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Des forces physiques établissent la forme globale des embryons aux premiers jours du développement

 

Le mouvement de repli et d’étirement des tissus au moment de la formation de la tête a été suivi avec une très grande précision sur des embryons vivants, au stade exact de formation du pli céphalique par Vincent Fleury du laboratoire de Matière et Systèmes Complexes (CNRS/Université Paris-Diderot-Paris 7). Ces observations révèlent que la formation de l’ébauche de la tête est une conséquence purement physique de la collision des parties gauche et droite de l’embryon qui s’aplatissent l’une contre l’autre comme de la guimauve. Ces travaux viennent d’être publiés dans la revue European Physical Journal E.

 

Depuis plusieurs années, un mouvement scientifique se dessine en biologie du développement, qui attribue la morphogenèse des embryons à des mouvements de grande ampleur, se produisant aux premiers jours de développement, quand les embryons sont très petits. Ces mouvements de nature hydrodynamique, établissent la forme globale des animaux, en particulier celle des vertébrés tétrapodes. Les parties de l’animal, établies très tôt en tant que simples ébauches, se développent et grandissent ensuite. Elles se « révèlent » dans la forme finale en conservant le « plan » fixé au début du phénomène. Une question centrale posée est celle du rôle respectif d’instructions génétiques localisées et spécifiques, causant « l’apparition » d’une partie du corps comme, par exemple, la tête ou les pattes et le rôle des grands mouvements de tissu, qui plient et enroulent la matière vivante comme de la pâte à modeler en créant certaines formes par le simple jeu des forces physiques, œuvrant dans une pâte molle, étirée et enroulée.

 

embryon1

Début de repliement de la crête neurale

 

embryon2

Partie antérieure de l'embryon, le lendemain.

 

En mesurant avec une très grande précision les champs de vitesse au moment exact de la collision Vincent Fleury montre expérimentalement et confirme, par une analyse mathématique des champs de vecteurs, que le mouvement est continu, à vitesse constante pendant l’ensemble du phénomène. La seule discontinuité, massive celle-là, est due à la collision des deux moitiés le long de l’axe dorsal qui ouvre le pli de la tête, comme un drapé de tissu, sous l’effet des contraintes visco-élastiques (1). Des travaux analogues, en collaboration avec O. Boryskina et Alia Al-Kilani, montrent que des effets semblables se produisent pendant la formation des pattes (2).

 

Ainsi, ce travail suggère que le simple écoulement de la matière embryonnaire suffit à générer les parties les plus importantes du corps, sans qu’il soit besoin de rétroactions génétiques complexes pour expliquer « l’apparition » soudaine des formes nouvelles au cours de l’évolution (3). La forme globale de l’animal et les différences observées le long du corps (tête, dos, queue) et latéralement (membres avant et arrière) seraient une conséquence automatique de la nature hydrodynamique des enroulements de tissu se comportant comme des tourbillons hydrodynamiques entrant en collision, ce qu’on appelle en physique une brisure de symétrie quadripolaire (4).

 

Contact

vincent.fleury@univ-paris-diderot.fr

 

Références

(1) Vincent Fleury, A change in boundary conditions induces a discontinuity of tissue flow in chicken embryos and the formation of the cephalic fold, Eur. Phys. J. E,  34 (7), (2011). Doi:

10.1140/epje/i2011-11073-0

(2) Olena P. Boryskina, Alia Al-Kilani and Vincent Fleury, Shear flow and limb positioning in tetrapods, Eu. Phys. J. App. Phys. 55 (2) (2011). Doi: 10.1051/epjap/2011100468

 (3) Vincent Fleury, Dynamic topology of cephalochordate to amniote morphological transition : a self-organized system of Russian dolls, C. R. Acad. Sci. 334, (2), (2011). doi:10.1016/j.crvi.2010.11.009.

(4) Vincent Fleury, Olena Boryskina and Alia Al-Kilani, Hyperbolic symmetry breaking and its role in the establishment of the body plan of vertebrates 334, (7), doi : 10.1016/j.crvi.2011.03.010.

C.R Acad. Sci., Série Biologies.

 

Site web

http://www.msc.univ-paris-diderot.fr/~vfleury

 

Voir les films

http://www.msc.univ-paris-diderot.fr/~vfleury/movies/movie3accelere4x.gif

Illustrant le carcatère visco-élastique de la formation de la tête

http://www.msc.univ-paris-diderot.fr/~vfleury/movies/movie4.gif

Illustrant le acractère visco-élastique de la formation des pattes

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