Matière et Révolution

Pourquoi nous dormons

Robert Paris — 2019-03-03T23:45:00Z

Pourquoi nous dormons ?

Avertissement : Les réponses à cette question sont aussi diverses que variées et cependant nous allons en donner une nouvelle. Nous dormons parce que nous sommes vivants, le sommeil étant l'état de base de la vie !!! Bien des travaux ont étudié la manière dont nous entrons en sommeil en considérant l'éveil comme le fonctionnement de base du vivant. Des études récentes inversent ce point de vue et considèrent que le sommeil est le mode fondamental de fonctionnement du vivant ! Un renversement de point de vue impressionnant ! Le fonctionnement du cerveau est encore loin d'avoir été décrypté, sans son mode d'éveil comme dans son mode de repos. Les idées sur ces questions changent rapidement. Nous allons voir que la conception du sommeil, de son rôle, ne s'en tient plus aux diverses phases du sommeil, aux types d'ondes, au rôle du sommeil paradoxal et que la phase du repos est en train d'être considérée comme le mode de fonctionnement de base sur laquelle peut se développer le mode en phase active et consciente.

Jean-Didier Vincent, dans « Voyage extraordinaire au centre du cerveau :

« Deux conditions pour dormir : la sécurité et la peau à 27°C. Ces conditions remplies, le sujet peut s'endormir, mais il ne dort pas encore… Les yeux fermés, le sujet sur lui s'accroître la pression du besoin de dormir… Il ne s'enfonce pas progressivement dans le sommeil ; l'éveil le quitte brusquement : une véritable chute dans la nuit de la conscience… Il s'agit d'un commutateur à bascule qui lorsqu'on appuie sur un versant supprime l'inhibition venant du versant opposé. Nous verrons qu'il s'agit d'un système sécurisé, gardien aussi bien du sommeil que de la veille selon l'adage qu'il est un temps pour dormir et un temps pour être éveillé. »

Patrick Berque, « Les sortilèges du cerveau » :

« Le sommeil fait partie des rythmes circadiens déterminant l'alternance des phases de repos et d'éveil. Il rythme nos vies quotidiennement. Il nous force à dormir avec une puissance impérative. Il est indispensable à la vie. Sa privation entraîne une baisse de perspicacité, une maladresse et une impression d'être diminué.

On le retrouve chez toutes les espèces vivantes, insectes araignées, vers de terre, poissons, reptiles, oiseaux, mammifères, primates et l'homme. Nul n'y échappe.

Se mettre au repos est une des premières choses qu'apprend le cerveau. Dès la vingtième semaine de la grossesse, le sommeil apparaît chez le fœtus, avec des alternances d'immobilité et d'agitation selon une périodicité de 50 à 60 minutes, similaire à celle du sommeil observé chez le nouveau-né qui dort dix-huit heures par jour. A l'âge adulte, sa durée est d'environ 7 à 8 heures chez l'homme.

N'est-il pas étrange que nous passions un tiers de notre vie inconscients, à dormir et souvent à rêver !

Pourquoi ? A quoi cela sert-il ? Ce mystère a intrigué dès l'Antiquité…

La privation complète de sommeil chez l'animal entraîne la mort en deux à trois semaines. Chez l'homme, la plupart des gens s'effondrent après trois jours à une semaine…

La découverte du noyau cérébral du sommeil, le thalamus, a été faite par Walter Hess, prix Nobel 1949, en déclenchant un sommeil immédiat par insertion d'une électrode dans l'hippocampe d'un chat. »

Dean Burnett dans « Le cerveau, cet imbécile » :

« Nous ne connaissons toujours pas le but du sommeil ! Nous l'avons observé chez presque toutes les espèces animales, même les plus simples comme les nématodes, des vers parasites très courants. Certains animaux, comme les méduses et les éponges, ne montrent aucun signe de sommeil, mais elles n'ont pas de cerveau donc on ne peut pas vraiment se fier au fait qu'elles « font » quoique ce soit.

Néanmoins des phases de sommeil, ou disons des périodes d'inactivité régulières, sont observées chez une grande variété d'espèces radicalement différentes. Il est clair que c'est une activité importante, profondément enracinée dans l'évolution. Les mammifères aquatiques ont des méthodes de sommeil n'impliquant que la moitié du cerveau parce que s'ils dormaient complètement, ils arrêteraient de nager et risqueraient de couler et de se noyer.

Le sommeil est tellement important qu'il est plus fort que « ne pas se noyer », et pourtant nous ne savons pas pourquoi.

Il existe de nombreuses théories, comme celle de la guérison. On a découvert que les rats privés de sommeil mettaient beaucoup plus de temps à se remettre de leurs blessures et que, de façon générale, ils ne vivent pas aussi longtemps que les rats qui dorment suffisamment.

Selon une autre théorie, le sommeil réduit l'importance des liaisons neurologiques faibles afin de pouvoir les supprimer plus facilement.

Pour d'autres, le sommeil permet d'amoindrir les émotions négatives.

D'après l'une des théories les plus bizarres, le sommeil est venu de la nécessité de nous préserver des prédateurs. Beaucoup de prédateurs sont actifs la nuit et les hommes n'ont pas besoin d'être actifs vingt-quatre heures sur vingt-quatre pour subvenir à leurs besoins, donc le sommeil offre des périodes prolongées d'inertie durant lesquelles le corps ne libère pas les signaux permettant aux prédateurs de le trouver…

Le sommeil sert à se reposer, à donner au corps et au cerveau le temps de se recharger après une journée épuisante. Eh oui, quand nous avons fait quelque chose de particulièrement fatigant, une période d'inactivité prolongée aide notre organisme à se remettre et à refaire le plein.

Mais si le sommeil n'est lié qu'au repos, pourquoi dormons-nous presque toujours des durées identiques, que nous ayons passé la journée à soulever des briques ou à regarder des dessins animés en pyjama ? Les deux activités n'exigent pas la même récupération. Et l'activité métabolique du corps pendant le sommeil ne baisse que de 5 à 10%. Ce n'est pas un ralentissement très fort ; ça revient à passer de 100 à 0 kilomètres à l'heure quand vous avez de la fumée qui s'échappe du moteur de la voiture.

La fatigue ne dicte pas directement notre sommeil, c'est pourquoi les gens ne s'endorment jamais pendant qu'ils courent un marathon.

En réalité, le déclenchement et la durée du sommeil sont déterminés par notre rythme cardiaque, lui-même calé sur des mécanismes internes précis. Il y a la glande pinéale qui régule notre sommeil en sécrétant de la mélatonine, une hormone qui nous détend et nous rend paisibles. La glande pinéale réagit aux niveaux de lumière. Les rétines de nos yeux détectent la lumière et envoient des signaux à la glande pinéale, et plus celle-ci reçoit de signaux, moins elle libère de mélatonine (mais sans jamais s'arrêter complètement d'en relâcher).

Les niveaux de mélatonine dans notre corps augmentent progressivement au cours de la journée et ils s'accroissent plus rapidement lorsque la nuit tombe, d'où le fait que notre rythme cardiaque s'adapte aux heures de la journée et que nous soyons plus alertes le matin et fatigués le soir.

C'est ce mécanisme qui sous-tend le « jet-lag », la fatigue due au décalage horaire. Voyager, passer d'un créneau horaire à un autre, c'est s'exposer à des niveaux de lumière complètement différents, et vous avez une lumière de 11 heures du matin alors que votre cerveau pense qu'il est 20 heures.

Nos cycles de sommeil sont précisément réglés et ce bousculement des niveaux de mélatonine les détraque. Et il est beaucoup plus dur de « rattraper le sommeil » qu'on ne peut le penser ; notre cerveau et notre corps sont liés au rythme cardiaque, de sorte qu'il est difficile de forcer le sommeil à un moment où il n'est pas attendu (même si ce n'est pas impossible). Quelques jours d'exposition au nouveau cycle de lumière et notre rythme s'ajuste miraculeusement…
Notre température corporelle change elle aussi en fonction de ces rythmes, variant entre 36 et 37 degrés (ce qui est une grosse variation pour un mammifère)…

L'hypothèse selon laquelle le sommeil n'est lié qu'au repos et à la conservation d'énergie est encore plus mise à mal par le fait qu'on a observé le sommeil chez des animaux en hibernation… L'hibernation n'est pas la même chose que le sommeil ; le métabolisme et la température corporelle diminuent beaucoup plus ; la durée est beaucoup plus longue ; en réalité, cela ressemble plus au coma qu'au sommeil. Mais les animaux en hibernation entrent régulièrement en état de sommeil, de sorte qu'il leur faut dépenser davantage d'énergie pour dormir. L'idée que le sommeil n'est lié qu'au repos est à l'évidence trop limitée…

Une autre théorie affirme que le sommeil est essentiel pour que le cerveau évacue les déchets qu'il produit. Les processus cellulaires complexes du cerveau créent une grande quantité de rebuts dont il faut se débarrasser, et des études ont montré que cela a lieu beaucoup plus souvent quand nous dormons ; pour le cerveau, le sommeil serait l'équivalent des heures de fermeture l'après-midi d'un restaurant, où le personnel met de l'ordre entre deux services ; il y a autant d'activité mais elle est différente.

