Carnet du petit Tom : Physique, biologie et évolution...

12 mars 2007

Critique I : de l'oeuf à l'éternité

Comme promis, quelques critiques sur le livre de Vincent Fleury. J'avais prévu de faire un seul billet, mais je vais être obligé de le diviser en plusieurs parties. On commence par une partie assez technique tout d'abord, que je vais m'efforcer de vulgariser au maximum.

Je précise que cette critique est faite relativement rapidement, à chaud, et uniquement à la lumière de mes connaissances. Tout comme Fleury, je suis physicien, intéressé à la biologie, mais je ne suis pas omniscient. J'invite tout le monde à me corriger le cas échéant, et je serai heureux de discuter de toute cela, y compris et surtout (pourquoi pas) avec Vincent Fleury.

Le thème récurrent du livre de Vincent Fleury est une opposition que je qualifierai de "génétique-mécanique". Il développe une théorie de l'évolution très déterministe, en affirmant que la génétique ne décide quasiment rien, que la mécanique décide de quasiment tout.

Je concentrerais mes critiques/questions sur ce point, tout d'abord en expliquant pourquoi cette affirmation me semble en partie fausse en ce qui concerne les vertébrés dans un premier temps.

Les déterminants génétiques de l'embryogenèse des vertébrés

Le problème de base rejoint à mon sens une vieille controverse de la biologie du développement : comment des embryons (ou des gamètes) ne possédant aucune structure apparente peuvent-ils donner naissance à un être vivant hautement complexe et organisé ?

Aristote fut l'un des premiers à répondre à cette question (Wolpert p3). Il considéra deux possibilités : soit toutes les parties du corps existent déjà dans l'embryon et ne font ensuite que grossir, soit les nouvelles structures naissent et s'organisent progressivement. Il pencha pour la seconde idée. Cependant, c'est la première qui rencontra le plus grand succès, aboutissant au cours du XVIIème siècle à la théorie de l' homoncule. Cette théorie proposait que le corps humain était déjà préformé dans le spermatozoïde, et ne faisait ensuite que grossir. D'où la fameuse théorie scientifico-religieuse des "reins d'Adam", stipulant que toute l'humanité devait être contenue dès la création dans la semence du premier homme, emboitée telle une poupée Russe !

Aujourd'hui bien sûr on sait qu'il en est tout autre et qu' évidemment les structures apparaissent les unes après les autres. On sait en particulier que différents gènes sont exprimés successivement à différents endroits dans l'embryon, donnant naissance aux différentes structures. Cependant, Fleury nous explique ce qui le gène dans la biologie du développement moderne (p20):

La biologie actuelle "se rattrape" en supposant que les parties les plus complexes, un bras ou une tête d'homme, sont obtenues par des successions de bandes de produits chimiques s'organisant dans toutes les directions de l'espace.

Cette description de la formation de l'organisme est une description de la théorie dite "mosaïque", version moderne de la théorie de l' homoncule. Les structures finales ne préexistent pas, mais l'embryon serait quadrillé pour donner naissance aux futures structures. D'une certaine manière, si l' homoncule n'est pas présent, il serait déjà esquissé et prêt à surgir. Fleury y préfère une théorie purement mécanique, que j'interprète comme basée sur l'auto-organisation (ce qu'il appelle le mécanisme physique sur son site lorsqu'il parle de la segmentation). Il est physicien : il connaît très bien la littérature sur la formation de structures complexes à partir de règles simples, lui -même a proposé des modèles de formation de vaisseaux sanguins. Pour lui il me semble, les structures vivantes ne peuvent se réduire à des quadrillages plaqués sur l'embryon : trop compliqué, pas assez robuste. La seule façon réaliste pour que ça marche est que les choses s'auto-organisent d'une certaine façon. Ainsi, on sait très bien que les tâches des léopards ou les bandes des zèbres ne sont évidemment pas codées individuellement génétiquement : en fait, il y a un processus physique sous-jacent (type mécanisme de Turing) qui créée ses structures spontanément. Dans un domaine différent, l'embryogenèse, il propose qu'un mécanisme simple de mouvements cellulaires locaux aboutit à la formation naturelle de la structure globale des tétrapodes (de même que de simples molécules qui diffusent à des vitesses différentes localement peuvent créér de jolis motifs à l'échelle globale).

Bien évidemment, tout est en fait question de dosage entre ces différents processus (mosaïque vs auto-organisé). Le premier reproche que je ferais à Vincent Fleury est d'omettre certains faits de bases : oui certaines structures sont codées génétiquement dès le départ, oui l'embryon a besoin d'un "quadrillage" génétique pour savoir ce qu'il va faire. L'exemple canonique est l'embryon du xénope dont j'ai déjà parlé dans un billet précédent. Il a été démontré sans ambiguité que des déterminants purement génétiques, des gradients de substances chimiques sont nécessaires pour définir les futures structures de l'embryon. La meilleure preuve est donnée par la fameuse expérience de Spemann : en transposant des cellules de la future région "dorsale" de l'embryon (qu'on appelle depuis organisateur de Spemann) sur le ventre de l'embryon, l'effet est de créer un deuxième dos, et en fait un deuxième axe tête queue qui aboutira plus tard à la formation de siamois. Ceci montre que les cellules ne sont pas interchangeables, qu'il y a des déterminants moléculaires contenus dans la cellule, et que donc les mouvements cellulaires dépendent en premier lieu d'une information purement génétique.

