Légende: Simulation de la formation de la vasculature du sac vitellin de l’embryon de poulet, les ovales noirs représentents chématiquement l’embryon. Les vaisseaux visibles ici (en noir) sont en fait des vaisseaux plus gros obtenus en élargissant les plus fins (non visibles) dans les directions où l'écoulement est plus fort.
Des progrès récents permettent de rendre les vaisseaux encore plus réalistes comme ci-dessous (Thi-Hanh Nguyen, Thèse de doctorat, en cours).
Finalement, ce mécanisme de formation est assez proche de la formation des rigoles dans le sable, à marée basse, sur les plages, qui donne des "vaisseaux" comme ceux de la figure suivante :
Légende: Image de rigoles dans le sable, sur la plage de Jullouville à côté de Granville (Manche).
Le mécanisme par lequel les canaux de cette plage prennent la forme qu’on leur voit est le suivant. L’arborescence de canaux s’accroît dans les directions où arrive le plus d’eau. L’eau, du côté lisse et plat de la plage est uniformément répartie, c’est un film liquide recouvrant du sable. Au niveau des petits canaux, l’eau n’arrive pas uniformément, il y a plus ou moins d’eau à chaque extrémité, et les canaux qui reçoivent le plus d’eau seront les premiers à s’agrandir. Mais comment savoir quels canaux reçoivent le plus d’eau? Pour le savoir, il faut résoudre l'équationd e conservation du fluide à toutes les intersectins ou "noeuds" du lacis de mini-rivières, et cette équation ets simplement l'équation de laplace (DELTA P=0) où P est la pression, dans une vision très simplifiée du problème.
Cependant on comprend sans calcul, au moins grossièrement, pourquoi cet écoulement tend à favoriser l’émergence de petits canaux, et de plus en plus : si un petit canal s’avance un peu dans la plage, il capte davantage d’eau que les canaux restés en arrière. Comme il capte davantage d’eau, l’écoulement y devient plus intense, et il a encore plus de raison d’avancer, ainsi, peu à peu, mles canaux vont chercher l'eau plus lon vers l'avant, sur la plage, et c'est pour cette même raison que les veines et artères drainent des régions éloignées du corps, comme les extrémités des doigts. L'effet de progression vers l'avant est un effet "boule de neige", sauf que cet effet peut se produire en principe partout, en même temps; seule la connaissance exacte de toute la carte d’écoulement permet de dire où la "boule de neige" (le vaisseau qui grandit) va effectivement rouler, et où pas. Ce mécanisme est très répandu. Dans le cas des cristallisations de silicium, ce sont les atomes de silicium qui "ruissellent". Dans le cas d'une dendrite de cuivre, c'est le courant électrique qui s'auto-organise pour produire ces espèces de fougères métalliques. Dans cette image, on comprend que le système est essentiellement physique, et qu'il y a assez peu de biologie derrière, finalement.
Ayant étudié ce cas bi-dimensionnel, nous pouvons essayer de passer au cas tri-dimensionnel, qui est en fait le plus courant. Les tissus strictement 2D n'existent pas. Même des peaux très fines comme la rétine ou le sac vitellin, ou la peau de l'oreille, sont 3D à l'échelle des vaisseaux. Ici le "mystère" de la formation des arbres vasculaires tient à ce que tous les vaisseaux des deux types (artères et veines) se croisent dans tous les sens dans un désordre apparent, mais se connectent pourtant très naturellement par les capillaires. Voici le type d’arborescence qu’il s’agit de comprendre :
Légende: Image de vaisseaux sanguins à 3D, moulage de l'intérieur des vaisseaux obtenu par P. Simoens, docteur de l'Université de Gand
Comment une telle structure peut-elle se former? On sent qu'on s'éloigne soudain de la physique, et qu'il doit y avoir quelque chose de proprement biologique à cet enchevêtrement. On peut montrer qu'il est possible de construire très naturellement un enchevêtrement de ce type en invoquant deux processus de croissance de vaisseaux comme décrit ci-dessus, imbriqués l’un dans l’autre à travers le même lacis capillaire tri-dimensionnel, à condition de tenir compte d’un effet connu en biologie, nouveau pour nous : la régression capillaire. Il est connu, en effet, qu’au fur et à mesure que les vaisseaux principaux se forment, ils se détachent, sur leurs côtés, des capillaires, ne restant connectés à ces derniers que par les extrémités. Les capillaires eux-mêmes finissent même par disparaître tout à fait (ils "fondent", pour ainsi dire). En tenant compte de cette particularité, on peut construire des arbres "entrelacés" qui possèdent cette structure imbriquée, apparemment désordonnée, mais qui permet la connection des artères et des veines par leurs extrémités, qui drainent les parties plus éloignées du tissu.
