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Le contrôle de la taille des organismes, ou pourquoi et comment il y a des animaux petits et grands ! Franck Bourrat

Jeudi 12 mars 2009, Institut de Neurobiologie Alfred Fessard (CNRS, Gif)

samedi 25 avril 2009, par Séverine

© Wikimedia commons, Jomegat

De la bactérie visible seulement au microscope au séquoia géant de Sierra Nevada, la taille des êtres vivants sur Terre varie énormément. Vous êtes-vous jamais posé de questions à ce sujet ? Quel intérêt pour un organisme d’être grand ou petit ? Comment les choses ont-elles évolué au cours des âges ? Franck Bourrat, de l’Institut de Neurobiologie Alfred Fessard de Gif sur Yvette, a donné aux participants du jeudi de la recherche du 12 mars de nombreuses pistes de réflexion…

Sequoiadendron giganteum
© Wikimedia commons, Mike Murphy

Le séquoia géant, Sequoiadendron giganteum, qui doit son nom au chef indien Seqoyah inventeur de l’alphabet cherokee, est actuellement l’être vivant le plus « gros », c’est-à-dire le plus lourd : 1200 tonnes environ. Le plus gros animal est la baleine bleue, environ 170 tonnes. À l’autre bout de l’échelle, on trouve les plus petites formes de vie (si on excepte les virus) ; elles n’ont qu’une seule cellule. Le record de petite taille est détenu par des bactéries, les mycoplasmes : 0,1 picogramme. [1]

Spirale des temps géologiques
Wikimedia Commons, United States Geological Survey

La vie est apparue sur Terre il y a 3,5 milliards d’années et jusqu’à -700 millions d’années , elle est restée sous forme unicellulaire, avec comme « nouveauté » l’apparition des « eucaryotes », qui contrairement aux bactéries possèdent un noyau dans leur cellule, où est regroupé l’ADN. Aujourd’hui encore, la vie reste essentiellement unicellulaire, même si bien sûr la partie émergée de l’iceberg (animaux, plantes…) nous saute davantage aux yeux. On estime à 1030 le nombre de bactéries sur Terre. Comme le dit si bien Franck Bourrat, un tel ordre de grandeur ne parle pas au sens commun. Mais il faut bien imaginer que les bactéries sont partout sur la planète, même dans les milieux arides, froids ou brûlants, acides ou salés. Nous-mêmes en hébergeons vingt fois plus sur et dans notre corps que nous n’avons de cellules ! Alors quel intérêt l’évolution a-t-elle trouvé à faire des êtres plus compliqués ? Et réciproquement, pourquoi ces êtres plus compliqués n’ont-ils pas supplanté la vie bactérienne ?

Pourquoi et comment grandir ?

La réponse est toute simple, nous dit Franck Bourrat. Pour ne pas être mangé ! Il suffit pour cela d’être plus gros que le prédateur. La prédation n’existe pas que chez les animaux. Une cellule peut en « manger » une autre, ainsi par exemple certains de nos globules blancs qui nous débarrassent des intrus. Alors, comment grandir ? Première solution pour un être unicellulaire : augmenter la taille de sa cellule. Il existe des êtres unicellulaires beaucoup plus gros que les autres, comme certaines amibes qui atteignent le dixième de mm. Ce sont des cellules eucaryotes (avec un noyau). Mais on n’aura jamais d’eucaryotes de la taille d’une baleine bleue. En effet, le plan de fonctionnement de la cellule est contenu dans le noyau et si la cellule est trop grande, les informations ne peuvent plus être transmises vers le cytoplasme et la membrane cellulaire. Des chercheurs ont bien réussi à faire croître un physarum , sorte d’amibe, pour qu’il recouvre une surface de plus de 5m2 mais cet être vivant possède un grand nombre de noyaux réunis dans un seul cytoplasme. Peut-on réellement parler d’être unicellulaire ? De la même façon, les cellules de nos muscles mesurent plusieurs cm mais elles possèdent aussi un grand nombre de noyaux.