Quelle qu'en soit la vraie raison, le sommeil est essentiel pour le fonctionnement normal du cerveau. Les gens privés de sommeil, en particulier de la phase REM, éprouvent rapidement un déclin de leur attention et de leurs facultés à résoudre des problèmes, une augmentation du stress et une chute générale de leurs performances…

Si vous passez trop de temps sans dormir, votre cerveau commence à initier des « micro-siestes », où il attrape des bribes de sommeil de quelques minutes, voire secondes d'affilée.

Notre évolution a rendu nécessaires de longues périodes d'inconscience et nous ne savons pas vraiment faire avec quelques miettes ici et là.

Même si nous réussissons à fonctionner avec les problèmes cognitifs posés par le manque de sommeil, il réduit l'efficacité du système immunitaire et est associé à l'obésité, au stress et aux problèmes cardiaques… »

Stanislas Dehaene et Marcus Raichle, « Pas de repos pour le cerveau », dans « C3RV34U » :

« Nos neurones sont en ébullition permanente. Même lorsque nous nous reposons, nos aires cérébrales communiquent et discutent entre elles. De nombreuses études récentes de neuro-imagerie l'ont démontré : notre cerveau a une vie intérieure… Bien que nous commencions seulement à comprendre pourquoi notre cerveau dépense une telle énergie à vagabonder, l'étude de l'activité intrinsèque pourrait fournir une des clés pour l'explication des troubles neurologiques, et même pour la connaissance de ce phénomène appelé « conscience »…

L'activité cérébrale d'une personne qui « ne fait rien » est loin d'être négligeable.

On sait maintenant que lorsque l'esprit est au repos – lorsqu'on rêvasse tranquillement dans une chaise, qu'on est endormi dans un lit ou anesthésié lors d'une opération chirurgicale – diverses aires cérébrales bavardent entre elles. Et l'énergie consommée par cette discussion permanente, connue sous l'expression « mode par défaut » du cerveau, est environ vingt fois celle utilisée consciemment pour chasser une mouche avec un journal ou à tout autre stimulus extérieur. En effet, la plupart des choses que l'on fait consciemment, que ce soit de s'asseoir pour dîner ou préparer un discours, constituent une petite déviation de l'actitivré de base du mode par défaut.

Une découverte clé pour la compréhension du mode par défaut du cerveau a été celle d'un système cérébral jusqu'ici inconnu, baptisé le « réseau du mode par défaut ». Son rôle exact dans l'organisation de l'activité cérébrale fait toujours l'objet de recherches, mais on pense qu'il orchestre la façon dont le cerveau organise les souvenirs et gère les différents systèmes qui ont besoin de se préparer aux événements futurs : le système moteur doit être prêt à réagir au quart de tour lorsque vous sentez le chatouillement de la mouche sur votre bras…

L'idée que le cerveau est en constante ébullition n'est pas nouvelle. Hans Berger, l'inventeur de l'électroencéphalogramme fut un pionnier de cette notion. Dans un des articles fondateur sur ses découvertes en 1929, Berger déduisait des oscillations électriques incessantes détectées par sa machine :

« Nous devons faire l'hypothèse que le système nerveux central est en permanence, et pas seulement durant les phases d'éveil, dans un état d'activité considérable. »

Cependant ses idées sur le fonctionnement cérébral furent largement ignorées…

Certaines aires du cerveau sont très actives, à la fois au repos et dans les conditions d'activité…

Des analyses poussées ont montré que réaliser une tâche spécifique augmente d'au moins 5% la consommation énergétique du cerveau par rapport à sa consommation de base.

Une large proportion de l'activité totale du cerveau – de 60 à 80% de l'énergie totale qu'il utilise – provient de circuits qui ne sont pas liés au traitement des événements extérieurs…

Les indices de l'existence d'une vie intérieure du cerveau étant bien établis, il était nécessaire de comprendre la physiologie de cette activité intrinsèque du cerveau – et comment elle pouvait influencer la perception et le comportement…

Au milieu des années 1990, nous avons remarqué de manière presque accidentelle que certaines régions du cerveau, à notre grande surprise, subissent une diminution de leur niveau d'activité par rapport à l'état de repos lorsque les sujets réalisent une tâche. Ces aires – en particulier une zone du cortex pariétal médian (région proche du milieu du cerveau impliquée, entre autres, dans la capacité à se souvenir des événements propre de sa vie) – montrent cette baisse d'activité lorsque d'autres régions sont engagées dans la réalisation d'une tâche particulière, telle la lecture à voix haute. Déconcertés, nous avons surnommé « aire pariétale mystérieuse » la zone montrant la diminution d'activité la plus forte…

En fait, notre « aire mystérieuse » reste constamment active, même lorsqu'elle n'est pas engagée dans une tâche précise…

Ces résultats ont été confirmés, tant pour le cortex pariétal médian que pour le cortex préfrontal médian. Ces deux aires qui permettent d'évoquer des souvenirs et des images mentales personnelles, mais également de nous représenter ce que les autres pensent et ressentent, sont aujourd'hui considérées comme des nœuds centraux du réseau du mode par défaut…

L'organisation frappante de cette activité cérébrale observée sous anesthésie générale ou durant le sommeil suggère qu'elle représente une composante fondamentale du fonctionnement cérébral et non pas seulement « du bruit »… »

Michel Jouvet, dans « Les mystères du sommeil » :

« Le sommeil paradoxal serait une sorte de reprogrammeur effaçant (oubli) ou renforçant (mémoire) les acquisitions du jour en accord avec l'individuation génétique. En bref, nous ne rêverions pas mais « nous serions rêvés ». Pendant cette reprogrammation interne, le cerveau serait coupé de l'extérieur. Des entrées stochastiques seraient assurées par des activations générées au niveau du pont, sélectionnant les nouveaux récepteurs synaptiques synthétisés pendant le sommeil lent… Une énorme quantité d'énergie est nécessaire pour que les cent minutes de sommeil paradoxal soient capables de remanier la circuiterie synaptique initiée pendant les 600 minutes d'éveil. Le sommeil lent serait alors indispensable au sommeil paradoxal en assurant une réserve d'énergie sous forme de glycogène dans la glie. »

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Pourquoi et comment les rythmes biologiques révèlent une discontinuité fondamentale ?

Robert Paris — 2011-02-20T15:02:00Z

« Le passage d'une resynchronisation impaire à une resynchronisation paire, c'est-à-dire le passage d'une boucle autour du trou central du tore (représentation de l'espace des états sur un équivalent topologique de la chambre à air) à une boucle ne traversant pas ce trou, ne peut pas s'effectuer de manière continue. (...) A partir d'une valeur critique de la phase, lorsque le stimulus est assez intense, la nouvelle phase décroche. Le mot "décroche" peut sembler abusif car il faut imaginer une discontinuité et, hormis les événements moléculaires ou relevant de la mécanique quantique, les changements temporels (en biologie) semblent continus, bien que parfois très rapides. Les véritables discontinuités (en biologie) sont des phénomènes rares et inobservables. (...) Mais, dans le cas auquel nous faisons référence, la discontinuité est un impératif topologique. Pour transformer une boucle entourant le trou d'un tore en une boucle ne l'entourant pas, il faut nécessairement déformer la boucle de façon discontinue."

Arthur Winfree dans "Les horloges de la vie"

Le mécanisme du vivant est inséparable de "cycles", c'est-à-dire de phénomènes qui suivent des cycles mais la question reste ouverte pour savoir s'il s'agit d'une alternance rapide de phases opposées ou de modes continus d'évolution. Dans le premier cas, cela signifie que le phénomène repose sur des changements d'états de type quantique (on ne peut pas descendre en dessous d'un minimum et chaque saut a une durée minimum, le saut étant franchi lors du passage d'un seuil quantitatif). Pour bien des auteurs, rythmes périodiques est encore synonyme de continuité sur le mode des ondes. Pourtant, une alternance de phases opposées avec coupure peut sembler continue si les temps de coupure sont courts mais être discontinus.

L'expression oscillateurs ne tranche pas davantage la question. Des rythmes fondés sur la discontinuité peuvent être périodiques ou quasi périodiques et être issus de phénomènes singuliers, fondés sur des sauts. Deux quantités caractérisent la rythmologie des cycles : la période et la phase.