Là vient la deuxième critique que je ferais à ce livre : j'ai été très étonné de constater que Fleury passe totalement sous silence des faits expérimentaux... qui collent très bien à sa théorie ! Car oui, il y a effectivement des flots cellulaires qui définissent un axe tête queue. L'expérience qui le montre a été réalisée par Joubin et Stern, qui ont montré comment la notocorde se formait par la rencontre de deux jets de cellules précisément au niveau de l'équivalent poulet de l'organisateur de Spemann. Seulement, Joubin et Stern ont également montré que la formation de cet organisateur était dirigée génétiquement. Donc encore une fois, c'est un signal génétique qui dirige la formation de cette structure. J'ai été très surpris en lisant ce livre de ne voir absolument aucune référence à cette expérience, et je me demande pourquoi... D'ailleurs, il n'y a pour ainsi dire aucune référence à d'autres travaux scientifiques (à part la fameuse Anne Dambricourt), ce qui me semble être un choix un petit peu étrange compte-tenu de la quantité de littérature assez facilement vulgarisable sur le sujet, surtout que par ailleurs des illustrations tirées d'autres articles (Barabasi, Davidson...) sont utilisées, et que j'aurais beaucoup apprécié une discussion des "autres" travaux.

Venons-en donc au point suivant : la formation des membres et la segmentation. Je mets les deux exemple ensemble car il semble que là-encore, les mécanismes soient assez similaires. Fleury le répète plusieurs fois dans son livre : il n'y a pas de gènes associés à une vertèbre donnée. C'est vrai, mais ce que Fleury ne dit pas est qu'il y a au contraire sans aucun doute le même gène exprimé plusieurs fois définissant plusieurs vertèbres. De la même façon, il y a des marqueurs génétiques précis correspondant à l'avant et à l'arrière des vertèbres : si l'on tue ces gènes, toutes les vertèbres sont fusionnées et perdent leur structure. Donc là encore, la génétique a un grand rôle. Par ailleurs, comme je l'ai expliqué sur ce blog, la formation de ces structures est un mécanisme essentiellement génétique : une horloge génétique agit dans une zone de croissance déterminée génétiquement par des facteurs de croissance et définit un front de différentiation qui génère des zones d'expression génétiques régulières des marqueurs correspondant. Pas ou peu de mécanique ni de processus de Turing là-dedans, juste une expression temporelle de gènes un peu compliquée dépendant des interrégulations et du processus dynamique de croissance. La formation des membres semble obéir aux mêmes lois : une horloge de segmentation similaire a récemment été mise en évidence chez la poule (Pascoal et al.). Par ailleurs, à l'image de ce qui a été fait pour l'organisateur de Spemann, il y a de nombreuses expériences de transfert de cellules, montrant que si l'on met les bonnes cellules au bon endroit, on peut littéralement faire pousser un bras (Wolpert p 460 Fig. 13.7 pour les organismes capables de se régénérer) ou une colonne vertébrale (Wolpert p 169 Fig. 4.20 au stade embryonnaire) n'importe où... Cela montre bien selon moi que les mouvements cellulaires ne contraignent pas le plan d'organisation final et que tout est jeu d'expression localisées.

Pour finir cette partie, juste un mot sur la symétrie gauche-droite. La symétrie bilatérale ne va pas de soi chez les vertébrés. En fait, plusieurs expériences récentes ont montré que cette symétrie était spontanément brisée (ce qui explique d'ailleurs que les structures à l'intérieur du corps ne soient pas symétriques), et qu'en fait certaines molécules étaient là pour littéralement rétablir la symétrie pour les parties importantes devant être symétriques, comme la colonne vertébrale (Vermot & Pourquié). Ainsi, une substance appelée "acide rétinoïque" est chargée de rééquilibrer la brisure de symétrie gauche-droite pour avoir des somites de même tailles des deux côtés. Ceci ne colle pas du tout avec la théorie de V. Fleury pour qui les organismes sont symétriques "par construction". Maintenant, cela ne dit pas que les animaux primitifs n'étaient pas effectivement symétriques, mais si l'évolution a été capable de briser la symétrie globalement tout en la conservant pour le squelette, cela donne un contre-exemple à mon avis flagrant du fait que l'évolution du plan du corps des bilatériens est contrainte.


