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6 - Origines des rythmes biologiquesDr Jean-Michel Crabbé
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Les rythmes biologiques s'expliquent très simplement par les mêmes mécanismes que l'on rencontre en mécanique ou en électronique : les cycles de relaxation et les cycles d'hystérésis sont des phénomènes universels.
Un cycle de relaxation se produit quand un système évolue entre deux limites qui marquent une rupture entre deux comportements différents : Quand mes poumons sont pleins d'air ils se vident et quand ils sont vides ils se remplissent. De nombreux systèmes physiques, chimiques et biologiques évoluent de cette façon.
Dans cet exemple très simple, un récipient asymétrique est alimenté par un débit d'eau constant :
Le débit régulier de l'eau devient périodique : Le cycle dépend du débit de l'eau et du volume du récipient.
En biologie, de nombreux systèmes macro et microscopiques alternent de la même façon entre une phase de remplissage et une phase de vidange, par exemple : la vessie, la vésicule biliaire et les poumons. Le même phénomène se produit dans une cellule quand une synthèse alterne avec une phase d'excrétion : de nombreuses synthèses sont pulsatiles et alternent entre des phases de synthèse et d'excrétion
Représentation générale d'un cycle de relaxation:
Un cycle d'hystérésis se produit quand un système est régulé par une contre-réaction décalée dans le temps. Par exemple un thermostat ou le balancier d'une pendule donnent des systèmes qui oscillent autour d'une valeur moyenne. De nombreux circuits biologiques (sécrétion/contre-régulation) fonctionnent exactement de la même façon.
L'amplitude et la période dépendent de l'inertie, de la force de rappel vers la position moyenne et du freinage (amortissement) du système.
En mécanique, le mouvement du balancier d'une horloge est un cycle d'hystérésis. Il oscille régulièrement autour d'une position moyenne. La masse donne une inertie (retard) au mouvement du balancier. Le poids, force de rappel vers la position verticale moyenne est une contre-réaction.
En électricité, le fonctionnement d'un thermostat donne de même une variation régulière de la température entre une limite basse et une limite haute.
En biologie, toutes les synthèses régulées par contre-réaction donnent des cycles d'hystérésis et deviennent périodiques : toutes les fonctions hormonales et toutes les activités biologiques qu'elles contrôlent sont cycliques.
En biologie cellulaire, toutes les synthèses régulées par leurs propres produits de synthèse donnent des cycles d'hystérésis et peuvent osciller.
Dans le système nerveux, de très nombreux "circuits en boucle" oscillent. Ainsi les électro-encéphalogrammes enregistrent toutes sortes de rythmes. Ces rythmes centraux entraînent aussi des rythmes périphériques.
Dans le cas du système endocrinien, l'hypothalamus et l'hypophyse pilotent toutes les glandes périphériques et ils sont sensibles aux taux des hormones circulantes. L'hypothalamus bloque les synthèses lorsque les taux hormonaux sont élevés et il active les synthèses hormonales quand les taux sont bas. Ces circuits biologiques sont réglés par contre-réaction (rétroaction ou feedback fig. 9) avec des retards :
Les synthèses ne sont pas instantanées et les décalages entre sécrétions et rétroactions expliquent l'apparition de cycles d'hystérésis : les taux des hormones périphériques oscillent autour d'un valeur moyenne avec des périodes qui dépendent des "constantes de temps" des systèmes.(fig 10).
Les synthèses hormonales sont naturellement périodiques et n'ont pas besoin d'horloge. Au cours d'un cycle, le taux hormonal moyen a la même signification que la position verticale du balancier de l'horloge : il ne s'agit en aucun cas d'une valeur optimale à respecter. La vie est dans les rythmes, pas dans les moyennes et les taux fixes.
Les circuits biologiques complexes combinent des rythmes de périodes et de mécanismes différents. Les rythmes rapides sont modulés par des variations lentes.
Ainsi la sécrétion du cortisol associe des rythmes de 24 h et de 90 mn qui peuvent correspondre aux différents étages des synthèses et des rétroactions qui régulent les taux de cortisol.
Si les variations de paramètres comme le calcium ou le sodium sont limitées, les variations des sécrétions hormonales sont considérables et souvent pulsatiles. Elles entraînent les fonctions périphériques qui passent par des périodes d'activité et de repos.
Et les valeurs moyennes dites normales d'autres paramètres varient aussi de façon très importante :
Les Dictionnaires de Constantes Biologiques édités pendant un siècle sont l'une des erreurs de la médecine moderne. Quand la médecine ne prend en compte que la valeur moyenne d'un paramètre biologique, elle oublie que ses variations régulières sont synonymes de vie:
Les paramètres biologiques sont des Variables Biologiques, cycliques.
Les chercheurs ont cherché (!) une "horloge biologique", petite structure dotée d'une période stable de 24 heures, capable de se synchroniser avec les rythmes extérieurs et de gouverner l'organisme tout entier... Chez les oiseaux, le noyau supra-chiasmatique (NSC) présente de telles propriétés. L'épiphyse (glande pinéale) est sensible à l'ensoleillement et aux durées relatives du jour et de la nuit. Elle secrète la mélatonine de nuit avec un maximum vers 2 à 3 h du matin. De jour, le taux de cette hormone est extrêmement faible. Elle règle les périodes de fécondité de nombreuses espèces animales et c'est l'hormone des animaux en hibernation, elle provoque une sensation de fatigue et de somnolence. Cette sécrétion rythmée, dépendante des alternances de lumière et d'obscurité, est capable d'entraîner d'autres rythmes hormonaux. Elle fait de l'épiphyse une sorte d'horloge réglée sur 24 heures.
En réalité les rythmes sont nombreux et indépendants. Il peuvent se dissocier les uns des autres, par exemple le rythme de la force musculaire de la main droite peut se dissocier de celui de la main gauche, le rythme du pouls peut se dissocier de celui de la température et du cortisol. "La stimulation de la surrénale par l'ACTH n'est possible qu'à certaines heures; 12 h plus tôt ou plus tard de ce maximum de susceptibilité, la surrénale est incapable de répondre. Et même isolé, la sensibilité du tissus de la surrénale à l'ACTH varie" (A. Reinberg). Chaque cellule a son rythme propre, et les synthèses s'y succèdent régulièrement avec une période générale de 24h. Au niveau macroscopique, microscopique ou molléculaire, les rythmes résultent des propriétés des systèmes biologiques, et non d'horloges localisées :
La recherche d'horloges biologiques est un faux problème. Chaque cellule isolée possède son propre rythme et il y a donc, selon le niveau de nos observations, un grand nombres de rythmes différents. Les systèmes biologiques sont naturellement variables et périodiques, c'est une propriété fondamentale de la matière vivante, observable partout.
Synchronisation : Chez l'homme les sécrétions hormonales périodiques (cortisol, mélatonine, adrénaline) sont influancées par les facteurs d'environnement (bruit, lumière, activité diurne) et synchronisent l'ensemble des rythmes de l'organisme. La sécrétion de mélatonine apparaît ici comme un facteur de synchronisation.
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