L'exemple typique de phénomène cyclique est la balançoire (par exemple, l'horloge à balancier). La période indique le temps nécessaire pour faire un aller et retour complet du mouvement pendulaire et la phase indique la position de la balançoire par rapport à la position la plus basse. La fréquence est le nombre de cycle par unité de temps. De manière cyclique, le mouvement fait repasser la balançoire par n'importe quelle phase. Il pourrait sembler que le phénomène de la balançoire est la meilleure démonstration du caractère continu et linéaire du mouvement oscillatoire. Rien n'est plus faux. La balançoire n'est proche de la linéarité que pour des petits angles du mouvement. La balançoire simple s'arrête rapidement du fait des frottements. Il faut donc qu'elle soit entretenue par communication d'énergie. Or, la balançoire amortie (frottement) et entretenue est non linéaire et du domaine du chaos déterministe… Cela signifie que des petits changements discontinus peuvent provoquer des changements brutaux : des sauts. Le type de rythmologie, continu ou discontinu, linéaire ou non linéaire, n'est pas aisé à trancher et pourtant, c'est l'un des points fondamentaux… La non-linéarité, en effet, est productrice de rythme oscillatoires si un phénomène peut grandir jusqu'à un point où c'est le phénomène inverse qui l'emporte et inversement. Il y a alors d'abord croissance par rétroaction positive puis, à un seuil, renversement avec décroissance par rétroaction négative.

Il importe également de distinguer des rythmes d'un seul oscillateur et d'autres fondés sur l'émergence issue des interactions d'un grand nombre d'oscillateurs. Là aussi, il est difficile de discriminer. Les rythmes émergents sont très différents pourtant des rythmes propres d'un seul oscillateur. Notamment, l'une des propriétés fondamentale des rythmes émergents est qu'ils proviennent d'un apprentissage et ne sont pas donnés par le matériel physique dès qu'il est constitué, ce qui est très différent. A sa naissance, un cœur, un cerveau, un neurone ne savent pas fonctionner avec leur environnement : ils apprennent. Or, leur fonctionnement ce sont justement des rythmes. Tout notre corps est fondé sur des rythmes fondés sur un apprentissage. Il ne suffit pas de savoir produire de protéines, produire des décharges électriques ou produire des séparations cellulaires. Il faut savoir dans quelles conditions et à quel moment.
Comment peut se produire l'interaction d'un très grand nombre de rythmes menant à l'émergence d'un rythme collectif ? C'est également l'un des objets d'étude qui suscite de nombreuses questions. Nous savons déjà qu'un rythme à période unique, fixe, ne peut interagir qu'avec des rythmes de période ayant un rapport rationnel simple avec lui. C'est ce que l'on appelle la résonance. Des oscillateurs ne peuvent être dynamiques et modifier collectivement leur période que si celle-ci était non fixe, si ces oscillateurs étaient non-linéaires et fondés sur des sauts. Or, le vivant est clairement sujet à des rythmes interactifs et nous verrons qu'ils sont capables de trouver collectivement des rythmes par interaction, ce qui tranche une partie du débat. Or, le vivant ce n'est pas seulement des rythmes isolés les uns des autres, c'est plutôt un immense réseau d'interaction entre des rythmes proches mais aussi entre des rythmes très différents sur une large palette de niveaux des échelles du temps. Les matières interagissent entre elles mais les rythmes aussi. Il suffit de changer la rythmologie d'interaction des gènes sans changer le contenu des gènes de la molécule ADN pour modifier les protéines produites, les organes fabriqués et changer d'espèce….

La réponse aux questions posées (continu ou singulier, linéaire ou non-linéaire, rythmes fixes ou émergents, individuels ou collectifs, ne se contente pas d'observation. Le film montre clairement que des images singulières se succédant rapidement a toute l'apparence du continu.

Les rythmes biologiques jouent un rôle majeur dans le fonctionnement des organismes vivant (pulsations cardiaques, mouvements de paupières ou respiratoires, rythme repas/digestion, états alternés de veille et sommeil, cycles de l'ovulation, floraison et fructification des plantes, fructification saisonnière des champignons, migration animales, etc.). Ils sont importants dans la construction de nos comportements habituels (alimentation, sommeil…)

On a récemment découvert différents types d' « oscillateurs moléculaires », y compris chez des champignons (chez Neurospora crassa, organisme-modèle de laboratoire) et un rythme circadien bactérien a même été mis en évidence, et en grande partie expliqué, chez des bactéries photosynthétiques (Cyanophycées).

Albert Goldbeter écrit dans « La vie oscillatoire » :

« Battements du cœur, respiration, alternance des phases d'éveil et du sommeil, cycle ovarien, migrations animales, floraison des plantes : la vie est rythmes. (…) De nombreux processus périodiques sont à l'œuvre, de manière imperceptible au sein de nos cellules. Ainsi, une horloge biologique contrôle le cycle de division cellulaire, des premiers stades de l'embryon jusqu'à la formation de l'organisme adulte au sein duquel elle poursuit son action tout au long de la vie. L'action des neurones est sous-tendue par des rythmes. D'autres exemples nous sont donnés par l'alternance périodique des différentes phases du sommeil, les nombreux rythmes hormonaux et les oscillations dans les communications intercellulaires. (…) Parmi les multiples rythmes qui scandent la physiologie des organismes, certains sont liés à la périodicité de l'environnement. Ainsi des rythmes circadiens, d'une période proche de 24 heures, permettent aux êtres vivants de s'adapter à l'alternance du jour et de la nuit, résultent de la rotation de la Terre sur son axe. D'autres rythmes sont liés au cycle annuel des saisons, comme la floraison, l'hibernation, les migrations ou la reproduction chez de nombreuses espèces animales. (…) Les rythmes biologiques les plus rapides caractérisent l'activité électrique des cellules nerveuses ou musculaires. Leur période peut varier du centième de seconde à une dizaine de seconde ou plus. (…) Le cerveau est un organe rythmique par excellence, tout comme le cœur. (…) Les mécanismes qui sous-tendent la périodicité cyclique au niveau cellulaire sont similaires aux mécanismes des rythmes neuronaux. A côté des oscillations d'origine électrique qui forment une classe majeure parmi les rythmes biologiques, il en existe de nombreux autres de nature non électrique. Ainsi, des oscillations sont observées dans les voies de communication entre cellules, par exemple de nature hormonale, et dans le cycle de division cellulaire dont la période varie d'une dizaine de minutes pour certaines cellules embryonnaires à 24 heures ou plus pour les cellules de l'organisme adulte. D'autres rythmes sont observés au sein de la cellule. Ainsi, des oscillations de calcium surviennent avec une période de quelques secondes ou de quelques minutes dans des cellules stimulées par une hormone ou un neurotransmetteur. (…) Un bel exemple de rythme dans les communications intercellulaires est fourni par des amibes dites « sociales », qui communiquent entre elles par des signaux pulsatiles dont la fréquence est de l'ordre d'une pulsation toutes les 5 ou 10 minutes. De même, la plupart des hormones sont sécrétées de manière pulsatile avec une périodicité allant d'une dizaine de minutes pour l'insuline à une heure pour l'hormone qui induit la sécrétion des hormones gonadotropes impliquées dans le contrôle de la reproduction et de trois à cinq heures pour l'hormone de la croissance. (…) D'autres rythmes procèdent d'un mécanisme supracellulaire faisant intervenir des interactions régulatrices entre les différents organes. Ainsi, cycle ovarien, chez la femme, prend la forme du cycle menstruel d'une période proche de 28 jours et fait intervenir les sécrétions hormonales de l'hypothalamus, de l'hypophyse et des ovaires. A un niveau écologique dépassant celui des organismes, les interactions entre populations animales donnent lieu à des oscillations de période encore plus longue. (…) Les oscillations dans les populations de prédateurs et de proies représentent un exemple classique de rythme en écologie, avec une période pouvant atteindre plusieurs années. (…) Parmi les rythmes multiannuels remarquables, ceux dont la période est la plus longue dans le règne animal caractérisent le cycle de la vie de certaines cigales qui émergent du sol, dans l'Est des Etats-Unis, tous les 13 ou 17 ans. Enfin, dans le règne végétal, certaines espèces de bambou fleurissent avec une périodicité qui peut atteindre la centaine d'années. Dans la plupart des exemples connus expérimentalement la non-linéarité responsable de l'existence d'oscillations est associée à la présence d'une étape de nature auto-catalytique, c'est-à-dire auto-amplifiée, en raison d'une rétroaction positive. Souvent des rétroactions positives et négatives entremêlées sont à la base du comportement oscillant. Ces conditions d'ouverture et de non-linéarité sont précisément celles qui caractérisent la chimie des êtres vivants. (…) Une observation parmi les plus énigmatiques au sujet des rythmes circadiens est la possibilité de les supprimer de manière permanente par une brève impulsion lumineuse. Tout aussi mystérieuse est la restauration du rythme par une seconde impulsion identique à la première. Ce phénomène, observé chez la drosophile et chez certains mammifères comme le cochon d'Inde, (…) a reçu une interprétation par Arthur Winfree. (…) Winfree suppose que les rythmes circadiens se produisent sous forme d'oscillations de type cycle limite autour d'un état stationnaire instable. L'effet de la perturbation lumineuse est de ramener chaque cellule oscillante à son état stationnaire. Il est nécessaire pour cela que la perturbation possède une amplitude précise et soit appliquée à une phase particulière des oscillations. Comme l'état stationnaire est instable, les cellules finissent par le quitter et retournent chacune au cycle limite. Toutefois, la phase des oscillations est indéfinie, et chaque cellule rejoint le cycle à une phase aléatoire. La désynchronisation qui en résulte abolit l'émergence d'un rythme circadien global, au moins pendant un certain temps. L'effet de la perturbation lumineuse pendant ce laps de temps est de supprimer le rythme circadien. (…) Le but premier de ce livre a été de rechercher le mécanisme à l'origine des principaux rythmes du vivant. La plupart du temps, ce mécanisme est de nature cellulaire et repose sur des processus de contrôle impliquant la régulation de gènes, de récepteurs, de canaux ioniques ou d'enzymes. (…) Pour que le rythme s'établisse de manière robuste au niveau d'un tissu, d'un organisme ou d'une population, il faut encore que les oscillateurs se synchronisent entre eux. (…) Nous avons rencontré de multiples exemples de synchronisation des rythmes : oscillations glycolytique dans une population de levures, agrégation périodique des amibes sociales, mise en phase d'oscillateurs neuronaux sous-tendant l'activité rythmique du cerveau, sécrétion coordonnée des pulsations d'insuline par les cellules béta du pancréas, émergence du rythme cardiaque au sein des cellules du nœud sinusal et des rythmes circadiens dans des cultures des cellules des noyaux supraschiasmatiques. Dans chacun de ces exemples, des cellules oscillantes se synchronisent entre elles. (…) Le couplage et la synchronisation jouent un rôle clé dans la dynamique des systèmes du vivant. »