Colonies de Volvox
© Exploratorium.edu

Par conséquent, devenir pluricellulaire est la seule solution pour grandir. Cela s’est sans doute fait pas hasard au début : lorsqu’une cellule-mère s’est divisée, les deux cellules filles sont restée accrochées, puis deux sont devenues quatre… Au regard de l’évolution, ce type d’agrégats de cellules a dû présenter quelques avantages et a perduré. On retrouve cette configuration chez l’algue verte Chlamydomonas qui peut exister sous forme de cellule unique ou de colonies de cellules appelées Volvox.

Unicellulaires versus pluricellulaires, qui gagne ?

Tout dépend des conditions extérieures : l’accès à la nourriture, les prédateurs… Dans un monde idéal pour les unicellulaires, sans prédateurs, ils resteraient dominants car ils se reproduisent beaucoup plus vite que les autres. Par contre, s’il y a des prédateurs, ils ont tout intérêt à grandir, c’est-à-dire devenir pluricellulaires. Et un jour, d’autres grandiront encore plus et deviendront leur prédateurs, puis d’autres encore qui mangeront ceux qui jusqu’alors mangeaient les autres et ainsi de suite… Il y a toujours des petits mais les gros sont de plus en plus gros, et ce depuis que la vie est apparue sur Terre. Ainsi la taille maximum des baleines bleues aujourd’hui est d’environ 31 m alors que celle des diplodocus, le plus long des dinosaures ne dépassait pas les 27 m. Chez les végétaux c’est la même chose, le séquoia géant parait être l’arbre le plus gros ayant jamais existé. Par contre, ce qui est vrai à l’échelle globale ne l’est pas à l’intérieur d’une même espèce. Si le cheval d’aujourd’hui est plus grand que son ancêtre qui vivait il y a quelques dizaines de millions d’années, c’est le contraire chez les ours. Il faut retenir que la taille est un des facteurs qui peut varier le plus vite au cours de l’évolution, comme en témoigne aussi la variation chez les populations qui se retrouvent isolées. Par exemple, les cerfs de l’île de Jersey ont été « réduits » à 1/6 de leur taille en 6000 ans durant la dernière période interglaciaire (de -7000 à -1000 ans).

Grand ou petit, qu’est ce que ça change ?

Être grand, c’est limiter le nombre de ses prédateurs. Mais cela a bien d’autres implications. Petit détour par les lois de la physique qui ont bien des conséquences pour les êtres vivants ! Pensez à une sphère. Si vous multipliez son rayon par 2, sa surface sera multipliée par 4 et son volume par 8. C’est mathématique ! En d’autres termes, le volume croît plus vite que la surface. Plus un être vivant est gros, plus son volume est grand par rapport à sa surface. Le volume est relié à la quantité de matière vivante donc à sa consommation en oxygène, en nutriments et aussi à la quantité de déchets qu’il rejette. Et où la matière entre-t-elle et sort-elle de l’individu ? À sa surface bien sûr… D’où un petit problème quand la taille devient trop grande, par exemple pour que l’oxygène puisse diffuser de la surface vers l’intérieur de l’individu. Les plus gros organismes rudimentaires ne dépassent guère le mm, au moins dans l’une de leurs dimensions (des vers plats par exemple). Pour être plus gros, il faut développer des organes plus complexes : des systèmes respiratoire, circulatoire et excréteur. Ainsi nous avons des poumons pour respirer ! De plus, afin de faciliter les échanges gazeux, la surface des poumons est augmentée par de nombreux replis Si on pouvait déplier nos poumons, ils mesureraient environ 100 m2, soit la surface d’un terrain de tennis ! Ne parlons pas de nos intestins à travers la surface desquels les nutriments passent dans le sang… 300 m2 ! Autre conséquence, un gros qui tombe se fait plus mal qu’un petit ! Les frottements de l’air sont eux aussi proportionnels à la surface. Ainsi qu’aime à le citer Franck Bourrat, John Burdon Sanderson Haldane, généticien britannique du début du XXème siècle et grand vulgarisateur, écrivait : « Vous pouvez faire tomber une souris du haut d’un puits de mine de 300 m, en arrivant en bas, elle aura un léger choc et partira. Un rat sera tué, un homme brisé et un cheval explosera ». Mais n’allez pas croire qu’aucun danger ne guette le petit qui aura échappé à ses prédateurs. Son ennemi n°1, c’est l’eau… Et oui, l’eau, ça mouille ! En termes plus savants, on parle de « tension superficielle » qui fait que l’eau adhère aux surfaces. Ainsi un homme mouillé qui sort de son bain transporte environ 500 g d’eau, ce qui ne lui demande guère d’effort supplémentaire pour s’extraire de la baignoire ! Mais pour la mouche, c’est une toute autre affaire : la même pellicule d’eau sur toute la surface de son corps représente plusieurs fois son poids. Pour citer à nouveau Haldane, « Un insecte qui veut boire se retrouve dans un danger aussi grand qu’un homme qui se pencherait au dessus d’un précipice à la recherche de nourriture. S’il se mouille, il est probable qu’il restera sur place jusqu’à la noyade ». Avoir une grande surface relative, c’est aussi un souci pour maintenir sa température corporelle puisque la déperdition de chaleur se fait par là. Ainsi une petite souris doit manger le quart de son poids chaque jour juste pour maintenir sa chaleur interne.

