Pendant longtemps, la physique et la biologie n'ont pas fait bon ménage. Les biologistes soupçonnaient les physiciens de vouloir réintroduire le déterminisme en lieu et place du principe de sélection naturelle et, par ce biais, de donner des arguments aux finalistes, ceux qui prétendent que l'évolution est orientée par une finalité. Les physiciens quant à eux n'y comprenaient pas grand chose à la biologie et se rassuraient en pensant que leurs collègues chimistes veillaient au grain en définissant un cadre scientifique rigoureux.

Fort heureusement, les spécialistes de disciplines différentes ont compris qu'ils pouvaient travailler ensemble et mettre en commun leurs compétences. C'est ainsi que des spécialistes des écoulements dans les milieux visqueux ont pu apporter un éclairage radicalement nouveau sur la morphogénèse au cours des premiers jours qui suivent la fécondation d'un ovule.

En France, Vincent Fleury et son équipe se sont beaucoup intéressés à la physique de l'embryogénèse. Il a réalisé la plupart de ses expériences sur des embryons de poulets et c'est sur ces travaux que s'appuie les explications données dans ce port.

Un milieu visqueux et mou...

Un œuf fécondé est un milieu visqueux et mou. C'est aussi un milieu inhomogène présentant un début de structuration dictée par les conditions dans lesquelles s'opèrent les toutes premières divisions cellulaires. Une structuration en anneaux mais qui n'est pas tout à fait symétrique par rapport au centre. Je m'explique. Les cellules des anneaux centraux sont plus petites et celles des anneaux externes plus grandes, ce qui pourrait conduire à une symétrie de révolution, mais l'un des bords du "disque" est un peu plus épais que l'autre (ce qui crée un nouvel axe de symétrie, latéral celui-là). Certains microbiologistes attribuent cette configuration à la présence de graisse autour de l'œuf qui a une influence directe sur le rythme plus ou moins rapide de la division cellulaire.

un milieu inhomogène avec des symétries...

Toubillon quadripolaire

Peu de temps après la fécondation il apparaît "un trou" dans ce disque. Apoptose ? La cause de cette perforation est sans doute à chercher dans la biologie plutôt que dans la physique. Ce trou va "mettre en mouvement" la matière visqueuse. Un mouvement très lent : on parle de microns par minute, pas de mètres par seconde. Dans ce disque inhomogène et plus épais d'un côté que de l'autre il va prendre la forme non pas d'un tourbillon unique, comme au fond d'une baignoire, mais d'un tourbillon quadripolaire.

Nota : la permanence du mouvement ne relève pas de la simple inertie. La biologie se mêle là aussi à la physique. La couple actine/myosine (qui sera plus tard le moteur de nos muscles) est à la manœuvre dans les déplacements de matière.

Le mouvement des cellules va combler le trou mais, une fois amorcé, il va se perpétuer. Sa nature quadripolaire va induire un étirement de la masse visqueuse de l'œuf. Mais souvenons nous que l'œuf est un disque inhomogène dont le centre comporte une plus grande densité de cellules. C'est donc très naturellement que l'étirement va entraîner un relèvement des bords qui vont avoir tendance à se replier pour former un tube. Un tube d'abord ouvert sur sa longueur, puis fermé. Cette fois, le processus est purement physique. Si on prend un disque caoutchouté avec une répartition des masses identique à celle de l'œuf et qu'on l'étire suivant son axe de symétrie latérale, il va se replier de la même façon. Voilà qui pourrait donner une explication simple à l'existence de la super-famille des chordata (chordés) à laquelle appartient le clade des vertébrés !

Vertébrés

Le mariage entre physique des écoulements dans les milieux visqueux et embryogénèse ne s'arrête pas là. Le mouvement quadripolaire qui se poursuit va esquisser l'apparition d'un bloc antérieur et d'un bloc postérieur, ainsi que celle de nouveaux plis. Plis qui, en se fermant, vont former des cavités. En quelques jours, ce mouvement va dessiner un plan général qui se retrouve chez tous les vertébrés : une tête et une queue, des membres antérieurs et postérieurs, des orifices antérieurs et postérieurs, des cavités comme celle du coeur qui apparaît très tôt dans l'embryogénèse...

Ne nous méprenons pas : la physique ne prend pas la place de la biologie et ne rend pas caduque la sélection naturelle. Elle ne fait que lui prêter le concours de ses lois pour aboutir à une architecture qui resterait inerte ou éphémère sans la sélection des gènes qui permettent de spécialiser les organes, de les relier entre eux, de les animer et de les reproduire. Et c'est encore la sélection qui, sur la base d'un même schéma général de développement, avec ses contraintes purement physiques, va amener cette extraordinaire diversité de vertébrés, des oiseaux aux cétacés en passant par les chats, les chauve-souris, les girafes et les humains... Les tenants de l'évolution aiment à dire que l'évolution s'est faite en piquant au hasard des solutions sur l'étagère des possibles. La physique a concouru à déterminer ces possibles. En retour, elle a permis à l'évolution de sélectionner rapidement (600 millions d'années : un temps court si on le compare au tempo très lent de l'évolution) une architecture somme toute complexe mais très riche de fonctionnalités.