Qui a inventé l’horloge?

Ce n’étaient pas les Suisses – mais la nature!

par Heini Hofmann

La Suisse ne s’identifie pas avec le chocolat, le fromage et les machines; elle est avant tout le pays des horloges, le berceau de la mesure du temps. La Maîtrise des horlogers de Genève, fondée en 1601, fut probablement la première corporation horlogère du monde. Pourtant ce ne furent pas les Suisses qui ont inventé l’horloge, mais la nature!

Les appareils à mesurer le temps existaient bien avant l’horloge électronique et mécanique. Cela est vrai, il y eut le cadran solaire avec son ombre itinérante, l’horloge hydraulique et le sablier ainsi que l’horloge à huile et à bougie. Mais avant que les hommes soient concernés avec la mesure du temps, c’est la nature qui disposait, depuis longtemps, de l’horloge biologique, l’horloge intérieure comme on la nommait, un chef-d’œuvre sophistiqué devant lequel tout chronomètre s’éclipse.

L’horloge des fleurs, l’horloge des oiseaux

Au fur et à mesure que l’humanité se civilisait, elle éprouvait le besoin de disposer d’un schéma de la répartition du temps, bien précieux mais passager, et de le mesurer. La question banale «Quelle heure est-il?» devenait omniprésente. Mais comment y répondre lorsque toute horloge fait défaut? Tout simplement, en écoutant les oiseaux et en observant les fleurs! Aussi le fameux naturaliste suédois Carl de Linné,fondateur du système biologique, développa-t-il en 1751 déjà une horloge florale basée sur l’ouverture et la fermeture des pétales de différentes fleurs, réputée assez précise. 

Encore plus détaillée, une horloge à oiseaux du XIXe siècle tente de construire une échelle de mesure du temps. En voilà donc quelques échantillons: 1.00 à 1.30 chant du pinson des arbres; 2.00 à 2.30 chant de la fauvette à tête noire; 2.30 à 3.00 la caille, 3.00 à 3.30 la fauvette passerinette; 3.30 à 4.00 le merle; 4.00 à 4.30 le loriot; 4.30 à 5.00 la mésange boréale; 5.00 à 5.30 le moineau. Quiconque se lève tôt en ami de la nature, le sait pourtant de ses propres expériences: ce chronomètre biologique n’est pas à prendre trop au sérieux puisque les oiseaux, il est vrai, chantent pendant des étapes fixes, mais s’interposant les uns sur les autres.

Horloge intérieure biologique

Dans le domaine de la civilisation actuelle, pratiquement tout le monde porte une montre à son bras, de même on trouve des montres partout, dans les appareils électroniques, dans les voitures, sur les clochers des églises, dans les bâtiments publics et dans les maisons privées. Mais sommes-nous conscients que les horloges font aussi leur tic-tac dans notre corps, et ce par millions? Notre vie entière est chronométrée, et tous les êtres vivants, qu’ils soient humains ou protozoaires, sont guidés dans leur rythme quotidien par des horloges internes biologiques.

Ces stimulateurs moléculaires contrôlent – en fonction de la rotation de la terre – une grande partie des fonctions biologiques dans une période d’environ 24 heures, ce qui correspond à environ une journée. C’est à ce phénomène que le terme de rythme circadien fut créé, composé des mots latins «circa» (approximativement) et «dies» (jour); mécanisme qui est contrôlé par la perception de la lumière via des récepteurs qui n’ont pas encore fait l’objet de recherches concluantes, la science s’occupant de ces processus s’appelle la chronobiologie.

Cette horloge interne fonctionne comme un circuit oscillant qui régule le rythme quotidien. Il nous aide à nous endormir ou à nous réveiller, par exemple, mais peut aussi nous irriter lorsque nous voyageons vers d’autres fuseaux horaires en raison du décalage horaire désagréable. Ou bien elle nous rend confus dans les installations souterraines sans lumière du jour, c’est pourquoi des cadrans de 24 heures furent installés dans les forteresses militaires et les bunkers de commandement. Ignorer le biorythme peut même entraîner des maladies chroniques chez les travailleurs postés ou la perte de concentration, comme en témoigne l’accumulation des incidents industriels aux premières heures du matin.

