Bienvenue Arts Sciences Technologies Tutoriels Vrac  
  Astronomie Mathématique Physique Textes  
 
 

Groupe  :   Invité

les Sarto's > Bienvenue > Sciences > Textes >    - Rythmes synchrones
 
       - Rythmes synchrones  
    Fabienne Lemarchand - Les cahiers de Science & Vie, no.134 - 2013-01-01      
    Si nous pouvons mesurer le temps «extérieur» de notre environnement, notre organisme dispose lui aussi d'une véritable horloge, qui synchronise notre cycle de veille et de sommeil avec l'alternance du jour et de la nuit.  
    Le 16 juillet 1962, le spéléologue Michel Siffre installe sa tente au fond du gouffre de Scarasson, à 130 mètres sous les crêtes pelées du Marguareis, dans les Alpes-Maritimes. Son objectif ? Étudier ses rythmes biologiques en l'absence de tout repère temporel. Durant deux mois, à chacun de ses réveils, dc ses repas et de ses couchers, il appelle une équipe de veille restée en surface. Privé de montre, inconscient des alternances jour-nuit et déconnecté de tout rythme social, il évalue lui-même la durée de ses périodes de veille et de sommeil et les consigne dans son journal. «J'avais l'impression d'être immobile, et pourtant je me savais entraîné par le flux ininterrompu du temps, écrit-il. Le temps était la seule chose mouvante dans laquelle je me déplaçais, j'essayais de le cerner, et, chaque soir, je savais que j'avais échoué.»  
   

Notre horloge biologique, dont la période est comprise entre 22 et 28 heures, contrôle le cycle veille-sommeil, les fluctuations des fonctions physiologiques et comportementales selon le moment de la journée.

 
    De fait, le 14 septembre, lorsqu'on lui annonce la fin de l'expérience, Michel Siffre pense qu'on est le 20 août ! Ses journées lui ont donc paru plus longues qu'elles ne l'étaient en réalité. Plus fascinant, sa température corporelle a continué d'osciller régulièrement suivant un rythme très stable, proche de 25 heures, entre un creux à 36°C au petit matin et un pic proche de 37,8°C en fin de journée. Il en est de même de ses pulsations cardiaques. Bref, il vient de prouver que l'organisme, même privé de tout repère temporel, continue spontanément de suivre des rythmes circadiens (du latin circa diem, «autour d'une journée»).  
    Diverses expériences scientifiques sont venues, depuis, le confirmer: nous avons tous une horloge interne, un oscillateur capable de générer des rythmes indépendamment des variations de luminosité imposées par la rotation de la Terre sur elle-même. Cette horloge, dont la période est comprise, selon les individus, entre 22 et 28 heures, contrôle aussi bien le cycle de veille-sommeil que les fluctuations des fonctions physiologiques et comportementales selon le moment de la journée. C'est le cas de la température corporelle, de la pression artérielle, de la production d'urine, du métabolisme ou encore de la sécrétion des hormones.  
   

C'est l'horloge centrale qui donne, aux cellules, la durée du jour et de la nuit

 
    Cette horloge circadienne permet à l'organisme d'organiser ses cycles d'activité et de repos de façon à anticiper les variations périodiques de l'environnement et de s'y préparer. Ainsi, lorsque la lumière décline, la glande pinéale (ou épiphyse), située au centre du cerveau, sécrète la mélatonine (l'hormone du sommeil), anticipant par exemple les besoins nocturnes. Lorsque sa teneur dans le sang atteint un certain seuil, la température du corps diminue et le besoin de dormir se fait sentir. À l'aube, sa production cesse. Les glandes surrénales produisent alors du cortisol, une autre hormone qui permet, elle, de rester éveillé. Autre exemple : la sécrétion de l'insuline par les cellules bêta du pancréas connaît un pic vers la mi-journée et un creux durant la nuit, ce qui lui permet de réguler le taux de glucose dans le sang, anticipant en quelque sorte les prises alimentaires de sucres de la journée.  
   

Une synchronisation parfaite

 
    Les travaux menés ces dernières années ont montré que les rythmes circadiens sont générés au niveau cellulaire : chaque cellule du cerveau, du foie, des reins, du cœur, de l'intestin, etc., est dotée d'une horloge qui lui permet d'activer en temps voulu la ou les fonctions pour lesquelles elle est programmée et de ne pas faire n'importe quoi, n'importe quand. Mais, prévient Ueli Schibler, du Département de biologie moléculaire de l'université de Genève, en Suisse, «si elles n'étaient pas synchronisées, ces millions d'horloges cellulaires ne serviraient à rien». Tout comme les musiciens évitent la cacophonie en suivant les instructions du chef d'orchestre, les horloges cellulaires se calent sur le tempo d'une horloge centrale, laquelle est localisée dans deux minuscules structures cérébrales : les noyaux suprachiasmatiques (NSC), situés à la base de l'hypothalamus.  
   

