non une dynamique qui résulterait de la somme des dynamiques élémentaires de chaque composant (les molécules). La dynamique vient clairement d'ailleurs que de l'ADN.



E.U. article "cristaux liquides" et tous les travaux d'Yves Bouligand; phases mésomorphes, myéliniques, smectiques et nématiques


1er cas:
L'ADN forme, avec des protéines particulières, des assemblages originaux lors de la division cellulaire: les
chromosomes, phase solide ou mésomorphe. L'échelle de temps est ici typiquement l'heure.
La dynamique de catastrophe-mitose a été modélisée par René Thom. Les chromosomes seraient les points stables de la dynamique...
(voir chromosomes).


2ème cas:
l'ADN, sous forme
filamenteuse, est répliqué selon un processus enzymatique.
La dynamique de réplication est enzymatique mais il ne s'agit pas uniquement de l'allongement d'une molécule, comme dans le cas déjà étudié de la traduction (voir la
fonction ribosomiale), mais en même temps d'une séparation-réassemblage (une fente qui s'ouvre et se ferme). Le temps caractéristique est d'un ordre inférieur à la minute.


On dit souvent que les acides nucléiques ne peuvent former seuls de grands assemblages macromoléculaires alors que les protéines le peuvent. C'est relativement faux puisque lorsque l'ADN n'est que peu entouré de protéines (bactéries, certains protozoaires, certains noyaux de spermatozoïdes...) on observe des phases dites cholestériques de filaments plus ou moins orientés. Ces phases sont de même nature que celles observées dans le cas des fibres de cellulose ou de collagène...


Voir les travaux d'Yves Bouligand (EPHE, voir articles dans E.U.: phases mésomorphes, cristaux liquides) ou de Françoise LIVOLANT (Laboratoire de Physique des Solides, Université Paris Sud, Orsay; voir la page sur l'ADN condensé).






2.2.2. Les phases cellulaires, relationnelles ou sociales

Comme pour les molécules on ne s'attache pas aux propriétés d'un ensemble d'éléments (cellules, fibres...) mais à des surfaces ou des volumes (des espaces...) dont les propriétés dynamiques viennent d'autre part que des propriétés de leurs composants.


Une première distinction peut se faire selon le critère de cohésion des phases:
- les liquides (sang, lymphe) possédant des cellules en suspension dans un fluide en mouvement sont des phases qui assurent de par leurs caractéristiques physiques le transport de nutriments ou de déchets, d'informations ou de messages, de cellules ou de fragments cellulaires (plaquettes, grosses protéines...). La dynamique de ces
tissus fluides est fondamentalement de type relationnel. Ils interviennent aussi dans le maintien de la structure du corps (du fait de la faible compressibilité des liquides qui permet de structurer des organes mous : c'est le principe des nombreux tissus érectiles).
- les solides sont majoritaires mais selon l'échelle où l'on se place on a parfois beaucoup de difficulté à caractériser la transition solide/liquide. Cette difficulté est assez bien représentée par la manière dont l'on comprend actuellement les propriétés
thyxotropiques du cytoplasme (voir la conférence CMB) dont on peut extrapoler les caractéristiques à une échelle plus petite (tissulaire).


La découverte récente de l'établissement de nanotubes entre bactéries (même de deux espèces différentes) d'une même culture me semble être une bonne occasion de s'intéresser à la géométrie (et à la dynamique) de la genèse d'un pont cytoplasmique entre deux cellules en la comparant à la dynamique (voisine) de la fusion cellulaire et enfin à celle (partiellement opposée) de la division cellulaire.


On a gardé le nom de tissu (un héritage de la théorie tissulaire) pour désigner des assemblages de cellules associées pour assurer une fonction commune.






Plutôt que de se focaliser sur les types physiques on peut faire une description plus géométrique des différents tissus :


L'œuf est une boule puis deux types embryonnaires fondamentaux se dégagent:
- tissus plans (de revêtement) : les épithéliums; caractérisés par deux surfaces parallèles d'interaction avec les phases voisines (bords) délimitant une unique phase homogène, souple, mobile (souvent en croissance en épaisseur ou en longueur)...Ces phases planes décrivent le plus souvent des solides en 3 dimensions (sphères creuses, cylindres, doigts de gant...), ce qui diminue le nombre de bords qui, dans le cas de la sphère peut donc se limiter à deux surfaces emboîtées.
- tissus en boule, constitués d'une unique phase homogène délimitée par une seule surface de contact avec les autres phases.

On observe dans certains embryons un changement de phase "boule --> plans" par exemple en cas de la formation d'une cavité (cœlome...) au sein d'un massif embryonnaire.


À la suite du développement embryonnaire les géométries de base se complexifient et surtout peuvent se rompre en sous-unités qui peuvent même changer de phase.