Arthur Wifree dans "Les horloges de la vie" :

« Rien ne nous semble plus ordinaire que l'alternance du sommeil et de la veille, qui rythme inlassablement notre vie. Tandis que tourne la Terre, notre conscience poursuit ses propres révolutions, passant du rêve, mystérieux et solitaire, à l'éveil, avec ses activités sociales et professionnelles. A l'occasion, nous avons tous modifié le rythme quotidien de nos activités et nous savons que notre rythme interne n'est pas strictement synchronisé sur l'alternance du jour et de la nuit. Nous savons également que nous ne pouvons échapper au sommeil bien longtemps. Le rythme de l'horloge géophysique est inscrit en nous ; ce n'est pas seulement le fruit d'une longue habitude, contractée dès la naissance, mais un héritage physiologique. (…) La température interne varie imperturbablement, avec une période de 25 heures (appelé rythme circadien par opposition au rythme diurne de 24 heures – circadien veut dire proche du rythme des jours). En découvrant la régularité du cycle des températures internes, Jurgen Aschoff, directeur de l'Institut Max Planck d'Andechs, a ainsi démontré l'existence d'une horloge circadienne interne. La période de l'alternance sommeil-veille d'un homme est de 24 heures mais elle se poursuit selon sa période naturelle, égale à 25 heures, quand l'homme a été isolé, soustrait à l'influence de la lumière. (….) On ne connait le rythme interne de la période que depuis 20 ans. D'autres primates possèdent également ce rythme. (…)

Un exemple de rythme circadien

Tout notre environnement varie selon un rythme « civil » de 24 heures et nos fonctions physiologiques accélèrent ou ralentissent ainsi de concert avec le cycle du sommeil. Les conséquences médicales de cet asservissement sont aujourd'hui connues. (…) On supporte mieux la douleur l'après-midi que le matin. Les anesthésies sont particulièrement efficaces en début d'après-midi et les doses nécessaires le matin peuvent être excessives en fin de journée. Les sujets allergiques sont beaucoup plus sensibles juste après minuit que dans l'après-midi. Le foie métabolise bien plus vite l'alcool en début de soirée que le matin.
Les médecins doivent tenir compte des rythmes biologiques pour l'interprétation des examens biologiques et l'établissement des diagnostics. Une température égale à 37 degrés pendant la nuit est anormale ;l à trois heures du matin, cette valeur indique que le patient est fiévreux, alors qu'en fin d'après-midi, elle n'est pas inquiétante. (…) En fait, c'est non seulement pour le diagnostic, mais aussi pour le traitement que le médecin doit tenir compte des rythmes circadiens. Comme la réplication de l'ADN, dans de nombreux types de cellules, s'effectue de préférence à certaines heures de la journée, les radiothérapies ou les chimiothérapies sont beaucoup plus efficaces à des moments précis de la journée. On observe parfois que 80% des cellules d'une population résistent au traitement à un moment de la journée alors que la même dose est fatale à 80% de la population quelques heures plus tard. (…) Les endocrinologues et les vétérinaires connaissent depuis longtemps l'importance de l'heure d'administration des hormones. On traite les insuffisances surrénaliennes humaines, par exemple, en administrant plutôt la cortisone le matin lorsque l'activité de la glande cortico-surrénale est maximale. (…) On a également observé que les troubles du sommeil et diverses maladies psychiatriques plus graves, notamment des dépressions, sont synchronisées avec la libération d'hormones dans le cerveau : ces maladies, jusqu'ici incurables, pourraient être des effets secondaires de troubles des rythmes circadiens ; des expositions convenablement programmées à la lumière (celle du soleil ou celle de lampes intenses) permettent de traiter certaines formes de dépression). On suppose que l'exposition à la lumière modifie la sécrétion de mélatonine, une neuro-hormone associée au cycle circadien. (…) Bien que le rythme naturel de notre horloge soit plus lent d'une heure par jour environ que le rythme de rotation de la Terre, notre horloge est entrainée par les variations lumineuses et sa période est ainsi réglée sur 24 heures. Un enfant possède d'abord un rythme naturel de période égale à 25 heures, puis il s'adapte au rythme de son entourage. (…)

Une horloge ne sert à rien si on ne peut la remettre à l'heure ; de même une horloge biologique qui ne se resynchroniserait pas serait inutile, sauf si sa période était exactement celle de la Terre. Elle devrait en outre être insensible au froid, au chaud, aux émotions et aux variations hormonales. La moindre différence entre sa période interne et la période externe la mettrait hors d'usage : même si le décalage était seulement d'une minute par jour les animaux diurnes que nous sommes seraient, en deux ans, des animaux nocturnes s'éveillant au crépuscule, se couchant à l'aube : deux ans plus tard, nous serions à nouveau en phase avec le Soleil et, deux ans plus tard encore, nous serions à nouveau plongés dans la nuit. (….) Pour demeurer accordés à l'environnement, il nous faudrait vivre en nomades, et faire le tour de la Terre (…)

Pour rester synchronisée, notre horloge interne doit battre à un rythme peu différent de celui de la Terre et se recaler quotidiennement. Cette possibilité de resynchronisation est essentielle au fonctionnement de toute horloge biologique : l'animal qui la possède demeure ainsi dans sa zone horaire d'origine sans devoir voyager pour compenser l'inévitable décalage. La resynchronisation résulte d'un entrainement. Un cycle est ainsi entrainé par un autre cycle, grâce à des signaux réguliers, à la façon des danseurs qui suivent le rythme d'une musique. Le cycle des saisons, par exemple, entraine celui de la floraison et de la fructification de nombreux arbres ; la pousse des bois du cerf est soumise à la même régulation. Dans le cas des rythmes circadiens, le signal de commande est généralement la durée quotidienne du jour. Selon les cas, la lumière retarde ou avance légèrement l'horloge interne. Il existe bien d'autres systèmes de resynchronisation des horloges biologiques, mais la grande majorité des espèces vivantes se fondent sur l'événement quotidien qui se répète le plus régulièrement : l'alternance du jour et de la nuit ; c'est à ce signal que leurs horloges circadiennes sont devenues les plus sensibles. (…) Comment s'effectue cette resynchronisation ? (…) Les stimuli (une exposition à la lumière blanche pendant 14 heures, par exemple) agissent différemment selon la phase du cycle interne à partir duquel on les applique. En première approximation, ces stimuli n'engendrent qu'un décalage : une période après le début de la stimulation, l'horloge n'est plus à la phase qu'elle aurait eu sans la stimulation, mais à une nouvelle phase. (...)
On rencontre souvent en physiologie le déclenchement d'un événement discontinu, par exemple le passage du sommeil à l'état de veille, qui résulte d'un processus comportant un phénomène de seuil et que ce seuil soit lui-même le produit d'un rythme. Le fonctionnement passe par une phase critique. En termes de rythmes, le passage d'une resynchronisation paire à impaire et inversement est une discontinuité fondamentale. (…)

Tous les organismes subissent une resynchronisation impaire lorsque les stimuli sont très faibles ; à la limite (stimuli nul), la nouvelle phase est égale à l'ancienne. Ces mêmes organismes ont-ils une resynchronisation impaire quand on les stimule davantage ? (…) Quand la durée d'exposition périodique à la lumière passe de 7,5 minutes à 2 heures, (…) la resynchronisation d'impaire devient paire. Ce changement n'a pas seulement lieu quand on multiplie par 16 la durée de stimulation : on pourrait le cerner bien plus précisément en augmentant progressivement la durée des stimulations dans diverses expériences.