Références :

Lewis Wolpert, Principles of development, third edition, oxford (excellent bouquin, accessible aux profanes)
Joubin K & Stern CD, Molecular interactions continuously define the organizer during the cell movements of gastrulation. Cell. 1999 Sep 3;98(5):559-71.
Pascoal S, Carvalho CR, Rodriguez-Leon J, Delfini MC, Duprez D, Thorsteinsdottir S, Palmeirim I.,A Molecular Clock Operates During Chick Autopod Proximal-distal Outgrowth. J Mol Biol. 2007 Feb 9
Vermot J, Pourquié O, Retinoic acid coordinates somitogenesis and left−right patterning in vertebrate embryos, Nature 435, 215-220 (12 May 2005)

6 commentaires:

dvanw a dit…

Merci pour ce commentaire détaillé, et pour celui sur la "somitogénèse" qui m'apprend plein de choses sur un domaine que je connais très mal.

Pour prolonger la discussion entamée sur le dernier billet, je te trouve très indulgent : qu'une théorie qui explique l'embryogénèse et (je cite) "partiellement, l'évolution", en évacuant la génétique, ne soit pas publiée dans les revues à peer-review, je trouve ça plutôt rassurant.

Que l'auteur de la dite théorie publie alors un livre destiné au grand public et sous-titré "le sens de l'évolution", je trouve que ça se rapproche plus du coup marketing, avec gros appel du pied vers les frustrés du darwinisme, et autres designers plus ou moins malins, que de la libre expression d'une théorie minoritaire réprimée par le système...

Enfin... Lui, au moins, ne réclame pas à que ses idées figurent dans les programmes scolaires !

Tom Roud a dit…

Salut dvanw,

c'est marrant, tout le monde me trouve très indulgent avec Vincent Fleury. C'est probablement que j'aime bien l'ambition de décrire un phénomène complexe de très loin, par des mécanismes globaux. Je suis bien obligé de constater toutefois que cela ne s'applique pas à l'embryogenèse...

Pour le peer-review : là aussi j'ai été peut-être indulgent, mais c'est parce que cela résonne pas mal avec mon expérience personnelle. Je ne sais que trop bien qu'un physicien qui s'intéresse à la biologie a tort "par principe", qu'il a forcément "le nez dans le guidon et ne discute pas assez avec les biologistes"...

Maintenant, comme toi, je ne peux que déplorer le "coup marketing" comme tu dis, et c'est à mon avis ce qu'il y a plus d'agaçant dans le bouquin, avec ce côté méprisant vis-à-vis de Darwin. Mais bon, je me garde cela pour la fin de la critique, je préfère en rester sur la science pour l'instant.

Tom Roud a dit…

Addendum : je ne veux pas être trop définitif non plus dans ce que je dis. Vincent Fleury a l'air de se faire tirer dessus à boulets rouges, alors que ses idées sont intéressantes. Les discussions sur Internet ont la faculté d'amplifier les propos je trouve, et sont toujours difficiles. Je ne suis pas sûr qu'on puisse discuter science ainsi en fait. Toujours est-il qu'à la lumière de mes connaissances et des arguments que j'expose ici, j'ai un peu de mal avec cette idée de plan d'organisation déterministe, sans génétique (!). Mais je trouve l'idée amusante et j'ai vraiment apprécié le livre...

dvanw a dit…

Bon, que tu sois indulgent, c'est plutôt le signe d'un bon tempérament, non ? Bravo ! Moi qui suis plutôt atrabilaire de nature, j'ai peut-être tendance à monter sur mes grands chevaux...

Je ne sais pas si on peut discuter "sciences" sur Internet ; je pense que ça dépend à quel niveau on se situe. Pour des discussions entre spécialistes pleines de gros mots, je pense en effet que c'est pas l'idéal. Dans une optique plus généraliste, je trouve ça intéressant (sinon, d'ailleurs, à quoi bon un c@fé des sciences ?).

Et pour discuter des affirmations dans le genre de celle ci-dessous, je pense qu'Internet est très largement suffisant :

"* conclusion: le Darwinisme, ok, mais très peu d'intérêt. Trop rhétorique. L'espace de tous les animaux possibles est indépendant des biotopes (sous réserve de quelques effets épigénétiques très marginaux et pas encore admis), et pour une large part déterminé." (Vincent Fleury : résumé de ma théorie de l'évolution)

Tom Roud a dit…

Salut,
je suis d'accord avec toi, tant qu'il s'agit de faire de la vulgarisation un peu générale, Internet, c'est très bien pour parler sciences.

Quant aux thèses de Fleury, j'avoue que j'ai l'impression d'avoir passé 4-5 jours avec lui en permanence, je suis un peu fatigué, je préfère parler surtout des vrais Intelligent Designers dans mon billet de ce soir (et je crois que je vais m'arrêter là pour les critiques du livre - je pense que l'essentiel est plus ou moins dit dans mon billet de ce soir, y compris sur sa vision du darwinisme comme "trop rhétorique").

Seven a dit…

Salut Tom! Drôlement intéressants, ces commentaires de lecture, et un peu ardu pour moi, je dois dire. Que représente le génome pour V Fleury, finalement? Une simple conséquence des impératifs mécaniques? (Excuses-moi si tu as répondu à cette question dans tes billets et que j'ai mal compris!)