Dans ce cours, ainsi que dans le précédent et le suivant, j’aborde des domaines de la biologie où je suis vraiment faible : l’origine de la vie, la diversité de la vie, et la taxonomie/la systématique. Ce sont également des domaines où il y a eu beaucoup de changements récemment (souvent pas encore intégrés dans les manuels), et il est peu probable que je sois à jour, alors aidez-moi à mettre ces cours à niveau….. Ce billet a été initialement écrit en 2006 et réaffiché à quelques reprises, notamment en 2010.
Comme vous le savez peut-être, j’enseigne le cours BIO101 (et aussi le laboratoire BIO102) à des étudiants non traditionnels dans le cadre d’un programme d’éducation des adultes depuis environ douze ans maintenant. De temps en temps, je muse à ce sujet publiquement sur le blog (voir ceci, ceci, ceci, ceci, ceci, ceci et ceci pour quelques courts articles sur divers aspects de ce programme – de l’utilisation de vidéos, à l’utilisation d’un blog de classe, à l’importance de l’Open Access pour que les étudiants puissent lire la littérature primaire). La qualité des étudiants de ce programme n’a cessé de s’améliorer au fil des ans, mais je suis toujours soumis à de fortes contraintes de temps : J’ai huit réunions de 4 heures avec les étudiants sur huit semaines. Au cours de cette période, je dois leur enseigner toute la biologie dont ils ont besoin pour leur spécialisation non scientifique, tout en laissant suffisamment de temps à chaque étudiant pour faire une présentation (sur la science de sa plante ou de son animal préféré) et pour deux examens. Je dois donc réduire les cours à leur plus simple expression, en espérant que cette expression corresponde à ce que les étudiants non scientifiques ont vraiment besoin de savoir : des concepts plutôt que des faits, des relations avec le reste de leur vie plutôt qu’avec les autres sciences. Ainsi, j’accompagne mes cours de vidéos et de discussions en classe, et leurs devoirs consistent à trouver des vidéos ou des articles de biologie intéressants et à poster les liens sur le blog de la classe pour que tout le monde puisse les voir. À quelques reprises, j’ai utilisé le paludisme comme fil conducteur pour relier tous les sujets, de la biologie cellulaire à l’écologie en passant par la physiologie et l’évolution. Je pense que cela a bien fonctionné, mais c’est difficile à faire. Ils écrivent également un travail final sur un aspect de la physiologie.
Une autre nouveauté est que l’administration a réalisé que la plupart des professeurs sont dans l’école depuis de nombreuses années. Nous sommes expérimentés, et apparemment nous savons ce que nous faisons. Ainsi, ils nous ont récemment donné beaucoup plus de liberté pour concevoir notre propre syllabus au lieu de suivre un syllabus prédéfini, tant que les objectifs finaux de la classe restent les mêmes. Je ne sais pas exactement quand j’enseignerai à nouveau les cours de BIO101 (à la fin de l’automne, au printemps ?) mais je veux commencer à repenser mon cours très tôt. Je crains également que, puisque je ne fais pas de recherche active dans le laboratoire et que je ne suis donc pas la littérature d’aussi près, certaines des choses que j’enseigne soient maintenant dépassées. Non pas que quelqu’un puisse suivre toutes les avancées dans tous les domaines de la Biologie qui est si énorme, mais au moins les grandes mises à jour qui affectent l’enseignement des cours d’introduction sont des choses que je dois savoir.
Je dois rattraper mon retard et mettre à jour mes notes de cours. Et quel meilleur moyen que le crowdsourcing ! Ainsi, au cours des prochaines semaines, je vais réafficher mes anciennes notes de cours (notez que ce ne sont que des intros – les discussions et les vidéos, etc. les suivent en classe) et je vous demanderai de me vérifier les faits. Si j’ai fait une erreur ou si quelque chose n’est pas à jour, faites-le moi savoir (mais ne vous contentez pas d’avancer votre propre hypothèse préférée si une question n’est pas encore résolue – donnez-moi plutôt l’explication complète de la controverse). Si quelque chose manque de manière flagrante, faites-le moi savoir. Si quelque chose peut être dit dans un langage plus agréable, modifiez mes phrases. Si vous connaissez des images, des articles, des billets de blog, des vidéos, des podcasts, des visualisations, des animations, des jeux, etc. qui pourraient être utilisés pour expliquer ces concepts de base, faites-le moi savoir. Et à la fin, une fois que nous aurons fait cela avec toutes les conférences, discutons du syllabus global – y a-t-il une meilleure façon d’organiser tout ce matériel pour une classe au rythme si rapide.