On fait d’abord croître un arbre "artériel", qui se déconnecte des capillaires; cet arbre est obtenu en agrandissant progressivement les tuyaux dans les directions de fort écoulement (comme pour le sable sur la plage). Puis, on fait croître un arbre "veineux" qui croît dans les capillaires non occupés par les artères. Veines et artères se croisent ainsi "sans se voir". Elles sont néanmoins connectées par leurs extrémités, et l’on peut montrer que, statistiquement, les veines tendent à rechercher les extrémités des artères, ce qui "apparie" naturellement les veines et les artères (cet effet est observé dans la nature).
En outre le mécanisme proposé permet d’expliquer la phylogénie (l’évolution) de cette vasculature. Le raisonnement est le suivant : dans des temps anciens, les tissus étaient simplement irrigués par un lacis de capillaires, où les gros vaisseaux étaient absents. C'est toujours le cas dans des régions de petite taille du corps, ou bien pour certains animaux très petits. Peu à peu, la sensibilité aux forces des cellules des vaisseaux s'est mise en place, provoquant ainsi la possibilité d'élargissement des vaisseaux, et donc la possibilité de drainer plus facilement des régions éloignées, ce qui, dans le même temps, a permis l'accroissement de la taille des animaux.
Légende: Vasculature d’artères et de veines enchevêtrées obtenue par le modèle de croissance dendritique entrelacée. Les artères et les veines communiquent par les capillaires (non représentés), qui relient leurs extrémités. Les flèches indiquent le sens de l’écoulement veineux et artériel (qui peut d’ailleurs être calculé exactement dans la "tuyauterie").
Cet exemple illustre les principaux concepts de physique contemporaine, tels qu'ils s'appliquent à la biologie.
Tout d'abord, il est impossible de comprendre la formation d'une structure, sans refaire "tout le film" de la morphogenèse, ce "film" seul permet de comprendre ce qui s'est réellement passé, et par quel chemin on aboutit au résultat final. En fait, lorsqu'on regarde la formation de la vasculature d'un embryon, il n'y a aucun moment où l'on puisse dire "la vasculature est achevée".
Le second point est que les gènes ont un rôle profond, qui est de contrôler la réaction des cellules aux forces physiques, mais on peut se passer du détail de la chimie pour comprendre l'émergence des formes. Les processus de formation ont une grande part "d'auto-organisation", que l'ordinateur permet de modéliser.
Dans cet ordre d'idée, il faut remarquer que les formes sont statistiquement reproductibles, et que le bruit joue un role important. Cependant, l'auto-organisation est suffisamment forte pour contrecarrer les effets du bruit, voir les "lisser" complètement.
L'exemple des rigoles dans le sable montre que des mécanismes simples de morphogénèse s'appliquent à des systèmes variés, en une sorte "d'universalité" des patrons. Cette universalité a deux sens. Le premier, le plus facile à comprendre, est que certains mécanismes simples, donnant des formes complexes, sont à l'œuvre partout, c'est le sens le plus usuel du mot "universalité". Le second sens, plus ardu a comprendre, est que, au fur et à mesure qu'un système comme un système arborescent croît, il tend à se rapprocher d'une forme idéale qui est indépendante du détail de la physique ou de la biologie du système. C'est aussi pour cela que le détail biologique fin est parfois sans importance.
Ce type de physique aboutit souvent à des formes fractales, comme l'arborescence (réelle) ci-dessous :
On remarquera que ces photographies de cristaux (oui, il s'agit bien de cristaux) constituent en fait un ZOOM dans une structure aborisée et non un montage de plusieurs endroits voisins. On peut s'amuser à chercher l'ordre des agrandissement.
Applications possibles
Il n'y a pas de doute que la science de la morphogenèse est appelée à un grand avenir, et qu'on comprendra bientôt la fomation de tous les morceaux des êtres vivants : cerveau, poumons, doigts etc., avec toutes les applications qu'on peut imaginer, depuis l'aide aux grands prématurés, jusqu'à refaire des doigts à des personnes amputées ou nées avec des malformations. Tout ceci n'est pas de la science-fiction : au cas par cas de telles possibilités existent déjà (la dernière phalange de l'homme repousse après amputation, des chercheurs ont refait un poumon à un jeune chien, etc.).
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