Chaque cellule du cerveau, du foie, des reins, du cœur, etc., est dotée d'une horloge lui permettant d'activer en temps voulu la ou les fonctions pour lesquelles elle est programmée.

 
    Même s'il reste de nombreuses zones d'ombre, les scientifiques connaissent dans les grandes lignes la façon dont ce système circadien fonctionne. D'abord, l'horloge centrale doit se synchroniser avec l'extérieur. Son rythme spontané ne durant pas exactement 24 heures, elle doit en effet se réajuster quotidiennement pour que les pics et les creux des rythmes biologiques coïncident précisément avec le cycle jour-nuit. Dans les faits, des capteurs - en l'occurrence certaines cellules de la rétine - enregistrent l'intensité lumineuse extérieure ct transmettent l'information aux cellules nerveuses des nerfs optiques. Celles-ci envoient à leur tour des signaux électriques et chimiques aux neurones des noyaux suprachiasmatiques.  
   

Température, métabolisme, sécrétion des hormones…. sont des fonctions contrôlées par notre horloge «centrale» située à la base de l'hypothalamus.

 
    Calée sur l'extérieur, l'horloge centrale peut alors relayer l'information auprès des horloges cellulaires périphériques. «Situées à l'intérieur du corps, ces dernières sont en effet incapables de se synchroniser toutes seules avec le cycle de luminosité-obscurité», précise Ueli Schibler. Elle informe également la glande pinéale. «Chez l'homme, contrairement à ce qui se passe chez certains oiseaux, dont les moineaux, celle-ci n'est pas en elle-même une horloge répondant aux cycles luminosité-obscurité.» Mais elle est le Siège de la synthèse de la mélatonine, l'hormone de régulation des cycles veille-sommeil, le messager chimique qui informe chaque cellule sur la durée du jour et de la nuit. Bref, un donneur de temps.  
    Fait assez remarquable, la synchronisation des horloges circadiennes repose donc sur la pro¬priété des neurones de générer des signaux électriques périodiques. Et ces signaux, qui résultent du transport de particules chargées (ions) à travers la membrane cellulaire, sont émis à un rythme extrêmement rapide, de l'ordre de la fraction de seconde. Sans cette synchronisation, le rythme spontané des horloges circadiennes reprendrait le dessus, et le cycle veille-sommeil se décalerait peu à peu comme l'a expérimenté Michel Siffre dans son gouffre.  
    Mais c'est à une échelle moléculaire que résident les mécanismes ultimes des horloges circadiennes. «On sait aujourd'hui qu'au moins une douzaine de gènes dits de l'horloge - dont les gènes PER, pour "période"- sont impliqués dans leur fonctionnement chez l' homme», explique Albert Goldbeter, qui dirige l'unité de chronobiologie théorique à la faculté des sciences de l'université libre de Bruxelles. Les gènes sont des séquences d'ADN présentes dans le noyau de toutes nos cellules qui servent au codage des protéines. «Or les gènes de l'horloge sont activés (ou «exprimés») de façon cyclique par ce que les biologistes appellent, des «boucles d'autorégulation négatives», poursuit le scientifique. «Leur ADN est d'abord transcrit en ARN messager dans le noyau de la cellule, puis traduit en protéine dans le cytoplasme. Mais, en retournant dans le noyau, cette protéine contrôle le gène qui l'a produite, inhibant son activité. Les protéines sont donc produites par bouffées, une fois par 24 heures. Ce mécanisme, qui est à l'oeuvre aussi bien dans les neurones de l'horloge centrale que dans les cellules des organes périphériques, est au cœur même des rythmes circadiens.»  
   

Le franchissement rapide de plusieurs fuseaux horaires entraine une désyn¬chronisation de nos différentes horloges.

 
    Des mutations sur ces gènes sont d'ailleurs susceptibles de bouleverser totalement le fonctionnement des horloges circadiennes, allongeant ou, au contraire, raccourcissant la période des rythmes physiologiques. Par exemple, chez les personnes atteintes du syndrome familial dit «d'avance de phase du cycle veille-sommeil», le rythme circadien n'est que de 23 heures environ, ce qui modifie sa phase lorsqu'il est entraîné par l'alternance jour-nuit. En conséquence, ces personnes tombent de sommeil vers 19 h 30 mais se réveillent à 4 h 30 du matin !  
   