Cette simple remarque suffit à réfuter l'idée selon laquelle les différents types topologiques de resynchronisation résulteraient de mécanismes d'horloge différents ou de types de stimuli particuliers. Au contraire, les différentes resynchronisations semblent dues à un mécanisme universel ! Cette observation fait surgir un nouveau problème : quel que soit l'organisme considéré et quelle que soit la phase à laquelle on le stimule, (…) le passage d'une resynchronisation impaire à une resynchronisation paire, c'est-à-dire le passage d'une boucle autour du trou central du tore (représentation de l'espace des états sur un équivalent topologique de la chambre à air) à une boucle ne traversant pas ce trou, ne peut pas s'effectuer de manière continue. (...) Pour les moustiques Culex, par exemple, le renforcement de la stimulation finit par modifier brusquement la courbe de resynchronisation : tandis qu'elle décrivait toutes les valeurs de la nouvelle phase, un intervalle complet de valeurs est maintenant épargné. A partir d'une valeur critique de la phase, lorsque le stimulus est assez intense, la nouvelle phase décroche. Le mot "décroche" peut sembler abusif car il faut imaginer une discontinuité et, hormis les événements moléculaires ou relevant de la mécanique quantique, les changements temporels (en biologie) semblent continus, bien que parfois très rapides. Les véritables discontinuités (en biologie) sont des phénomènes rares et inobservables. Comment prouver que la cause est réellement inférieure à n'importe quelle valeur finie (c'est-à-dire prouver la continuité) ? Pourtant dans le cas présent, la nouvelle phase semble bien changer d'une quantité finie, alors que l'ancienne phase ne change que d'une façon infinitésimale. Serions-nous dans le cas exceptionnel d'une véritable discontinuité ? Oui, car, dans le phénomène considéré, la discontinuité est un impératif topologique. Pour transformer une boucle entourant le trou d'un tore en une boucle ne l'entourant pas, il faut nécessairement déformer la boucle de façon discontinue. Lorsque le stimulus atteint la valeur critique, la boucle doit être coupée, déplacée, puis recollée. La topologie ne décrit pas la discontinuité, mais elle prévoit un phénomène à découvrir : il doit exister une singularité physiologique. Il y a 20 ans seulement, on ne soupçonnait même pas l'existence de cette singularité, mais les expériences où l'on observait un déphasage variant continûment en fonction des conditions expérimentales auraient dû nous mettre sur la voie de la singularité inobservée. La topologie a indiqué la méthode à suivre pour trouver expérimentalement le point singulier et, rapidement, le protocole de piégeage de singularité a été mis en œuvre pour la recherche de la phase singulière d'une horloge biologique. (…)

L'examen raisonné des resynchronisations observées suffit à déduire les propriétés essentielles des horloges biologiques. Cet examen est favorisé par une présentation géométrique, intuitive, fondée sur des diagrammes de phase colorés. Sur ces diagrammes apparaissent directement les surprenantes conséquences de la découverte des resynchronisations paires. (…) A la limite de la resynchronisation impaire, la nouvelle phase est strictement égale à l'ancienne ; à la limite de la resynchronisation impaire, la nouvelle phase est constante, quelle que soit l'ancienne phase. (…) Construisons alors un graphique rectangulaire où apparaissent tous les types de stimulations possibles : en abscisses, nous portons les anciennes phases, à partir desquelles les horloges sont stimulées, en ordonnée, nous portons les intensités de stimulation. En chaque point de ce rectangle, nous indiquons le résultat de l'expérience (la nouvelle phase) par un code de couleur. (…) Représentons la phase nulle par la couleur rouge et convenons que les phases croissantes soient successivement représentées par le violet, le pourpre, le bleu, le vert, le jaune, l'orange et de nouveau le rouge. (…) Selon l'hypothèse de continuité, la couleur en chaque point doit être voisine de la couleur des points voisins. Une zone jaune, par exemple, ne peut être voisine d'une zone bleue : entre les deux doit apparaître soit une zone verte, soit une succession de zones orange, rouge, pourpre, violette. (…) Faites l'expérience, vous n'éviterez pas une zone où toutes les couleurs se mélangent.

Cette conclusion est biologiquement importante : pour un point correspondant à un couple précis d'ancienne phase et d'intensité du stimulus, la nouvelle phase est indéterminée, bien que les points très voisins soient de toutes les couleurs. Ce point est une singularité de phase."

Les acquis de la recherche sur les rythmes biologiques

a) L'homme a un rythme circadien d'environ 25 heures.
Ce rythme subit un recalage avec la lumière du jour.
Dans les mouvements périodiques (rythmes des marées, passage de fuseaux horaires, etc..) il y a des points de convergences, appelés points amphidromiques pour les marées ou singularité de phase.
De nombreuses fonctions physiologiques varient suivant le rythme circadien :
la température corporelle
le seuil de sensibilité au froid
la sensibilité au courant électrique
La durée de l'anesthésie
la concentration du cortisol dans le sang
l'efficacité des chimiothérapies et des radiothérapies
Lumiére et mélatonine
La resynchronisation
utilisation d'un tore
resynchronisations paire et impaires
horloges simples : toujours paire.
resynchrisation suivant l'intensité de la stimulation
Le coeur et les singularité de phase
Les communautés d'horloges.
Compromis de phase entre les horloges couplées
Coloriage du tore
Trajectoires dans l'espace des phases. (Ref1)

Références :

1. Arthur Winfree Les horloges de la vie : les mathématiques des rythmes biologiques Pour la science (BELIN) 1997

2. Arthur Winfree The geometry of biological time. Springer-Verlag 1980

3. Steven Strogatz SYNC : the emergeous science of spontaneous order. Hyperion 2003

4. Michèle Teboul et Franck Delaunay Ni maître ni esclave chez les horloges biologiques Médecine-Sciences Juillet-Aout 2004

5. Hugues Dardente. Redondance génétique et synchronisation cellulaire dans les horloges circadiennes. Medecine-Sciences. Mars 2008.

6- Albert Goldbeter. La vie oscillatoire.

7- Gilbert Simondon – Les rythmes comme cycles de l'ontogenèse ?

NE PAS CONFONDRE L'ETUDE DES RYTHMES BIOLOGIQES AVEC LA SUPERSTITION DES « BIORYTHMES » SUR L'INFLUENCE DES ETOILES, DES PLANETES OU DES ARBRES

Winfree écrit : "Selon cette théorie farfelue, nous serions tous sous l'influence de cycles, comparables aux cycles menstruels, mais beaucoup plus précis : contrairement aux cycles menstruels dont la période dépend des femmes et de leur environnement, les capacités physiques varieraient selon un cycle de 23 jours exactement ; le tonus émotionnel suivant un cycle de 28 jours et l'activité intellectuelle suivant un cycle de 33 jours" "Quelle est la validité des biorythmes ? Dans les années 1970, les résultats d'une douzaine d'études indépendantes ont été publiés. Plus de 40 000 cas de suicides et d'accidents divers ont été étudiés en détail et confrontés aux prévisions de la théorie des biorythmes. Aucune corrélation n'est apparue, et l'une des études concluait : chacun d'entre nous a ses bons et ses mauvais jours, mais les biorythmes ne permettent pas de les prévoir." Tout le monde ressent des variations d'humeur (en positif ou en négatif) qui peuvent être induites par un grand nombre d'événements. Mais la théorie des biorythmes n'est qu'une superstition populaire."