L'exemple le plus étudié est celui de la croissance ramifiante des réseaux d'échanges pulmonaires. La dimension fractale donnant lieu, par réitération, à l'arborescence bronchique. Une analogie évidente peut être faite avec les mélanges de phases entre deux fluides de densité plus ou moins voisine.

Voir quelques données anatomiques et biophysiques sur la ventilation de l'homme (cours de seconde, &2.1.1)

Dans le même registre voir les travaux de Vincent Fleury (Des pieds et des mains ; Genèse des formes de la nature, Flammarion, col. Champs, 2003).


Dans un domaine encore bien peu exploré sous cet angle on pourrait s'efforcer de comprendre les périodes critiques embryonnaires (avec acquisition ou perte de compétence) comme des discontinuités ou des transitions de phases lors d'un développement autonome.

Travaux de Rosine Chandebois (support mathématique inexistant à construire), travaux de Vincent Fleury (support mathématique élémentaire plutôt de l'ordre de l'analogie) et bien sûr travaux de René Thom (mathématiques mais sans support embryologique précis...).

En travaux






2.2.3. Les phases fonctionnelles ou des organes

Ce domaine est encore moins balisé que les deux précédents. Les fonctions sont la plupart du temps considérées comme émergentes; je préférerais ici les voir comme héritables et stables pour chaque individu (sans support matériel a priori)..


Le premier exemple que l'on pourrait essayer de formaliser est celui de la nutrition. On possède d'abord une assez bonne description mathématique du lacet de prédation chez Thom (et Lacorre - voir cours de Terminale Spécialité) ainsi que des considérations plus générales sur la blastula physiologique ou son équivalent chez les plantes (voir extrait d'Esquisse d'une sémiophysique dans le cours de Terminale Spécialité).


Suivant l'adage, rappelé par Thom, la fonction crée l'organe, non pas au sens actuel supposé Lamarckien (voir ancien cours de TS sur l'évolution, encadré sur Lamarck, qui proposait une philosophie matérialiste mécaniciste) mais au sens de la propagation de prégnances* (voir cours de 1èreS, généralités sur les niveaux d'organisation, &2.3). Capture, digestion, absorption... sont autant de phases nutritionnelles qui peuvent reposer sur des fonctions... dont les caractéristiques peuvent expliquer les morphologies des organes. Une surface d'absorption ou d'échange entre deux milieux est contrainte par la fonction à une géométrie plus ou moins définie.


*voir les 4 causes d'Aristote en SVT pour le vocabulaire thomien

 

 

 

En travaux



2.3 Les fonctions du vivant : la vie mathématisée



« D'une manière générale, le progrès le plus radical qu'une science puisse accomplir consiste à faire entrer les résultats déjà acquis dans un ensemble nouveau, par rapport auquel ils deviennent des vues instantanées et immobiles prises de loin en loin sur la continuité d'un mouvement. Telle est, par exemple, la relation de la géométrie des modernes à celle des anciens. Celle-ci, purement statique, opérait sur les figures un fois décrites; celle-là étudie la variation d'une fonction, c'est-à-dire la continuité du mouvement qui décrit la figure. On peut sans doute, pour plus de rigueur, éliminer de nos procédés mathématiques toute considération de mouvement; il n'en est pas moins vrai que l'introduction du mouvement dans la genèse des figures est à l'origine de la mathématique moderne. Nous estimons que, si la biologie pouvait jamais serrer son objet d'aussi près que la mathématique serre le sien, elle deviendrait à la physico-chimie des corps organisés ce que la mathématique des modernes s'est trouvée être à la la géométrie antique.» Bergson, l'Évolution créatrice, 1907, 32



Il y a, dans ce texte de Bergson un profonde résonance avec l'œuvre de Thom. Ils s'accordent dans l'importance à accorder à la notion de fonction dont j'ai déjà parlé ailleurs.





approche probabiliste de l'homogène versus approche individualiste (spontanée ou autonome)


Le cytosol , vu de très loin, et avec une résolution inférieure à la distance entre les éléments d'un système macromoléculaire (que l'on pourrait chiffrer à quelques dizaines ou centaines de nanomètres), est homogène chimiquement.

Mais si l'on s'approche des éléments moléculaires (à une distance inférieure à la dizaine de nanomètres) l'hétérogénéité saute aux yeux et il semble nécessaire de changer de modèle et passer à un modèle qui tienne compte de l'individualité des molécules.


Du point de vue philosophique deux courants (au moins) me semblent pertinents pour comprendre cette individualité :
- la vision non causale d'une individualité émergente (c'est la voie majoritairement suivie maintenant, souvent rattachée aux termes d'autonomie et de hasard)
- la vision causale (et non pas déterministe
, voir 4 causes) qui peut reposer sur une compréhension moderne de la finalité en biologie (voir les 4 causes d'Aristote en SVT); c'est la voie que je m'efforce de développer ci-dessous. Je crois pouvoir me permettre de dire que c'est aussi la voie de RenéThom.


