Horloges biologiques : Comment notre corps suit-il le passage du temps ?

En avril dernier, l’athlète espagnole Beatriz Flamini a émergé à la lumière après un séjour de 500 jours dans une grotte. Sa descente sous terre est probablement la plus longue jamais entreprise, et de loin.

Flamini affirme avoir perdu toute notion du temps au 65e jour. Mais peut-elle vraiment être sûre que c’était le 65e jour ?

À titre de comparaison, en 1962, le Français Michel Siffre est remonté à la surface du gouffre de Scarasson, en Italie, après y avoir passé ce qu’il croyait être 33 jours. En réalité, il a passé 58 jours sous terre.

Le tic-tac des horloges de la vie

Comment des êtres humains isolés peuvent-ils garder une notion régulière du temps, même s’ils sont déconnectés de leur environnement ?

Tout simplement parce que les rythmes biologiques sont au cœur de la vie, la régulant depuis le niveau moléculaire jusqu’à celui de l’organisme tout entier. Il s’agit non seulement des cycles veille/sommeil, mais aussi de la température corporelle, des hormones, du métabolisme et du système cardiovasculaire, pour n’en citer que quelques-uns.

Ces rythmes ont de nombreuses répercussions, notamment en termes de santé publique. En effet, un certain nombre de maladies sont épisodiques – par exemple, l’asthme est plus sévère la nuit, tandis que les accidents cardiovasculaires sont plus fréquents le matin.

Un autre exemple est le travail posté, qui déconnecte les gens de leur environnement. Il peut être associé à un risque accru de cancers chez les travailleurs, ce qui a incité l’OMS à le qualifier de cancérogène probable.

Les rythmes ont également un impact sur la manière dont nous interagissons avec d’autres espèces. Par exemple, la trypanosomiase africaine, également appelée maladie du sommeil, est un trouble de notre rythme quotidien causé par le parasite Trypanosoma brucei, dont le métabolisme est également quotidien, tout comme notre immunité.

Les gènes : les grands horlogers

Les rotations de la Terre, de la Lune et du Soleil génèrent des cycles environnementaux qui ont favorisé la sélection d’horloges biologiques.

Une horloge biologique est un mécanisme interne aux organismes qui, en l’absence de signal environnemental, fonctionne à sa propre fréquence. L’alternance régulière du jour et de la nuit a, par exemple, favorisé l’évolution de l’horloge circadienne (circa, qui signifie « environ », et diem, « jour »).

Le mécanisme de l’horloge circadienne a été découvert pour la première fois chez la mouche des fruits, également appelée drosophile, dans les années 1970.

Il est basé sur des boucles de rétroaction dans la transcription et la traduction de plusieurs gènes – le gène A favorise l’expression du gène B, qui à son tour inhibe l’expression du gène A – créant ainsi une oscillation.

Pendant la journée, la lumière induit la diminution de facteurs spécifiques de la boucle par l’intermédiaire d’un photorécepteur appelé cryptochrome. Il est intéressant de noter que les facteurs clés du mécanisme ne comprennent essentiellement que quelques gènes nommés period, timeless, clock et cycle.

Cependant, le réglage fin et la régulation de l’horloge reposent sur un réseau moléculaire et neuronal complexe qui assure sa synchronisation et sa précision.

Il n’existe pas d’horloge circadienne unique et globale qui organiserait l’ensemble de la vie, car les gènes de l’horloge varient d’une espèce à l’autre. Mais le principe reste le même : des gènes dont l’expression oscille.

Des rythmes biologiques ont été décrits dans tous les taxons (groupes d’organismes) étudiés jusqu’à présent, à savoir les cyanobactéries (un type de bactéries qui obtiennent de l’énergie par photosynthèse), les champignons, les plantes et les animaux, y compris l’homme.

Par ailleurs, différents donneurs de temps (zeitgebers) synchronisent l’organisme avec son environnement : la lumière (la plus étudiée à ce jour), la température et la nourriture, notamment.

Une horloge interne synchronisée par l’environnement

Une implication très concrète de cette horloge circadienne concerne le décalage horaire. Il s’agit de la déviation du rythme interne d’un individu par rapport à l’heure du fuseau horaire dans lequel il se trouve.

Les signaux environnementaux en général, et la lumière en particulier, permettent de resynchroniser l’individu : la lumière perçue en fin de nuit avance l’horloge, tandis que la lumière perçue en début de nuit la retarde.

La lumière perçue pendant la journée n’a pas d’effet. Chez l’homme, la lumière n’est pas perçue directement par l’horloge moléculaire, mais elle est captée dans la rétine et transmise par la voie rétino-hypothalamique à une horloge centrale, où elle module la synthèse des protéines de l’horloge.

Le système n’est cependant pas extensible à l’infini : il faut environ une journée au corps humain pour s’adapter à un décalage horaire d’une heure.

La période circadienne intrinsèque de l’Homo sapiens s’étendant en moyenne sur 24,2 heures, il est plus facile pour nous de voyager vers l’ouest et d’allonger nos journées que de voyager vers l’est et de les raccourcir.

C’est aussi la raison pour laquelle les athlètes et les chercheurs qui s’isolent dans les profondeurs de la Terre finissent par être désynchronisés par rapport au temps de la surface et perçoivent finalement moins de jours que les jours solaires de 24 heures.

Autres temps, autres horloges

L’horloge circadienne n’est pas le seul mécanisme d’horloge existant dans la nature. De nombreux processus biologiques sont saisonniers, comme la migration d’une multitude d’oiseaux et d’insectes, la reproduction et l’hibernation de nombreuses espèces animales et la floraison des plantes.

Cette saisonnalité est généralement dictée par plusieurs facteurs, notamment par ce que l’on appelle une horloge circannuelle chez de nombreuses espèces. Le mécanisme de cette horloge n’a pas encore été déterminé.

Les mécanismes de l’horloge des espèces marines sont également inconnus, notamment en raison de la structure temporelle complexe des océans.

Les organismes marins sont exposés au cycle solaire d’alternance jour/nuit, qui se superpose à une série de cycles lunaires, dont le plus important est le cycle des marées (avec une période de 12,4 heures ou de 24,8 heures).

Les cycles semi-lunaires et lunaires (14,8 jours/29,5 jours), liés aux phases de la lune, modulent également fortement le milieu marin, via la lumière et les marées. Les saisons influencent également ces écosystèmes.

Bien que complexe, la structure temporelle des milieux marins est prévisible et des rythmes biologiques liés à tous ces cycles ont été décrits chez les espèces marines.

Par exemple, de nombreux coraux synchronisent leur reproduction, pondant des œufs une fois par an sur une période très courte. Certains vers marins essaiment précisément une fois par mois, aux heures les plus sombres de la nuit, pour entamer leur danse reproductive avant de frayer et de mourir.

Il est intéressant de noter qu’en 2020, une équipe de scientifiques a révélé que les rythmes biologiques ne se limitent pas à l’environnement côtier. En effet, ils ont démontré des rythmes de comportement et d’expression génétique à une profondeur de 1.700 mètres chez une moule vivant dans les cheminées hydrothermales de la dorsale médio-atlantique.

Leurs travaux soulignent que la coordination temporelle de la physiologie est probablement essentielle, même dans les environnements de vie les plus extrêmes tels que l’océan profond.

 

yogaesoteric
7 octobre 2023