L’anatomie est la sous-discipline de la biologie qui étudie la structure du corps. Elle décrit (et étiquette en latin) la morphologie du corps : forme, taille, couleur et position des différentes parties du corps, avec une attention particulière aux organes internes, tels que visibles à l’œil nu. L’histologie est un sous-ensemble de l’anatomie qui décrit ce qui ne peut être vu qu’au microscope : comment les cellules sont organisées en tissus et les tissus en organes. L’embryologie (classique) décrit la façon dont les tissus et les organes changent de forme, de taille, de couleur et de position au cours du développement.
L’anatomie fournit la carte et les outils pour l’étude de la fonction des organes du corps. Elle décrit (mais n’explique pas) la structure du corps. La physiologie décrit en outre le fonctionnement du corps, tandis que la biologie de l’évolution fournit l’explication de la structure et de la fonction.
Bien que les détails de l’anatomie humaine soient essentiels dans la formation des médecins et des infirmières (et l’anatomie animale pour les vétérinaires), nous n’avons pas le temps, ni besoin de prêter trop d’attention aux fins détails anatomiques. Nous reprendrons l’anatomie pertinente lorsque nous aborderons la fonction des organes : la physiologie.
Il existe traditionnellement deux façons d’étudier (et d’enseigner) la physiologie. La première approche est médicale/ biochimique. Le corps est subdivisé en systèmes d’organes (par exemple, respiratoire, digestif, circulatoire, etc.) et chaque système est étudié séparément, en commençant par la physiologie de l’organisme entier et en descendant progressivement au niveau des organes, des tissus, des cellules et des molécules, pour finir par la biochimie de la fonction physiologique. Seul le corps humain est étudié. Souvent, les pathologies et les troubles sont utilisés pour illustrer le fonctionnement des organes – de même que réparer un moteur de voiture en remplaçant une pièce cassée permet de comprendre comment le moteur fonctionne normalement, l’étude des maladies permet de comprendre le fonctionnement du corps humain sain.
L’autre approche est écologique/énergétique. Les fonctions physiologiques sont divisées non pas par système organique, mais par le problème – imposé par l’environnement – que le corps doit résoudre pour survivre et se reproduire, par exemple, le problème de la thermorégulation (température du corps), de l’osmorégulation (équilibre sel/eau), de la locomotion (mouvement), de la réponse au stress, etc…, chaque problème utilisant plusieurs systèmes organiques. Un aspect important de cette approche est l’étude de la façon dont le corps utilise l’énergie : la solution est-elle énergétiquement optimale ? Les individus qui ont résolu un problème avec un mécanisme physiologique plus efficace sur le plan énergétique seront favorisés par la sélection naturelle – cette approche est donc également profondément ancrée dans un contexte évolutif. Enfin, cette approche est très comparative – l’étude des animaux qui vivent dans des environnements particulièrement inhabituels ou difficiles nous aide à comprendre l’origine et l’évolution des mécanismes physiologiques à la fois chez les humains et chez d’autres animaux.
Le manuel est exceptionnellement bon (pour un manuel d’introduction à la biologie) en essayant de combler et de combiner les deux approches. Malheureusement, nous n’avons pas assez de temps pour couvrir tous les systèmes et tous les problèmes en détail, donc nous nous en tiendrons à la première approche, médicale, et couvrirons seulement quelques-uns des systèmes du corps humain, mais je vous encourage vivement à lire les chapitres pertinents du manuel afin de comprendre également les aspects écologiques et évolutifs de la physiologie (sans parler de certains exemples vraiment cool de résolution de problèmes par les corps animaux). Astuce : utilisez les questions « Self Test » à la fin de chaque chapitre et si vous y répondez correctement, vous êtes prêt pour l’examen.
Débutons en examinant quelques principes de base importants qui se rapportent à toute la physiologie. Un de ces principes est celui de l’échelonnement, pour lequel vous devriez lire le document que nous discuterons en classe la prochaine fois. Le deuxième principe important en physiologie est le phénomène des boucles de rétroaction : les boucles de rétroaction négatives et positives.
La boucle de rétroaction négative fonctionne d’une manière très similaire au graphique que nous avons dessiné lorsque nous avons discuté du comportement. Le corps a un capteur qui surveille l’état du corps – l’environnement interne (par opposition à l’environnement externe dont nous avons parlé lorsque nous avons discuté du comportement), par exemple,. les niveaux sanguins d’oxygène et de dioxyde de carbone, la pression sanguine, la tension dans les muscles, etc. Si quelque chose dans l’environnement interne change par rapport aux valeurs normales et optimales, le capteur informe l’intégrateur (généralement le système nerveux) qui déclenche une action (via un effecteur) pour ramener le corps à son état normal.