Dans le tableau ci-dessous je mets en regard deux conceptions d'un système métabolique (ou chaîne métabolique) théorique où un substrat est transformé en un produit: la vision probabiliste à gauche et la vision causale à droite.

Ces éléments sont inspirés du chapitre 12 (L'eau, une interface hétérogène et dynamique des macromolécules) du livre de P. Mentré (L'eau dans la cellule, Pascale Mentré, 1995, Masson) mais la formulation et le développement des idées déforment peut-être la pensée de cet auteur auquel je renvoie.

une chaîne métabolique résultant d'interactions discrètes, déterministes et quantifiables statistiquement


une chaîne métabolique résultant d'une (au moins) fonction continue, parfois inaccessible


modèle "soupe*"

chaîne métabolique statistique

modèle "machinerie haute technologie*"

chaîne métabolique finaliste

* termes empruntés à P. Mentré: Organization and properties of water in cell system, in Integrated Plant Systems, H. Greppin et al., eds., 2000, University of Geneva, pp 3-22

substrat ---->

système métabolique statistiquement homogène compris comme
- un ensemble statistiquement déterminé de molécules en solution aqueuse (non dénombrables) dont le comportement dépend des:
- concentrations
(et donc d'une répartition supposée statistiquement homogène) des espèces en solution et de
- réactions à l'équilibre
(et donc une vitesse moyenne (statistique) de réaction dépendant des paramètres physiques et des concentrations...).

---> produit

substrat ----->

système métabolique hétérogène composé de:
- molécules dénombrables (tant de molécules de telle enzyme, tant de molécules de telle autre enzyme) et donc considérées comme des molécules individuelles, à un emplacement donné (environnement particulier), avec une fonction donnée et des paramètres individuels (qui peuvent varier selon les molécules)
- ayant un mobile commun déterminé par UN SEUL CHEMIN possible
(ou quelques-uns) pour aller du point d'entrée au point de sortie ("mobile" au sens étymologique (mécanique) de rouage pris ici selon son sens analogique dérivé de fin).

---> produit


Un système contenant un très grand nombre de molécules
(le nombre d'exemplaires de chacune des trois espèces moléculaires est bien inférieur sur ce schéma simpliste à ce qu'il devrait être pour que le modèle statistique soit valide étant donné qu'il nécessite la diffusion aléatoire des molécules entre les éléments du système). Les molécules appartiennent à 3 espèces chimiques (1,2 et 3 (en bleu)) en solution (homogène). Un substrat S donne par réaction métabolique un produit P. Deux chemins sont représentés qui passe successivement par les 3 espèces moléculaires: le chemin le plus court (en pointillés) et un des chemins les plus longs.

Trois espèces chimiques (1, 2 et 3 (en bleu)) groupées en un système hétérogène à 4+4+8 éléments. Le substrat S est métabolisé en un produit P.

Remarque:
il faut bien noter ce que cette présentation a de nouveau, ce qui n'est peut-être pas si clair en regardant ce schéma simpliste. En effet, les complexes métaboliques sont connus depuis fort longtemps mais on s'était contenté, à ma connaissance, de signaler qu'ils augmentaient les vitesses et les rendements des réactions métaboliques. Dans une vision individualiste et finaliste le chemin métabolique est une conséquence structurale et fonctionnelle de ces assemblages que l'on peut décrire non plus en terme d'ordre mais de fin (but): tel système pour telle fonction. Cette démarche était déjà employée pour des assemblages moléculaires comme un ribosome ou une molécule d'hémoglobine (HbO8), notamment lorsque l'on parlait d'autonomie ou d'autoassemblage en renvoyant implicitement à un moteur chimique; il s'agit ici de l'étendre à TOUTES les structures du vivant.






fonctions locales et fonctions globales

Voir l'extrait de Paraboles et catastrophes de René Thom dans l'ancien cours de 1èreS.


Le terme de fonction a probablement une origine biologique et sociologique. Cette idée n'a été soutenue que tardivement par René Thom ( voir Analyse sémantique d'un mot polysémique: la fonction, 1993, Séminaires de la Société de Biologie Théorique, année 1992-1993, Acta Biotheoretica, 42 ).

Puis la fonction a été formalisée en mathématique (dans le plan, la fonction (numérique) d'une variable (x) est représentée par un graphe y=f (x); en mathématique la représentation d'une relation de quantité (avec des variables numériques) ou de qualité entre deux ensembles d'objets est défini par le terme moderne d'application (Fréchet, 1909)).

La fonction est enfin retournée dans le domaine social et dans celui de la biologie.


Pour un système vivant on ne peut pas parler de fonction -au sens strictement biologique - au niveau local (fonction alcool ou déshydrogénase...; c'est pour cela, je crois, que les chimistes préfèrent maintenant employer le terme de groupe fonctionnel pour des molécules).

