Les mystieux mécanismes de notre horloge biologique

Quel point commun existe-t-il entre un coquelicot, une drosophile et nous, Homo sapiens sapiens? Quelle horloge dénuée de rouages oscille à une fréquence parfaitement régulière? Un début de réponse s’esquisse dès l’Antiquité: Aristote et Pline l'Ancien avaient déjà observé que certains comportements, dont le sommeil, répondaient à une même logique périodique chez tous les êtres vivants. En d'autres termes, toutes les plantes et les organismes vivants semblent régis par une formidable horloge interne, à la précision redoutable. En 2017, trois chercheurs américains obtenaient le prix Nobel de Physiologie ou de Médecine pour "leurs découvertes des mécanismes moléculaires qui règlent le rythme circadien" – un merveilleux prétexte à une réflexion "horlogèrement" biologique.

Par Hubert de Haro / HDH Publishing

JUIN 2022

Homo economicus

Au commencement était la Terre.

Sa rotation sur son axe s’effectue en 24 heures, ou, plus précisément, en 23 heures, 56 minutes et 4,3 secondes, soit un jour sidéral. Cette ponctualité est la pierre angulaire de nos sociétés modernes.

L’observation des cieux a graduellement permis aux astronomes d’élaborer des calendriers de plus en plus sophistiqués. L’homme a ensuite assouvi son obsessionnelle quête du temps exact en divisant une journée en heures, minutes et secondes, selon une logique sexagésimale: une heure se décompose en soixante minutes, et chacune d’elles en soixante secondes. L’historien retiendra quelques tentatives larvées d'alternatives, à l’image de la division décimale conceptualisée lors de la Révolution française.

La révolution industrielle de la fin du XIXe siècle exige une mesure du temps de plus en plus fine, car l'organisation des tâches et des cadences en usine ne souffre aucune approximation. L'homo economicus affine ses outils d'analyse de la productivité et les chercheurs constatent que les vibrations de l'atome de césium déterminent le temps avec l’étourdissante précision d’une seconde par milliard d'années ! L'horloge atomique était née.

 Image du film "Les Temps Modernes" de Charles Chaplin, 1936

Temps social versus horloge biologique

Le temps social est une convention, un accord entre les hommes pour mieux communiquer, se déplacer ou encore garantir, par exemple, le bon fonctionnement des satellites. Une nécessité impérative depuis l'invention du chemin de fer. Un outil formidable, fruit du génie humain certes, mais relativement récent.

Et pourtant, nous ressentons tous intuitivement que notre corps réagit quotidiennement à un élément naturel essentiel à la vie: la lumière. Chaque jour, à la nuit tombée, notre corps nous alerte: il est temps de se reposer.

"Chaque être vivant, de la bactérie primitive au sommet de la pyramide que nous pensons occuper, en passant par les algues, les plantes et les insectes" possède en son coeur sa propre horloge biologique." Pierre Maillard1

Celle-ci serait à l'origine de ce que les scientifiques qualifient aussi de rythmes circadiens (du latin circa "à peu près" et dies "jour"’ en latin). En d'autres termes, il existerait, selon Catherine Blais et François Rouyer2, "une structure interne capable de générer de façon autonome des oscillations d'environ 24 heures. Les différents rythmes circadiens observés chez un organisme peuvent être considérés comme les ‘aiguilles’ de son horloge interne".

De cette première observation à son "décodage" scientifique, le chemin s’est révélé parsemé d'embuches, de doutes et de retours en arrière.

Premier acte: l’Horlogium florae de Linné

Pour mieux comprendre cette extraordinaire épopée et ses implications concrètes sur notre quotidien, il nous faut voyager jusqu'à la Suède du XVIIIe siècle. À cette époque, le naturaliste suédois Carl von Linné, père de la nomenclature moderne de toutes les espèces du vivant, observe déjà que certaines fleurs s'ouvrent et se ferment à des heures différentes. Il théorise un plan de jardin fleuri, l’Horologium florae, basé sur des années de recherche et d'observation. Vingt-quatre fleurs composent ce magnifique jardin horloger capable, selon lui, d’indiquer le temps avec une précision notable de cinq minutes par jour.