Tout commence par la capacité dont l'être est doté de se déphaser. L'être possède une nature dynamique, en partie latente en partie manifestée, qui fait qu'il n'est jamais un, ni donné à lui-même, ni fondé sur lui-même, mais toujours en mouvement, en décalage ou en déphasage d'avec lui-même : « Le devenir est l'être comme présent en tant qu'il se déphase actuellement en passé et avenir, trouvant le sens de lui-même en ce déphasage bipolaire. »

Ce dynamisme de l'être, qui propulse l'individuation, n'implique pas, toutefois, que celle-ci constituerait un simple flux liquide ; il faut, au contraire, lui attribuer une certaine organisation. Simondon le souligne : « L'individuation ne s'effectue pas de manière continue, ce qui aurait pour résultat de faire qu'une individuation ne pourrait être que totale ou nulle. » Elle est organisée dans le temps par des « discontinuités ». En même temps, ces discontinuités ne sont pas de simples arrêts indépendants les uns des autres. Le « discontinu » de l'être en voie d'individuation n'est pas « un discontinu spatial ou énergétique », comme « celui des particules élémentaires de la physique et de la chimie », mais « un discontinu de phases », idée nécessairement « jointe à l'hypothèse de la compatibilité des phases successives de l'être ». Il me semble qu'on est là au plus près de ce que j'entends, quant à moi, par « rythme ».

L'être ne se déphase pas suivant une seule ligne, comme une succession binaire d'états simplement opposés. Il y a une pluralité latente dans l'être qui n'est pas semblable à une pluralité de parties et qui peut lui permettre de se déphaser suivant de multiples lignes : « L'être n'est pas seulement ce qu'il est en tant que manifesté, car cette manifestation n'est l'entéléchie que d'une seule phase ; pendant que cette phase s'actualise, d'autres phases latentes et réelles, actuelles même en tant que potentiel énergétiquement présent, existent et l'être consiste en elles autant que dans sa phase par laquelle il atteint l'entéléchie. »

L'individu qui résulte de ces processus de polydéphasage n'est donc jamais un, ni jamais stable, mais il n'en dispose pas moins d'une unité fluctuante qui est une moyenne des fluctuations : « Il n'est un que par rapport à d'autres individus, selon un hic et nunc très superficiel. En fait l'individu est multiple en tant que polyphasé, multiple non comme s'il recelait en lui une pluralité d'individus secondaires plus localisés et plus momentanés, mais parce qu'il est extension de plusieurs phases à partir de l'unité. L'unité de l'individu est la phase centrale et moyenne de l'être, à partir de laquelle naissent et s'écartent les autres phases en une bipolarité unidimensionnelle. »

Étant donné ces conditions ontologiques, on comprend que l'individuation ne doive pas être vue comme si elle était le fruit du devenir d'un individu préexistant (qu'il soit singulier ou collectif), mais, au contraire, qu'il faille expliquer l'individu par l'individuation. C'est pourquoi, dès l'introduction de son livre, Simondon annonce son intention « de saisir l'ontogenèse dans tout le développement de sa réalité, et de connaître l'individu à travers l'individuation plutôt que l'individuation à partir de l'individu ». L'individu est toujours en devenir et ce devenir n'est pas celui d'une entité substantielle, une altération ou une succession d'états comparable à un simple développement sériel. Le devenir de l'individu est un déploiement qui s'effectue à partir du centre de l'être au présent : « Le devenir est résolution perpétuée et renouvelée, résolution incorporante, procédant par crises, et telle que son sens est en son centre, non à son origine ou en sa fin. »

Tout cela me semble tout à fait recevable et fournit quelques éléments de fondement ontologique à la théorie de l'individuation singulière et collective. Ce qui suit paraît, en revanche, plus problématique. Simondon propose, nous le voyons, une théorie de l'individuation qui insiste sur son aspect processuel, tout en suggérant que les processus qui la constituent ne sont pas totalement erratiques. Il propose même un début de conceptualisation de leur organisation sous la forme oxymorique de la « discontinuité de phases compatibles entre elles ». Mais cette représentation reste insuffisante et demeure, d'une manière subtile, encore liée à une pensée de type éléatique. Selon Simondon, l'individuation procède en effet par bonds ou par crises successives, par « une suite de résolutions incorporantes des états problématiques successifs » dans lesquels se trouvent les milieux ou les domaines où elle se produit, « une suite d'accès d'individuation avançant de métastabilité en métastabilité », l'être recevant alors, au lieu d'une seule forme donnée d'avance, « des informations successives qui sont autant de structures et de fonctions réciproques ».

Ainsi, bien qu'il prenne la peine de remotiver la notion de discontinuité par sa doctrine de la pluralité latente et de la compatibilité des phases de l'être – pluralité-unité qui vient diviser l'axe des discontinuités en un faisceau de trajectoires multiples dont les déroulements ne sont pas forcément synchrones mais restent liés, d'une certaine manière, les uns aux autres –, Simondon se représente malgré tout les rythmes de l'individuation comme de simples stops and goes, des alternances répétées entre des moments de stabilité structurale atteinte par un domaine, des moments de déphasage par augmentation des tensions internes de ce domaine, puis des moments de restructuration violente et rapide de celui-ci sous l'effet de l'introduction d'un « germe » capable d'y enclencher une « modulation transductive » qui le réaménage de proche en proche. Le flux de l'individuation reste organisé par des cycles, même si ces cycles peuvent être multiples et non-synchrones.

Cette description correspond au modèle physique de la cristallisation provoquée par l'introduction d'un germe dans une solution sursaturée de soufre à partir duquel la pensée de Simondon s'est construite ; elle correspond encore assez bien, semble-t-il, au modèle biologique de l'individuation des organismes vivants ; mais elle est loin de pouvoir rendre compte de la généralité des cas qui concerne le domaine psycho-social humain. Il n'y a guère que les sociétés archaïques, si l'on en croit les anthropologues, qui seraient susceptibles de répondre à ce modèle – encore ne le feraient-elles que sur le plan morphologique. Toutes les sociétés modernes, en revanche, en particulier les sociétés fluidifiées qui ont commencé à apparaître au XIXe siècle, ne répondent plus à ce type de description des rythmes de l'individuation. Leurs rythmes doivent être théorisés sur d'autres bases que des bases métriques ou cycliques.

Notons, pour finir, que ce retour du dualisme métrique et d'une compréhension trop étroite du concept d'organisation de l'individuation n'est probablement pas sans rapports avec une autre difficulté que soulève la théorie simondonienne. Simondon attribue, en effet, la capacité que possède l'être de se déphaser, au moins l'être des êtres vivants, à une notion très mystérieuse qu'il nomme le « préindividuel ». Selon lui, l'état préindividuel de l'être serait caractérisé par « l'existence de potentiels, qui [sont] la cause de l'incompatibilité et de la non-stabilité de cet état ». Ainsi, c'est cette réalité préindividuelle qui serait la source permanente des processus de déphasage entraînant l'individuation : « L'entrée dans le collectif doit être conçue comme une individuation supplémentaire, faisant appel à une charge de nature préindividuelle qui est portée par les êtres vivants. Rien ne permet en effet d'affirmer que toute la réalité des êtres vivants est incorporée à leur individualité constituée ; on peut considérer l'être comme formé de réalité individuée et de réalité préindividuelle : c'est la réalité préindividuelle qui peut être considérée comme réalité fondant la transindividualité. »

Pascal Michon

Gilbert Simondon – Les rythmes comme cycles de l'ontogenèse ?

Le rôle des discontinuités dans l'évolution

Dans son premier grand livre, Ontogeny and Phylogeny (1977), Gould étudie les mécanismes possibles de tels changements discontinus au niveau de l'ontogenèse, c'est-à-dire du développement de l'individu : les phénomènes d'hétérochronie (et notamment la néoténie, c'est-à-dire la rétention, à l'âge adulte, de caractéristiques infantiles ou fœtales) pourraient être une des clés pour comprendre les modalités du devenir phylogénétique : l'homme lui-même pourrait bien être un animal néoténique, dérivant d'un ancêtre du chimpanzé qui n'aurait pas atteint sa forme adulte.