Ainsi, un événement A entraîne une réponse B qui conduit à contrer et à éliminer l’événement A. Presque toutes les fonctions du corps fonctionnent comme une boucle de rétroaction négative. Par exemple, si une hormone est sécrétée, en même temps que l’effet fonctionnel de cette hormone, il y aura également un déclenchement d’une boucle de rétroaction négative qui arrêtera la poursuite de la sécrétion de cette hormone.
Il y a très peu de fonctions dans le corps qui suivent un modèle différent – la boucle de rétroaction positive. Là, un événement A entraîne une réponse B qui entraîne la ré-initiation et l’intensification de l’événement A qui entraîne une réponse B plus forte…et ainsi de suite, jusqu’à ce qu’un seuil soit atteint ou que l’objectif final soit accompli, lorsque tout revient brusquement à la normale.
Nous examinerons un exemple de boucle de rétroaction positive qui se produit dans le système nerveux la semaine prochaine. Pour l’instant, énumérons d’autres boucles de rétroaction positive notables chez les humains.
Premièrement, le mécanisme de coagulation du sang est une cascade de réactions biochimiques qui fonctionne selon ce principe. Une blessure stimule la production d’une molécule qui déclenche la production d’une autre molécule qui déclenche la production d’une autre molécule ainsi que la production d’une plus grande quantité de la première molécule, et ainsi de suite, jusqu’à ce que la blessure soit complètement fermée.
L’accouchement est un autre exemple de boucle de rétroaction positive. Lorsque le bébé est prêt à sortir (et rien ne l’arrête à ce stade !), il libère une hormone qui déclenche la première contraction de l’utérus. La contraction de l’utérus pousse un peu le bébé vers l’extérieur. Ce mouvement du bébé étire la paroi de l’utérus. La paroi de l’utérus contient des récepteurs d’étirement qui envoient des signaux au cerveau. En réponse à ce signal, le cerveau (en fait la partie postérieure de l’hypophyse, qui est une excroissance du cerveau) libère l’hormone ocytocine. L’ocytocine passe dans le sang et atteint l’utérus, déclenchant la prochaine contraction qui, à son tour, déplace le bébé qui étire encore plus la paroi de l’utérus, ce qui entraîne une plus grande libération d’ocytocine… et ainsi de suite, jusqu’à l’expulsion du bébé, lorsque tout revient à la normale.
Le prochain exemple de la boucle de rétroaction positive est également lié aux bébés – l’allaitement. Lorsque le nourrisson a faim, la mère approche sa bouche du mamelon du sein. Lorsque le bébé s’accroche au mamelon et essaie de téter, cela stimule les récepteurs du mamelon qui informent le cerveau. Le cerveau libère l’hormone ocytocine de la glande pituitaire postérieure. L’ocytocine passe dans la circulation sanguine et stimule la glande mammaire pour qu’elle libère du lait (il ne s’agit pas de synthétiser du lait – il est déjà stocké dans les seins). La libération de lait au niveau du mamelon stimule le bébé à commencer à téter vigoureusement, ce qui stimule encore plus les récepteurs du mamelon, donc il y a encore plus d’ocytocine libérée par l’hypophyse et encore plus de lait est libéré par la glande mammaire, et ainsi de suite, jusqu’à ce que le bébé soit rassasié et se détache du sein, où tout revient à la normale.
Le prochain exemple de la boucle de rétroaction positive est également lié aux bébés, mais neuf mois plus tôt. La copulation – oui, avoir des rapports sexuels – est un exemple de boucle de rétroaction positive, à la fois chez les femelles et chez les mâles. La stimulation initiale des organes génitaux stimule les récepteurs tactiles qui informent le cerveau qui, à son tour, stimule la poursuite (et l’accélération progressive) du mouvement, qui fournit une autre stimulation tactile, et ainsi de suite, jusqu’à l’orgasme, après quoi tout revient à la normale (malgré la rémanence).
Ce dernier exemple s’applique également aux régions basses du corps. La miction (l’urination) est également une boucle de rétroaction positive. La paroi de la vessie urinaire est construite de telle manière qu’il y a plusieurs couches de cellules. À mesure que la vessie se remplit, la paroi s’étire et ces cellules se déplacent jusqu’à ce que la paroi ne soit plus épaisse que d’une seule cellule. À ce stade, la miction est inévitable (elle ne peut être arrêtée par un contrôle volontaire). Le début de la miction déclenche le mouvement de retour des cellules de l’état monocouche à l’état multicouche. Cela contracte davantage la vessie, ce qui force l’urine à sortir encore plus, ce qui contracte encore plus la paroi de la vessie, et ainsi de suite jusqu’à ce que la vessie soit à nouveau complètement vide et que tout rentre dans l’ordre.