Le sens du temps inné

Le fonctionnement d’une horloge interne est démontré par des recherches utilisant l’exemple des oiseaux migrateurs, qui ne dépendent pas du temps mais des variantes saisonnières de la longueur de journée. Lorsque les jours raccourcissent en automne, ils commencent à se préparer pour le vol à longue distance en accumulant des réserves de graisse (comme nourriture pour le voyage) après avoir déjà renouvelé leurs plumes pendant la mue d’été – comparable au grand service rendu à la voiture avant les vacances. Comme réserve de carburant, ils s’acquièrent un bon coussin de graisse, souvent jusqu’au dédoublement de leur propre poids. 

Même leur métabolisme est modifié pendant la période de migration de telle sorte que les oiseaux, lors de vols de longue distance, peuvent puiser jusqu’à 95 % de l’énergie de fonctionnement nécessaire dans la graisse corporelle. Ce n’est pas seulement la physiologie mais également le comportement qui est inversé par l’horloge interne. Avant la migration, beaucoup d’oiseaux, autrement purement diurnes, deviennent soudainement nocturnes. Même les oiseaux migrateurs captifs montrent cette agitation nocturne avec des sauts et des battements d’ailes, ces activités étant orientées vers la direction innée de la migration et plus prononcées chez les voyageurs de longue distance que chez les oiseaux migratoires à distance réduite. Cela indique un sens hérité de la direction et de la distance.

Pas d’horloges de gare

Lorsque, à la fin des années 1950, des horloges biologiques furent découvertes chez les mouches et les humains, on supposait qu’une telle minuterie ne pouvait être localisée que dans le cerveau. Cependant, une fois ces rythmes circadiens détectés également chez les bactéries, les champignons et les plantes ne disposant pas de mécanismes de contrôle centraux, il est apparu clairement que les cellules corporelles disposent également de leurs propres horloges biologiques.

Alors qu’auparavant le contrôle des biorythmes était uniquement attribué au cerveau, des recherches plus récentes ont montré que les tissus des organes et les cellules individuelles possèdent également des horloges de nature autre que de simples oscillateurs, mais des bio-indicateurs autonomes fonctionnant indépendamment d’un point de commutation central, c’est-à-dire qu’ils fonctionnent indépendamment d’une horloge maîtresse comme les horloges de gare. Et pourtant, il semble y avoir un lien dans le fait que les horloges décentralisées des vertébrés travaillent ensemble avec la glande pinéale du cerveau qui contrôle le rythme quotidien en sécrétant l’hormone du sommeil, la mélatonine. 

Gène de l’horloge géniale 

Des recherches intenses furent menées pour trouver le récepteur de lumière responsable de l’horloge biologique animale. Une fois établi que les deux types de récepteurs rétiniens, c’est-à-dire les cônes et les bâtonnets, n’étaient pas indispensable à l’horloge biologique, l’intérêt du fonctionnement des photorécepteurs s’est concentré sur le groupe de substances lumineuses communes aux animaux et aux plantes qui sont appelées des cytochromes, en fonction de leurs mécanismes non décryptés encore. On suppose que ces capteurs de lumière circadiens envoient des impulsions au cerveau qui émet ensuite des substances messagères dans la circulation sanguinaire, synchronisant ainsi les milliards d’horloges du corps avec la rotation de la terre.