Les rythmes biologiques

Robert Paris — 2010-04-14T06:15:00Z

"Les enzymes consommant de l'énergie (ATP) seraient activées à des valeurs élevées en charge d'adeylique, par l'ATP et inhibées par un excès d'ADP et AMP. (...) Ces oscillations métaboliques pourraient représenter une des horloges élémentaires de la cellule. Il apparaît que ces oscillations sont à leur tour "entraînées" par d'autres rythmes, plus lents caractérisant le domaine épigénétique de la cellule - biosynthèse des macro-molécules, leurs interactions - comme le suggère les travaux sur les amibes de Lloyd et Edwards. (...) Le couplage étroit des réactions rapides et lentes, médié par des cofacteurs et métabolites intermédiaires permet ainsi à la cellule d'ajuster ses oscillations métaboliques à la demande énergétique au lieu de suivre sa capacité maximale de génération d'énergie. (...) Certaines horloges peuvent être synchronisées, "entraînées" sur un rythme compatible avec la survie optimale de la cellule ou de l'oganisme, d'autres phénomènes suivent un rythme fortement dépendant de facteurs intrinsèques comme par exemple l'utilisation du glucose pour générer l'énergie indipensable à la vie ainsi que son action délétère sur les protéines de structure."

Ladislas Robert dans "Le temps et sa flèche"

Les réactions créatrices de rythmes, le film

Comme la matière, la vie c'est d'abord des rythmes. Ici, celui du cerveau.

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L'organisation collective des cellules

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....... DE l'UNIVERS AU SYSTEME NERVEUX ......

"Pratiquement toutes les manifestations biologiques suivent des rythmes.
Certains rapides, d'autres lents. mais pratiquement aucun phénomène biologique ne se déroule selon une cinétique continue et linéaire."

Ladislas Robert dans "Le temps en biologie", extrait de "Le temps et sa flèche"

La synchronisation des horloges du vivant fondée sur des boucles de rétroaction biochimiques

Dans leur ouvrage « Les rythmes du vivant », Boissin et Canguilhem écrivent : « un des grands problèmes commun aux animaux et aux végétaux est l'anticipation c'est-à-dire l'adaptation des êtres vivants à leur environnement par l'utilisation des horloges biologiques. » Comme je l'avais rappelé dans un exposé précédent, les rythmes du type circadien (de 24 heures) se sont en effet avérés capables d'adaptation, d'interaction tant avec le milieu qu'entre eux. Mais ce ne sont pas les seuls à fonctionner ainsi. Il en va de même d'autres rythmes, comme ceux de la respiration, celui des excrétions par exemple ou encore le rythme d'alternance de la procréation, de la vie et de la mort, au niveau de la cellule comme de l'individu. La durée moyenne de vie d'un individu au sein d'une espèce est souvent évoquée mais il convient aussi de noter qu'il y a également une durée de vie de l'espèce elle-même ou de la famille d'espèces. On trouve en effet des durées moyennes de vie pour les espèces comme pour les familles ou les genres. Par exemple, chez les reptiles la durée moyenne de vie d'une famille est de 55 millions d'années. Une famille de dinosaures dure 25 millions d'années. La famille à laquelle appartiennent les crocodiles actuels a déjà duré plus de cent millions d'années. Par contre, chez les dinosaures, un genre durait cinq ou six millions d'années. En moyenne trois ou quatre espèces de dinosaures composent un genre et six à douze genres, une famille. Tous ces rythmes ont des caractéristiques à chacun des niveaux : de l'individu, du groupe, de l'espèce et des branches supérieures, comme genre ou famille. Dans son ouvrage « Le ptérodactyle rose », Robert Bakker, spécialiste des dinosaures, a montré que ceux-ci devaient avoir le sang chaud et pour le démontrer, il a souligné le lien entre métabolisme (ou rythme énergétique), rythme de la croissance et rythme de l'évolution. Et notamment il a expliqué que l'équilibre dynamique entre prédateur et proie est dépendant du métabolisme du prédateur. En effet, ses besoins énergétiques vont dépendre de son rythme interne. Ils vont entraîner en conséquence un plus moins grand besoin de proies. Des besoins énergétiques trop importants peuvent même entraîner la disparition des proies. Une autre découverte rappelle le lien entre la rythmologie et l'évolution. Des chercheurs ont montré en 1998 que des animaux aussi éloignés dans le mécanisme de l'évolution que la souris et la mouche drosophile - deux animaux séparés en termes d'évolution par 600 millions d'années - ont en commun un mécanisme biologique qui fonde leur rythme circadien. Il s'agit là du même cycle de rétroaction qui produit les protéines. On montre ainsi que ce rythme est interne et hérité des origines. On savait déjà qu'il y avait une interaction entre rythme solaire et organes du corps, système oculaire, glande pinéale et noyau suprachiasmatique. En 1997, des chercheurs américains avaient montré que les mouches drosophiles ont d'innombrables horloges miniatures réparties sur l'ensemble du corps et pour lesquelles l'arrivée du jour représente une remise à zéro. Cela montre que ce rythme circadien endogène est lié au mécanisme génétique lui-même. D'autre part, des recherches de l'équipe Paolo Sassone-Corsi de l'Institut de génétique et de biologie moléculaire de Strasbourg publiées au début de l'année dans la revue « Nature » viennent de montrer que chacune des cellules du coeur et du rein du poisson-zèbre possèdent une horloge circadienne qui fonctionne indépendamment du rythme du corps. Cette horloge est liée à un gène et ce rythme se resynchronise brutalement par émission lumineuse reçue par les photorécepteurs de la membrane cellulaire et peut ainsi suivre l'alternance jour-nuit. On a trouvé chez la souris également un gène correspondant à un rythme circadien, ce qui laisse entendre que les horloges existent à tous les niveaux, que la vie n'est rien d'autre que la synchronisation de nombreux rythmes de réactions biochimiques. Comme le rythme circadien, les autres rythmes du vivant sont des rythmes endogènes, contrôlés par des oscillateurs internes, reliés à des synchroniseurs qui avancent ou retardent en permanence notre horloge physiologique. Ces rythmes sont en permanence en connexion avec des rythmes externes comme celui du jour et de la nuit. Arthur Winfree a souligné dans son ouvrage « Les horloges de la vie » combien la modélisation par le chaos ouvre de perspectives à la compréhension de ces rythmes et de leur capacité à se synchroniser et à se coordonner. Depuis bien longtemps, on a compris que le vivant porte en lui de nombreux rythmes mais il reste à découvrir comment ils fonctionnent, sur quoi ils sont fondés et comment ils évoluent. Ces rythmes sont-ils internes, ou déterminés par des facteurs extérieurs comme les saisons, les climats, etc ... ? L'horloge est-elle déterminée par une périodicité fixe transmise génétiquement ou, au contraire, est-elle le produit d'une dynamique évolutive ? Ces rythmes sont-ils individuels ou propres à l'espèce, particuliers à un groupe d'espèces ou communs aux diverses espèces vivantes ? Citons quelques exemples de rythmes biologiques. Des cigales ont des nymphes qui naissent à peu près en même temps tous les 17 ans, sans aucun contact entre elles et sans dépendre de facteurs externes comme le climat et les saisons. Une certaine espèce de bambou est encore plus étonnante puisqu'elle fleurit tous les 120 ans, avec ce même rythme aux quatre coins de la planète, malgré la diversité des climats. C'est donc bien que la floraison d'une espèce végétale est réglée par une horloge qui n'est pas imposée de l'extérieur par l'environnement, mais qui est interne et caractéristique de l'espèce. Cela suppose donc des réactions biochimiques capables de comptabiliser ... 120 ans. De même que la durée de vie d'un individu suppose une horloge biologique, celle d'une espèce, ou la floraison liée à celle-ci suppose également des horloges biologiques de l'espèce et pas seulement de l'individu. Un exemple de dynamique chaotique a été étudié : le rythme de l'activité locomotrice des crevettes bouquets. C'est un double rythme à la fois circadiatal (de 13 heures) proche de celui des marées et circadien, lié à la rotation de la terre. Suivant le type de crevettes, l'une des horloges domine le rythme résultant mais les deux coexistent. Dans aucun des deux cas, un rythme strictement périodique n'existe. Il est donc fondé en permanence sur des fluctuations aléatoires, mais il reste cependant globalement stable. Les propriétés de ces horloges fondées sur une agitation sous-jacente, leur capacité à s'adapter et à se synchroniser collectivement ont été démontrés par les travaux d'Arthur Winfree, Steven Strogatz et Ian Stewart. Ils ont montré qu'il y a un rythme collectif qui est globalement stable, fondé sur des rétroactions. Le phénomène d'interactions entre les fréquences des oscillateurs couplés est du même type que de nombreux phénomènes physiques, comme l'alignement collectif des molécules dans un liquide congelé. La perte de synchronisation qui a lieu continuellement dans ces rythmes est du même type que la perte d'alignement du magnétisme d'un aimant chauffé. En termes généraux, on appelle tous ces phénomènes des brisures de symétrie. Cela est synonyme de la formation d'un nouveau niveau de structuration ou de diminution du nombre de degrés de liberté, qui sont les paramètres de l'ordre global. Nous avons souvent affaire au même type de phénomène dans l'étude du vivant. Des ruptures de symétrie peuvent être observées aussi bien au moment de la diversification des cellules que de l'apparition du bourgeon qui initie le membre. Comment expliquer les différences de rythmes entre divers animaux ? Ainsi lorsque l'on étudie les primates, on remarque des différences de rythme cardiaque mais on remarque aussi que ce rythme est en moyenne inversement proportionnel à la durée de vie. Ainsi un animal, dont le coeur bat deux fois plus vite, vit en moyenne deux fois moins longtemps : cela signifie que les primates ont en gros le même nombre de battements dans une vie. Ce nombre est donc déterminé, non pour un individu ou pour l'espèce, mais pour tout le groupe des primates et cela alors que le mode de vie, les régions et les climats peuvent être très différents. Les individus ont une durée de vie déterminée en moyenne par l'espèce à laquelle ils appartiennent, mesurée également par une horloge : ces rythmes sont donc internes et non externes. Ce qui les détermine ce sont des cycles de transformation de produits biochimiques. On peut parler d'horloge puisque ces mécanismes biochimiques définissent un laps de temps. Une nouvelle science est même apparue, la chronobiologie. Cette science a montré qu'une action chimique n'a pas la même efficacité si elle se produit à différents moments, correspondant à des phases différentes du rythme de l'être vivant. Par exemple, le corps ne réagit pas de la même manière au même médicament selon l'heure à laquelle il est administré, si cela se produit durant des phases différentes du cycle vital. Les rythmes sont donc interactifs. Un cycle peut réagir sur un autre, entraînant des décalages de phase, ou des accélérations de la réaction car certains produits d'une réaction chimique sont des enzymes, c'est-à-dire des molécules activatrices. Pour ces horloges biologiques, le temps n'est pas une période définie une fois pour toutes. Il se construit à chaque fois comme produit d'une série enchevêtrée de réactions biochimiques interactives qui s'accélèrent ou s'inhibent entre elles. Ce n'est pas un tic-tac régulier et périodique, défini une fois pour toutes mais, au contraire, un temps biologique construit par expérience, interactif, évolutif, sensible aux conditions aussi bien intérieures qu'extérieures. Ainsi, le temps biologique sera changé pour des spéléologues qui n'ont plus aucun contact avec la surface et ne connaissent plus le rythme solaire. Cependant leur temps circadien est presque maintenu. Mais, par exemple, ce temps sera modifié si la température change car tous les mécanismes du métabolisme sont modifiés. C'est ce qu'ont montré les expériences sur la mouche drosophile : un changement brutal de température dépassant un seuil de stabilité dans la réaction de production de certaines protéines entraîne un changement radical du type de stabilité globale, c'est-à-dire la production d'une nouvelle espèce. Et surtout, cette évolution n'est pas seulement produite pour cet animal : elle est désormais héréditaire. Le changement brutal de température cause donc un effet de choc, appelé stress dans la biochimie moléculaire, entraînant la mise en place d'un nouvel équilibre. Le stress est un cycle biochimique qui interagit d'une part avec l'environnement et, d'autre part, avec le mécanisme d'inhibition des variations. C'est un argument important en faveur de la thèse du chaos déterministe qui est le seul type d'ordre que nous connaissions dans lequel un choc entraîne un nouvel équilibre.