Certains gènes sont impliques dans le fonctionnement des horloges circadiennes

 
    Les horloges périphériques peuvent aussi se désynchroniser de l'horloge centrale, suite, par exemple, à un changement soudain de luminosité. Ainsi, le franchissement rapide de plusieurs fuseaux horaires lors d'un voyage aérien se traduit par un décalage entre l'horloge centrale et les horloges périphériques. Si la première s'ajuste très vite sur la nouvelle heure, les secondes restent calées sur l'heure du lieu de départ, et ce plus ou moins longtemps selon le nombre de fuseaux franchis. Ce déphasage temporaire (le fameux jet-lag) se traduit souvent par des troubles du sommeil et de la digestion, qui disparaissent avec la resynchronisation des différentes horloges. Chez une même personne, les rythmes circadiens ne se réajustent pas tous à la même vitesse : s'il suffit de deux ou trois jours pour le cycle de veille-sommeil, la température corporelle se rééquilibre en six ou sept jours, et la sécrétion des hormones en deux semaines ou plus !  
   

Quand le système se dérègle

 
    Tout récemment, des biologistes Ont aussi montré qu'une altération des rythmes circadiens des cellules bêta du pancréas, qui sécrètent l'insuline, est associée à des risques accrus de développer un diabète de type 2. Cette altération serait elle-même liée à des mutations génétiques qui modifient la structure des récepteurs de la mélatonine sur ces cellules pancréatiques, empêchant l'hormone de se fixer. Certains cancers seraient également favorisés par un dysfonctionnement des horloges circadiennes, en particulier chez les personnes travaillant la nuit.  
   

Le rapport entre les durées jour-nuit, ou photo-période, conditionne les rythmes saisonniers et annuels des animaux.

 
    S'ils sont les plus évidents, les rythmes circadiens sont loin d'être les seuls à gouverner nos fonctions biologiques. Il en existe de nombreux autres, de périodes extrêmement variables allant de la fraction de seconde - pour les rythmes électriques des cellules nerveuses ou musculaires - à quelques secondes dans le cas des rythmes cardiaques, de certaines réactions intracellulaires, etc., voire à plusieurs heures (le cycle de division cellulaire) ou plusieurs jours (28 jours pour le cycle menstruel de la femme). Mais, note Ueli Schibler, «Les horloges contrôlant ces différents rythmes restent méconnues. On ne sait pas non plus comment elles interagissent entre elles». Pourtant, elles coexistent parfois au sein des mêmes cellules. Ainsi, les cellules bêta du pancréas sont le siège de cycles circadiens responsables de la sécrétion de l'insuline durant la journée, et de son arrêt la nuit. Mais aussi de cycles plus courts ayant une période de l'ordre d'une dizaine de minutes, au cours desquels des bouffées d'hormone sont produites.  
    Pourquoi une telle profusion de rythmes biologiques ? «Au-delà d'une multitude de fonctions physiologiques, une profonde unité relie ces rythmes. Tous sont la marque d'une adaptabilité aux variations environnementales et résultent d'un phénomène d'auto-organisation spontanée face à une instabilité. Un système dépourvu de cette capacité d'adaptation reste stable, rigide. Or la vie est rythme», conclut Albert Goldbeter.  
   

L'horloge biologique de la faune et de la flore

 
    Les rythmes biologiques ne sont pas l'apanage de l'homme. On les retrouve chez tous les êtres vivants, que ce soit les bactéries, les plantes ou les animaux. Dès le XVIIIe siècle, l'astronome français Jean-Jacques d'Ortous de Mairan avait constaté que les feuilles du mimosa s'ouvraient la journée et se repliaient la nuit, et que ce rythme circadien persistait lorsque la plante était maintenue dans l'obscurité. À ces rythmes circadiens s'ajoutent des rythmes saisonniers et annuels : la floraison chez les plantes, la reproduction, l'hibernation et les migrations de nombreuses espèces animales, sont autant d'adaptations physiologiques ou comportementales aux changements périodiques de l'environnement. L'hibernation permet ainsi à certaines espèces de mammifères de réduire leur température corporelle et leur métabolisme et donc, de survivre aux rigueurs de l'hiver et à l'absence de nourriture. La naissance des petits intervient quant à elle le plus souvent au printemps, lorsque les conditions sont les plus favorables. Chez la plupart des espèces animales et végétales, les rythmes saisonniers et annuels sont conditionnés par la «photopériode», c'est-à-dire le rapport entre les durées du jour et de la nuit. Lequel varie régulièrement tout au long de l'année.  
   

 

 
    Table des matières - suite : A chacun son heure  
       
  top Les cahiers de Science & Vie, no.134 - 2013-01-01