Horlogium florae, ou jardin floral théorisé par Carl Von Linné en 1751

À titre d'exemple, le coquelicot Papaver Rhoeas se range parmi les fleurs qui s’épanouissent à l'aube tandis que la Mirabilis jalapa, ou belle de nuit, comme son nom l’indique fleurit la nuit tombée. Cette dernière permet ainsi à son pollinisateur, un grand papillon nocturne dénommé sphinx, d'échapper à ses prédateurs: une belle adaptation liée aux biorythmes circadiens de l'évolution des espèces.

Le papillon de nuit sphynx prêt à butiner une belle de nuit. Crédits : cagouillesgarden.blogspot.com

Même si l'horloge botanique de Linné ne verra jamais le jour, elle prouve que les fleurs possèdent leurs propres rythmes internes. Cette particularité biologique, probablement fruit de l'évolution, a le mérite d'éviter trop de concurrence chez les pollinisateurs. Ils puisent en effet dans le nectar de leurs fleurs favorites à différentes heures de la journée.

En 1729, un autre personnage incontournable de ce premier acte partage le résultat de ses recherches avec l'Académie des Sciences de Paris. Jean-Jacques d'Ortous de Mairan observe que les feuilles de mimosa, probablement le Mimosa pudica, s'ouvrent le jour et se ferment la nuit, et ce, même plongées dans l'obscurité. En d'autres termes, leur horloge interne serait insensible à la lumière.

Ce constat étonnant et alors très précoce ne suscitera de nouvelles études qu’au XXe siècle, menées par Colin Pittendrigh et Jürgen Aschoff, respectivement sur les insectes et les mammifères. Et puis, inévitablement, débutèrent les premières expériences sur l'homme.

 

Au fond du gouffre

C'est dans un esprit rigoureusement scientifique que le spéléologue Michel Siffre décide de s'isoler volontairement pendant près de deux mois à plus de 110 mètres de profondeur. Le 16 juillet 1962, il descend seul dans le gouffre de Scarasson, en Italie, avec pour unique contact "une ligne téléphonique me reliant à une équipe de veille, en surface, que j’appelais à chaque réveil, quand je me couchais et au moment des repas3."

Cette aventure digne des plus grandes explorations humaines a fait l'objet de très nombreuses études, notamment sur la perception du temps qui passe, sur la mémoire ou encore sur les impacts psychologiques négatifs d’une telle immersion.

L’interview concédé en 2017, au journaliste du Monde Damien Dubuc3, constitue un témoignage glaçant sur son quotidien lors de cette expérience: "physiquement, c’était dur: je n’avais qu’un équipement très rudimentaire et j’ai passé deux mois à patauger dans de l’eau glacée. Je suis ressorti exténué et très diminué. Une des choses les plus difficiles à vivre fut les fréquents éboulements tout à côté de ma tente, qui me terrifiaient. Plus d’une fois j’aurais pu y perdre la vie."

Le spéléologue détaille sa perte très rapide de la notion du temps, alors qu'aucune horloge ne le renseigne sur l'heure exacte: "dans mon carnet de vie souterraine, j’écris dès le cinquième jour que l’heure n’a pour moi plus vraiment de sens. À la fin, le temps n’avait plus de valeur du tout3."

Et pourtant, malgré cette totale désynchronisation, alors que les tests psychologiques confirment qu'une seconde réelle lui en paraît le double, une découverte majeure s'impose: le cycle sommeil/activité reste inchangé, se stabilisant à 24 heures et trente minutes. Selon les propres mots de Michel Siffre, "Cela prouve que, même privé de son environnement temporel habituel, le rythme vital d’un être humain ne se brise pas."

"Des mécanismes régulateurs maintiennent l’unité temporelle du corps même s’il est coupé des repères astronomiques (alternance du jour et de la nuit) et sociaux (horloge, horaires de travail…). Je fus donc le premier à démontrer l’existence d’une véritable horloge interne". Micher Siffre.