Sous l’œil des chercheurs…

Même un éléphant a été un jour de sa vie une cellule unique et les chercheurs essaient de comprendre quels mécanismes président à la croissance des êtres vivants. En observant la nature, ils ont pu montrer que chez les invertébrés, à la fois la taille des cellules et leur nombre augmentait avec la taille de l’animal tandis que chez les vertébrés, c’est essentiellement le nombre qui croît (les globules rouges d’un éléphant ne sont pas plus gros que ceux d’une souris. Ce n’est néanmoins pas vrai pour toutes les cellules, par exemple les neurones). Pour aller plus loin, il faut faire des expériences en laboratoire, en particulier grâce à des mutations génétiques essayer de déterminer les gènes qui sont impliqués dans le contrôle de la taille et du nombre de cellules d’un organisme

Différentes tailles de cornes de scarabées
© Emlen et al. (2006)

Par exemple, les chercheurs ont montré l’implication du récepteur de l’insuline (hormone qu’on connaît mieux pour son lien avec le diabète). En effet, en mutant le gène codant pour le récepteur à l’insuline chez la mouche drosophile, ils obtiennent des mouches miniaturisées. C’est la déficience de ce même gène qui est à l’origine d’une maladie rare humaine : le lépréchaunisme, qui est un syndrome d’insulino-résistance majeur se traduisant par un très fort retard de croissance intra-utérin et néonatal, conduisant au décès du bébé à quelques mois. Moins douloureux : c’est également cette voie de signalisation qui contrôle la taille des « cornes » des scarabées exotiques.

Un « petit » tour dans le laboratoire…

Ce jeudi soir, nombreux étaient ceux de l’équipe de Franck Bourrat (techniciens, ingénieurs, étudiants en thèse…) qui étaient restés pour montrer avec enthousiasme les multiples aspects de leur recherche au public. Cette équipe ne s’intéresse pas uniquement à la taille des organismes mais plus largement aux mécanismes moléculaires qui contrôlent le développement des animaux.

poisson zèbre
© Wikimedia commons

A l’institut Alfred Fessard, on travaille beaucoup sur un petit animal : le poisson zèbre. Dans une pièce au sous-sol, des milliers de poissons vivent dans de petits aquariums. Vu de loin, ils sont tous pareils ! Mais en réalité, les habitants de chacun des aquariums ont subi des mutations génétiques différentes. On récupère leurs œufs pour étudier, quelques étages plus haut, le développement embryonnaire de ces poissons et observer au microscope les modifications morphologiques induites par la mutation de tel ou tel gène. Nous avons pu voir aussi l’appareillage qui permet d’injecter des molécules dans l’œuf de ces poissons à un stade très précoce afin de perturber leur développement. Un travail titanesque pour attribuer aux centaines de gènes étudiés leurs rôles respectifs, mais il faut en passer par là pour espérer un jour percer les mystères du développement des organismes vivants…


[11 picogramme = 10-12 g = 1 millième de milliardième de g.