On garder donc le terme de fonction pour des phénomènes physiologiques globaux: d'abord les grandes fonctions non locales du vivant (nutrition, relation, reproduction), puis des fonctions comme l'homéostase ou encore la fonction enzymatique.


Qu'est-ce que la vie ?

Se nourrir est une fonction homéostatique (cours de seconde)

La fonction enzymatique est une fonction topologique (cours de 1èreS)






application directe: le clonage

ancienne page sur les manipulations cellulaires et le clonage

 

 

Dossier Généthique à recommander: pour la compréhension des enjeux:
http://www.genethique.org/ doss_theme /dossiers / clonage/ clonage.asp (même si ces pages ne présentent absolument pas les pistes théoriques que j'indique ici... loin de là. Le paradigme moléculaire est vraiment dominant).


Notre compréhension du clonage repose grandement sur la théorie cellulaire.

Une première alternative, suivie par exemple par Mme Chandebois (voir ses ouvrages dans la bibliographie), a été de redonner une certaine autonomie aux cellules et surtout de mieux faire comprendre que c'est avant tout l'environnement qui détermine le destin d'une cellule (et non un programme génétique interne).


Mais on peut aller nettement plus loin. Si l'on s'affranchit des limites cellulaires et que l'on veut bien regarder l'embryon comme un tout, avec les grandes fonctions non locales qui le définissent comme UN être vivant, on peut progresser dans une direction originale.


Dans une vision que l'on pourrait qualifier de holiste ou fonctionnelle, un embryon au stade une cellule est totipotent parcequ'il possède la totalité des champs fonctionnels du vivant : c'est un être vivant complet. Que l'on puisse le dupliquer en altérant la fusion des premiers blastocystes aux premiers stades embryonnaires (2, 4 ,8 cellules) n'est pas non plus vraiment surprenant puisque les fonctions semblent encore peu localisées. Les cellules souches embryonnaires (stem cells) sont prélevées au stade blastocyte (100-200 cellules) et possèdent encore clairement ces fonctions globales : elles sont totipotentes.






Pour des données sur les cellules souches (dans le cadre du paradigme moléculariste) http://www.genethique.org /doss_theme/ dossiers/ cellules_souches/ acc.cellulessouches.htm


Au cours de la différenciation les fonctions deviennent de plus en plus locales et complexes dans leur géométrie (par exemple la nutrition est assurée par un appareil comprenant plusieurs organes et la fonction globale s'est en quelque sorte multipliée en sous-fonctions locales, aucune partie n'ayant la capacité de réaliser la fonction globale de nutrition). Une cellule appartenant à un organe ou plus exactement un fragment de tissu ne possède donc pas non plus une fonction globale complète. On notera en effet que l'on ne prélève pas les cellules, isolément, mais un fragment tissulaire dont on dissocie ensuite artificiellement les cellules. Les cellules manipulées sont donc plutôt des fragments tissulaires vis-à-vis des fonctions.


Que signifie alors le fait que ces fragments tissulaires différenciés puissent être utilisés pour donner des tissus différents (pluripotents) ? Je doute que la totalité des fonctions du vivant puissent à nouveau être transmises par ces fragments (et puisse donc donner, par quelque traitement que ce soit, un individu complet : totipotence). D'ailleurs on peut penser que les dédifférenciations ne puissent se faire qu'entre tissus intégrés à une même fonction globale: nutrition ou relation... mais, comme les limites en sont bien difficiles à cerner, cela ne semble pas forcément une évidence.


Ces fragments tissulaires peuvent être "reprogrammés", c'est-à-dire qu'ils perdent (le plus souvent à la suite d'une manipulation génétique réalisée par l'insertion de séquences virales associées à des séquences de l'organisme père) leurs caractéristiques de tissus différenciés et qu'ils peuvent donner des types tissulaires plus ou moins variés selon la manipulation génétique et les conditions de culture.

Le fait que l'on ne se contente pas de modifier les conditions de culture rend l'interprétation très difficile. En effet, le sens des manipulations génétiques est toujours extrêmement difficile à déduire d'expériences qui sont basées sur des SÉLECTIONS. On sélectionne en effet des souches qui présentent telles ou telles caractéristiques vivantes. Que des gènes soient à l'origine des modifications est une hypothèse qui préexiste dans le modèle expérimental et ne peut en aucun cas être prouvé par l'expérience (voir Gérard Nissim Amzallag, La Raison malmenée :de l'origine des idées reçues en biologie moderne, 2002, CNRS Éditions). Les fragments tissulaires aux nouvelles propriétés peuvent très bien présenter ces nouvelles caractéristiques de par leur propre autonomie et pouvoir adaptatif, déclenché par les conditions expérimentales.







En travaux