Nous allons montrer que les réactions biochimiques qui fondent ces rythmes chaotiques sont des boucles de rétroaction ? Prigogine et Nicolis ont pensé à ce type de réactions pour fonder les rythmes du vivant parce que de telles boucles avaient été étudiées en chimie avec les réactions Bz, du nom de ses auteurs Bélouzov et Zhabotinsky et que l'on a pu prouver dans ce cas qu'il s'agissait de phénomènes chaotiques produisant des rythmes. Cette réaction Bz a pu être étudiée en représentant les courbes correspondant aux concentrations des divers produits La réaction Bz est une réaction d'oxydation de l'acide citrique par des ions bromates et catalysée par un couple oxydo-réducteur d'ions. Elle a une particularité importante : c'est d'être une rétroaction, c'est-à-dire que l'un des produits de la réaction réagit sur son point de départ et l'active. Comme toutes les réactions chimiques dites de réaction/diffusion (le terme diffusion décrit la manière dont elles se propagent), on peut la modéliser par des équations mathématiques chaotiques. Le graphique que l'on trouve est un attracteur étrange et on retrouve la sensibilité aux conditions initiales. Cette réaction amène ses divers produits à former des figures particulières, visibles dans ce cas car les produits chimiques n'ont pas la même coloration. La courbe temporelle indique les valeurs des concentrations de l'un des produits chimiques et l'on peut constater qu'il s'agit d'un apparent désordre. Par contre, les courbes, qui indiquent en même temps les valeurs des trois concentrations, donnent le type même d'un attracteur étrange du chaos, avec la caractéristique de la sensibilité aux conditions initiales, le caractère feuilleté et autosimilaire.

La réaction Bz a une grande importance en biochimie. Les spirales, les rayures et les divers motifs chimiques ressemblent à divers motifs de la biologie du vivant, par exemple le pelage d'un animal ou encore l'agrégation d'amibes ou de cellules. Comme l'écrivait Christian Vidal en 1995 dans son article « Le chaos déterministe en chimie » : « Lors de l'étude de cette réaction on s'est aperçu qu'une réaction chimique n'était susceptible d'osciller que si son mécanisme comporte une boucle de rétroaction. (...) L'effet renforce donc la cause qui lui donne naissance, c'est une auto-amplification Cette circonstance est rare, semble-t-il en chimie. Elle est beaucoup plus répandue dans le monde du vivant. (...) Les réactions biochimiques oscillantes sont peut-être la clé de la mystérieuse horloge interne qui réglerait les rythmes biologiques. On connaît depuis 1950, le caractère oscillant de certaines réactions du métabolisme. Parmi celles-ci la glycolyse est peut-être la plus importante (...) Elle constitue un mode essentiel et universel d'approvisionnement en énergie des cellules. Cette réaction oscille avec une période de l'ordre de la minute. (...) Il reste à comprendre comment les cellules d'un organisme parviendraient à coordonner leur activité pour former cette horloge biologique. » La vie a besoin d'un certain ordre lié à des valeurs comme la température, la pression artérielle, la concentration de certains produits chimiques. Ces paramètres doivent être contraints par un mécanisme de régulation à rester dans un intervalle limité. Le mécanisme qui assure cette régulation est l'homéostasie. Ce n'est pas un équilibre stable mais produit par une cascade de réactions interactives. Ces rythmes ne sont ni fixés d'avance ni immuables mais s'établissent par un processus d'interactions de réactions et, comme tels, sont adaptables. Ainsi, la forme géométrique que prennent des colonies de bactéries ressemble aux figures de givre ou à d'autres phénomènes de la physico-chimie hors du vivant et s'explique par les lois du chaos physique. Le processus a été mis en évidence en 1980 par Mitsugu Matsushita de l'Université de Tokyo. C'est en bordure de la colonie que les bactéries adaptées se développent. Le regroupement est favorisé parce que les bactéries se servent des mêmes molécules qu'elles se transmettent et qui sont des signaux chimiques. Les amibes constituent les mêmes figures également par organisation collective liée à la mise en commun des molécules signaux. Par exemple, pour une amibe, c'est l'cAMP (adénosine monophosphate cyclique) qui est la molécule chimique servant de signal. Dans son ouvrage « Les bases moléculaires du comportement périodique et chaotique », Goldbeter a démontré que le cAMP est un cycle chimique qui peut passer d'un comportement qu'on pourrait croire périodique à un comportement dans lequel une variation même minime d'un des degrés de liberté du système peut entraîner des modifications de comportement importantes, y compris au niveau macro-cellulaire. A la base de la vie, il y a une multiplicité de cascades de réactions chimiques qui sont liées les unes aux autres, en boucle. On trouve des cycles élémentaires comme le cycle de Krebs, la chaîne respiratoire ou le cycle de l'ATP. Est donc fondamentale dans le mécanisme du vivant une auto-organisation de réactions chimiques en chaîne avec retour au point de départ. La concentration des produits de réaction la régule de façon automatique. On a étudié deux autres rétroactions : en haut celle entre cytoplasme et noyau de la cellule et en bas celle qui synchronise le rythme circadien endogène avec les informations issues de l'œil.

Si je résume, il y a trois caractéristiques principales qui incitent à une interprétation en termes de chaos déterministe pour le fonctionnement l'évolution du vivant : la hiérarchisation avec interaction d'échelle la discontinuité la contingence couplée à une loi (interpénétration du déterminisme et du hasard).

Selon cette conception, la vie est perçue comme un phénomène global qui permet la formation de séries de boucles de rétroaction interactives, auto-organisées et hiérarchisées.