 

Le Livre "Hors du Temps" (édition Julliard, 1963) décrit à la première personne l'extraordinaire expérience de survie souterraine dans le gouffre de Scarasson du géologue Michel Siffre. À sa sortie, il sera porté et enveloppé dans des couvertures jusqu’à l’hélicoptère qui l’amènera à Nice.

Les révélations de la mouche du vinaigre

L’américain Seymour Benzer restera dans les annales comme le chercheur à avoir réussi à élaborer le premier schéma génétique du fonctionnement de notre horloge interne. Ce travail essentiel, suivi par des décennies de perfectionnement, culmine avec le prix Nobel de Physiologie ou Médecine de 2017. Et pourtant, cette réussite est en grande partie à mettre au compte d’un minuscule être vivant: la mouche du vinaigre, appelée encore la drosophile.

Gabriel Gachelin explique précisément la méthode et son résultat: "il (NDLR: Seymour Benzer) introduisit de nombreuses mutations dans cet organisme (NDLR: la drosophile). Parmi celles-ci, trois affectèrent le rythme circadien de la drosophile et causèrent perte du rythme, cycle allongé ou cycle raccourci. Avec son étudiant Ronald J. Konopka, il montre en 1971 qu’il s’agit de trois variants (allèles) d’un même gène qu’ils appellent ‘period’ ou ‘per’. Ainsi, des mutations dans la séquence de l’ADN d’un même gène peuvent modifier de différentes manières l’adaptation de l’organisme au cycle circadien4."

De la drosophile à l'être humain, il n'y aura qu'un pas, car comme l'explique le chercheur Serge Birman au micro de France Culture, "chez l'homme un mécanisme très similaire a été conservé au fil de l'évolution"

La découverte de la production cyclique de la protéine PER (period) par Seymour Benzer en 1971.

 

Prix Nobel de physiologie ou Médecine 2017

Le prix Nobel de Physiologie ou de Médecine est attribué en 2017 à trois chercheurs américains, Michael Rosbash, Jeffrey Hall et Michael Young pour, selon les propres mots du comité, "leurs découvertes des mécanismes moléculaires qui règlent le rythme circadien". Ce prix reconnaît publiquement l'importance des recherches menées sur ces trois dernières décennies. Leurs résultats nous propulsent vers une réalité plurielle bien plus complexe. Il n'y aurait en effet pas une seule horloge interne, mais une multitude, distribuées un peu partout dans le corps, comme dans le cœur, le foie ou encore les muscles.

"Depuis longtemps, on sait que tous les organismes vivants, y compris les humains, possèdent une horloge biologique réglée sur le rythme de la journée. Ces chercheurs en ont démonté les rouages et ont montré comment les organismes adaptent leur horloge interne pour qu’elle reste synchronisée avec les révolutions de la Terre." Le Comité du Nobel.

Ils ont mis ainsi en évidence l'existence de plusieurs gènes et protéines responsables des cycles circadiens. Ceux-ci interagissent quotidiennement dans une partie très précise de notre cerveau: deux noyaux suprachiasmatiques (du latin supra "au-delà de" et chiasmatiques venant de chiasme soit le croisement des deux nerfs optiques). Même si chaque noyau ne dépasse pas la taille d'un millimètre, il contient le nombre colossal de plus de 10 000 cellules.

Ces deux noyaux suprachiasmatiques, tels un seul et unique "chef d’orchestre", régissent un réseau complexe dispersé dans notre corps, constitué chacun par sa propre horloge biologique.

Étourdissantes conclusions, souvent complexes à appréhender dans leur détail, mais néanmoins passionnantes dans leurs implications au quotidien, notamment dans le cycle sommeil/activité.

Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash et Michael W. Young, prix Nobel de Physiologie ou Médecine 2017. © NobelPrize

 

La mélatonine, hormone du sommeil

Notre horloge biologique suscite également un intérêt croissant dans la communication sociale. Ces articles abordent souvent le thème de la qualité du sommeil ou encore de l'impact des carrières professionnelles aux horaires nocturnes sur la santé.