Le concept de boucles de rétroaction est essentiel pour la compréhension du principe d’homéostasie. Les mécanismes homéostatiques garantissent que l’environnement interne reste constant et que tous les paramètres sont maintenus à leur niveau optimal (par exemple, la température, le pH, l’équilibre sel/eau, etc. Si un changement de l’environnement (par exemple, l’exposition à la chaleur ou au froid) entraîne une modification de la température interne du corps, celle-ci est détectée par les thermorécepteurs du corps. Cela déclenche des mécanismes correcteurs : si le corps est surchauffé, les capillaires de la peau se dilatent et dégagent de la chaleur, et les glandes sudoripares libèrent de la sueur ; si le corps est trop froid, les capillaires de la peau se contractent, les muscles commencent à frissonner, les poils se dressent (chair de poule) et les hormones thyroïdiennes sont libérées, ce qui entraîne l’ouverture des pores des membranes des mitochondries dans les muscles, réduisant ainsi l’efficacité de la décomposition du glucose en eau et en dioxyde de carbone, et produisant donc un excès de chaleur. D’une manière ou d’une autre, la température corporelle sera ramenée à son niveau optimal (environ 37 degrés Celsius), que l’on appelle le point de consigne de la température corporelle. Chaque aspect de l’environnement interne a son propre point de consigne qui est défendu par des mécanismes homéostatiques.
Bien qu’essentiellement correct, il y a un problème avec le concept d’homéostasie. L’un des problèmes avec le terme « homéostasie » est linguistique : le terme même d’homéostasie est trompeur. « Homeo » signifie « semblable, identique » et « stasis » signifie « stabilité ». Ainsi, le mot homéostasie (inventé par Walter Cannon au début du 20e siècle) suggère une constance forte et absolue. Imaginez que l’on vous demande de dessiner une représentation graphique du concept d’homéostasie en 10 secondes. Sans temps de réflexion suffisant, vous dessineriez probablement quelque chose comme ceci :
La principale caractéristique de ce graphique est que le point de consigne est constant dans le temps. Mais ce n’est pas ainsi que cela fonctionne dans le monde réel. Le graphique ci-dessus n’est correct que si l’échelle de temps (sur l’axe des X) ne s’étend que de quelques secondes à quelques minutes. S’il est étendu aux heures, aux jours ou aux années, le graphique serait erroné – la ligne ne serait plus droite et horizontale. Le point de consigne évolue de manière prévisible et bien contrôlée. Par exemple, le point de consigne du taux de testostérone dans le sang des hommes au cours d’une vie peut ressembler à ceci :
Ce serait un exemple de contrôle du développement d’un point de consigne. À chaque moment, ce point de consigne est défendu par des mécanismes homéostatiques, mais la valeur du point de consigne est elle-même contrôlée par d’autres processus physiologiques. Un autre exemple de changement contrôlé d’un point de consigne peut ressembler à ceci:
Ce serait un exemple de contrôle oscillatoire d’un point de consigne. Au début des années 1980, Nicholas Mrosovsky a inventé un nouveau terme pour remplacer « homéostasie » et désigner spécifiquement les changements contrôlés des points de consigne de toutes les valeurs biochimiques, physiologiques et comportementales – la rhéostasie.
Presque tous les aspects de la physiologie (et du comportement) présentent une rhéostasie, à la fois développementale et oscillatoire (rythmes quotidiens et/ou annuels). Quelques exceptions notables sont le pH sanguin (qui doit être maintenu dans une fourchette très étroite de 7,35-7,45) et les niveaux sanguins de Calcium. Si le pH ou le taux de Calcium s’éloignent trop de la valeur optimale, les cellules du corps (plus particulièrement les cellules nerveuses, les muscles et les cellules cardiaques) ne peuvent plus fonctionner correctement et le corps est en danger de mort immédiate.
Lectures supplémentaires:
« La médecine a besoin de l’évolution » par Nesse, Stearns et Omenn
Anciens dans cette série:
BIO101 – Biologie et méthode scientifique
BIO101 – Structure cellulaire
BIO101 – Synthèse des protéines : Transcription et traduction
BIO101 – Interactions cellule-cellule
BIO101 – D’une cellule à deux : division cellulaire et réplication de l’ADN
BIO101 – De deux cellules à plusieurs : Différenciation cellulaire et développement embryonnaire
BIO101 – Des gènes aux caractères : Comment le génotype affecte le phénotype
BIO101 – Des gènes aux espèces : Une introduction à l’évolution
BIO101 – Ce que font les créatures : Le comportement des animaux
BIO101 – Les organismes dans le temps et l’espace : Écologie
BIO101 – Origine de la diversité biologique
BIO101 – Évolution de la diversité biologique
BIO101 – Diversité biologique actuelle
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