Comme le poisson-zèbre est l’un des modèles les mieux étudiés de la génétique des vertébrés, l’activité du gène dit de l’horloge, qui est en grande partie responsable du fonctionnement de l’horloge circadienne dans le règne animal, fut soutenu dans des études d’envergure. L’activité de ce gène horloge est déterminée par la mesure de la concentration de l’ARN messager, c’est-à-dire le schéma du gène qui contrôle, par l’intermédiaire de ses copies, les usines à protéines. On en est arrivé au constat que l’activité d’horloge fluctuait au cours de la journée, non seulement dans le cerveau, mais également dans d’autres organes. Cela suggère à son tour que les horloges décentralisées ne sont pas simplement les cadrans externes d’une horloge centrale.

L’horloge du destin

Outre l’horloge circadienne, qui contrôle les processus périodiques de la vie, il y a aussi l’horloge de vie, plus lente mais d’autant plus implacable, déterminant quand les premières moustaches poussent ou quand la poitrine féminine commence à se développer, quand la croissance du corps s’arrête, quand la peau vieillit et les cheveux grisonnent. Ce chronomètre du destin, qui mesure individuellement la durée de vie et dont le fonctionnement reste un mystère, est comme un sablier se vidant continuellement, mouvement qu’aucun mortel ne peut retourner et qui un jour – s’immobilise.

Une tentative d’adaptation de l’horloge à fleurs de Linné

 

 

Prix Nobel 2017 de chronobiologie

HH. Le fait que le domaine de la chronobiologie ait été récompensé par le prix Nobel de médecine en 2017 montre à quel point la recherche sur l’horloge biologique est d’actualité: Les scientifiques Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash et Michael W. Young, tous trois américains, l’ont reçu pour leurs «découvertes des mécanismes moléculaires contrôlant le rythme circadien».

Ils ont prouvé ce que les chercheurs précédents avaient déjà soupçonné lors d’expériences sur des mouches à vinaigre mutantes, à savoir que l’horloge interne est génétiquement ancrée. Ils ont réussi à isoler le gène (appelé période) soupçonné d’être responsable et à caractériser d’autres gènes et protéines impliqués.

En plus, ils ont pu montrer comment ces éléments moléculaires contrôlent l’horloge biologique étant également responsables de l’émission d’hormones qui – par un mécanisme de rétroaction rythmique – nous font démarrer, le matin, au réveil (cortisol) et nous endorment le soir au coucher (mélatonine), en régulant également la température corporelle ainsi que la pression sanguine.

 

Chronomètre d’amour

HH. Un ensemble régulant important est «l’horloge d’amour»; elle permet aux animaux de se rendre compte du moment de se reproduire. Mais tous ne ressentent pas le «printemps» au même moment, comme le montre l’exemple des crustacés indigènes qui remettent les journées chaudes à la saison plus fraîche. Tandis que le rut du cerf tombe en octobre, celui du chamois traîne jusqu’en novembre, le sanglier attendant même le mois de décembre. Les cerfs, en revanche, s’accouplent au milieu de l’été, laissant ensuite les œufs fécondés se reposer pendant près de six mois avant de s’implanter dans l’utérus et de commencer ainsi la croissance embryonnaire. 

Mais comment faut-il s’imaginer, en effet, le tic-tac de cette «horloge de l’amour» – par exemple chez les cerfs? La longueur accrue des jours du début de l’été stimule l’hypophyse déclenchant ainsi la production d’hormones sexuelles. Les oies déterminent la date réelle du rut en émettant des phéromones (hormones odorantes) pendant la période précédant le rut, stimulant ainsi les mâles. Ils ne sont pourtant prêts à s’accoupler que pendant quelques heures.

Comme pour la migration des oiseaux, la météorologie ne joue guère un rôle important en période de rut. Indirectement si – car les chevreuils peuvent prolonger un peu leur période de mise bas dans des conditions climatiques défavorables, ce qui explique pourquoi elle peut fluctuer, dans la même population, d’une année à l’autre. Un tel décalage temporel est également transféré à la prochaine ovulation et au début du prochain rut. Le moment de l’accouplement ne dépend donc pas du temps, mais de la date de la dernière mise bas.

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