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Mécanismes biologiques inféodés aux lois de la physique

Pourquoi les aspects de physique sont tellement prégnants dans la biologie ?

Les 3 plans de coupes du bois : Imagerie 3D par microtomographie à rayons X (synchrotron ESRF) de l'anatomie du bois de chêne (résolution 0.7 µm). © Inra, BADEL Eric
Mis à jour le 26/01/2018
Publié le 29/01/2018

L’environnement impose ses contraintes au développement des êtres vivants, mais les organismes vivants peuvent moduler de leur côté leur environnement local, voire plus largement.

Au départ de l’apparition de la vie sur terre, l’environnement physique est posé, il est là. On ne peut pas faire sans, et il impose ses lois aux organismes vivants. L’environnement avec ses paramètres physiques (pression, gravité terrestre, air, eau, vent, température, lumière, etc) a donc eu une influence implicite dès le départ sur l’évolution des êtres vivants.

A l’inverse,les organismes vivants ont pu et peuvent modeler aussi leur environnement physique (composition de l’air, modification du substrat Sol, microclimat…). Par ailleurs le développement d’un organisme biologique induit des forces physiques qui vont elles-mêmes moduler des processus biologiques.  Développement biologique et contraintes physiques sont étroitement liés entre eux.

Un système biologique est avant tout un système physico chimique. Il subit des contraintes physiques externes comme tout objet mais aussi internes. Ce qui est intéressant, c’est de se rendre compte de la capacité des systèmes biologiques pour percevoir les informations physiques pour moduler  leur propre forme et leur développement, autant au niveau moléculaire, à l’échelle de la cellule ou de l’organisme entier. Quand on élimine ces mécanismes de perception de forces physiques, on modifie les réponses biologiques de l’organisme : ceci prouve leur lien direct avec les processus biologiques.

 

Le colloque « Mechanobiology and Physics of Life »qui se tient à Clermont-Ferrand le 30 janvier est une animation scientifique pour faire se rencontrer les scientifiques de la région Auvergne-Rhône-Alpes sur ces aspects d’interactions entre physique et biologie.

Il recouvre les domaines de l’animal, du végétal et de la santé. La thématique plante est très présente, mais aussi la thématique cancer (pôle CLARA), la biologie animale et humaine. On y parlera de caractérisation physique de produits animaux par exemple, ou encore de l’influence des contraintes mécaniques locales sur un tissu, qui modifient les organisations et développement cellulaires, cruciaux dans le développement des cancers.

Quels sont les mécanismes de signalisation mis en place de façon sous-jacente ? Quels sont les capteurs sensitifs en jeu ?

Des exemples chez les plantes :

Les plantes croissent dans un environnement qui impose ses lois physiques, comme la gravité, la lumière, la disponibilité en eau. Il s’agit donc d’un environnement contraignant et éventuellement fluctuant. Par exemple, dans le cas du vent et des déformations mécaniques qu’il induit, des mécanismes moléculaires sont mis en action. Au niveau  cellulaire, ces contraintes physiques que sont les déformations sont perçues et peuvent déclencher une cascade d’informations et de réponses biologiques dans la plante. L’ensemble des processus de transport d’information et de transduction de signaux mécaniques n’est pas encore élucidé mais on soupçonne fortement  que des canaux mécanosensibles au niveau de la membrane fassent le lien entre le signal mécanique et les réponses biologiques qui s’ensuivent.

Voir l’article sur le rôle de la protéine DEK1 (un premier canal mécanosensible et transducteur découvert ?)

Dans une récente étude, on a pu montrer par modélisation que l'action conjointe du vent et de la lumière peut ainsi expliquer comment la forme des arbres a émergé, au cours de l'évolution. Voir l’article 

De façon purement physique, des phénomènes peuvent engendrer des réponses physiques sur de grandes distances : par exemple quand une branche est courbée, cela génère une surpression hydraulique qui se propage à travers le système vasculaire de la plante et qui peut ainsi atteindre des zones en croissance comme les apex de tiges.

Voir l’article sur une nouvelle forme de communication chez les plantes

Nul doute que les prochaines années seront riches en découvertes nouvelles dans ce domaine, qui avance à pas de géant. C’est aussi l’intérêt des interactions initiées et favorisées par le colloque, entre les chercheurs des différents Instituts ou Universités de la région Auvergne-Rhône-Alpes, afin de dynamiser encore cette thématique de recherche innovante.

Voir les infos sur le colloque