Nous savons depuis peu que, dans le monde animal, la glande pinacle sécrète la mélatonine dès lors qu’il y a exposition à la lumière. En revanche, chez l’être humain, ce mécanisme chimique se révèle bien plus complexe, puisque, comme le spéléologue Michel Siffre l’a démontré, le cycle circadien s’adapte même en absence de luminosité. Les noyaux suprachiasmatiques agissent en effet comme un régulateur de la sécrétion de la mélatonine et compensent toute absence de lumière. Il s’agit en quelque sorte d’une réaction d’auto-défense du corps humain.

 

Illustration du rythme circadien sommeil/activité et de son "marqueur" génétique : les deux noyaux suprachiasmatiques. © JACOPIN / RSIP- AED

Perspectives

Nos horloges biologiques internes se révèlent être parfaitement synchronisées. Une harmonie surprenante et aux contours dépassant très largement le seul mécanisme nocturne de la sécrétion de la mélatonine. En réalité, notre quotidien se divise en tranches horaires " programmées" génétiquement, le tout à la faveur d’une richesse biologique insoupçonnée il y a peu. Le curieux apprendra ainsi à concilier son temps social et ses activités économiques avec son rythme biologique. À titre d’exemple, notre pic d’attention devrait correspondre au pic de production de testostérone, à savoir entre 09 :00 et 11 :00.

Horloge biologique et activités quotidiennes. © Le Parisien

D’autres recherches se penchent sur l’optimisation de la prise de médicaments, pour preuve les corticostéroïdes.. Utilisés comme anti-inflammatoires en rhumatologie et comme bronchodilatateurs dans les thérapies contre l’asthme, le chercheur Alain Reinberg préconise leur prise le matin, "en phase avec le pic présumé du cortisol". Et de rajouter que les effets négatifs sont dans ce cas "considérablement réduits, voire supprimés 5."

Enfin et toujours la mélatonine, elle réduirait les effets négatifs de la chimiothérapie, ce qui encourage les spécialistes à l’utiliser pour certaines pathologies oncologiques.

Même dénuée de rouages, notre horloge interne fait preuve d’une surprenante régularité et la complexité de son mécanisme commence à peine à être déchiffrée.

" L’idéal perpétuel est l’étonnement 6."  

 

 

Par Hubert de Haro

 

 

Références:

1MAILLARD Pierre, "Temps et Lumière", Europa Star #36, 2021;

2BLAIS Catherine et ROUYER François, "Horloges biologiques", Encyclopædia Universalis [en ligne], https://www.universalis.fr/encyclopedie/horloges-biologiques/

3DUBUC Damien, entretien avec Michel Siffre, Le Monde, 2017

4GACHELIN Gabriel, "Prix Nobel de Physiologie ou Médecine 2017", Encyclopædia Universalis [en ligne. https://www.universalis.fr/encyclopedie/prix-nobel-de-physiologie-ou-medecine-2017/

5BLAIS Catherine, LAFONT René, MILLET Bernard et REINBERG Alain, "Rythmes biologiques ou Biorythmes", Encyclopædia Universalis [en ligne], https://www.universalis.fr/encyclopedie/rythmes-biologiques-biorythmes/

6WALCOTT Derek, " White Egrets », Londres, Faber & Faber, 2010.  

 

Pour approfondir le sujet, nous recommandons les lectures suivantes :

MULLER Olivier, ‘La Chronobiologie de l’Homme’, Watch Around #18, 2014;

RENARD Camille, ‘Le Rythme, c’est la vie’, France Culture, 2017;

SIFFRE Michel, ‘Hors du Temps, Éditions Julliard, 1963;

SILVER Rae et RAINBOW Megan, ‘The Suprachiasmatic nucleus and the Circadian Timekeeping System of the Body’, Research Gate, 2015;

UPPSALA Université, ‘The Linnaean Gardens of Uppsala ‘.

 

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