La physique pour mieux comprendre le...

11

L a p h y s i q u e p o u r m i e u x c o m p r e n d r e l e m o n d e

edp-08-08vivant 10/08/05 8:37

22


La physique a accompagné la biologieet la médecine tout au long de son histoire. Au naturaliste du XVIIe siècle elle a fourni les premiers microscopesoptiques, au médecin ses premiersinstruments, puis les rayons X, la radioactivité, la RMN, la microscopieélectronique, et toute une panoplied’outils de plus en plus puissants au cours des 20 dernières années(microscopie atomique, microscopielaser, pinces optiques, …). Fasciné parles questions de la vie, le physiciencontinuera probablement à offrir sesplus belles techniques à la biologie et à la médecine. Au-delà de cette contribution historique, un nombrecroissant de physiciens « s’invitent » en biologie, avec la conviction queleurs outils théoriques, et non plusseulement leurs instruments peuventaider à comprendre le vivant. Un dernier volet, historiquement plusrécent dans l’histoire des relationsentre la physique et les sciences duvivant, consiste pour les physiciens,

LA PHYSIQUE POURLA BIOLOGIE ET LA MÉDECINE

mais aussi pour les chimistes, à emprunter des matériaux ou desidées à la nature. Dans l’observation minutieuse des dispositifs physiquesélaborés à différentes échelles par la nature, le physicien rencontre unesource d’inspiration pour la conceptionde nouveaux matériaux, l’ingénieurpeut rêver de solutions futuristes pourla construction de machines de taillesmoléculaires, de machines pouvant sereproduire. La physique des moléculesréparant l’ADN ou celle des organessensoriel peut-elle inspirer la conception de robots moléculairedociles ou de capteurs intelligents ? La fabrication par la nature de fibresoptiques d’excellente qualité peut-ellesuggérer de nouveaux procédés de fabrication de ces objets si utiles dans notre vie quotidienne ? Cette plaquette illustre par quelques exemples les champs de connaissancede la biologie dans lesquels physicienset biologistes allient leurs efforts pour le bénéfice mutuel de leurs savoirs.

22

edp-08-08vivant 10/08/05 8:37


VOIR L’INVISIBLELes premiers pas de la microscopie ontété accomplis au XVIIe siècle entre autrespar les physiciens Robert Hooke etd’Anton Leeuwenhoek, dont les connais-sances encyclopédiques embrassaientalors l’optique, la géométrie, l’astronomie,la biologie et l’art du polissage du verre.Robert Hooke était responsable desséances d’expérimentation de la toutejeune Académie Royale des Sciences deLondres.En 1665 apparaît le premier microscope,conçu par Hooke (image 1). La lumièred’une chandelle est concentrée surl’échantillon à travers une sphère remplied’eau faisant office de lentille. Le micro-scope, dit composé, se distingue d’unesimple loupe car il est constitué de deuxlentilles fixées aux extrémités d’un tube :l’objectif et l’oculaire. Cette structure esttoujours celle des microscopes modernes.

33

1

2

Dessin d’une puce vue au microscopeet publié à Londres en 1665 par Hookedans son ouvrage Micrographia.

Ce livre est un précieux témoignagede la découverte du vivant micro-scopique. Peu après, Leeuwenhookpublie Dioptrique où apparaît pour lapremière fois la structure des muscles,des spermatozoïdes, et on lui attribuele premier usage du terme de cellule.

2

edp-08-08vivant 10/08/05 8:37

44


Microscope optique moderne,équipé d’une caméra et de deuxoculaires pour une vision directe(image 3). La chandelle a cédé saplace à une puissante lampe ou à unfaisceau laser. La résolution, àsavoir la distance en deçà de laquelledeux objets ne peuvent être distingués,est de l’ordre du micromètre. Cettelimite est directement liée à lalongueur d’onde de la lumière utilisée,qui varie de 0,4 à 0,7 micron du bleu aurouge de l’arc-en-ciel.

Voir une cellule est délicat en rai-son de leur transparence. Pourcontourner cette difficulté, Hookeutilise le fait que la vitesse de lalumière dépend du matériauqu’elle traverse, et ressort avec unretard variable suivant les objetsrencontrés dans la cellule. Par lejeu d’interférences, on produit uneimage de ce retard qui révèle lesstructures cellulaires, comme danscet exemple de cellules d’oignon.

3

4

edp-08-08vivant 10/08/05 8:37


55

Avec la découverte des propriétés ondulatoires de l’électron, notamment par DeBroglie en 1923, sont apparues la notion d’optique électronique et la possibilité defaire des images avec un faisceau d’électrons. La longueur d’onde associée étantplus courte que celle de la lumière visible, la résolution des images en est d’autantaméliorée, jusqu’à 0,2 à 0,5 nanomètre (1 nanomètre correspond à 1 millionième demillimètre).

Le génie génétique permet de produiredes cellules, voire des souris qui synthé-tisent des protéines fluorescentes dedifférentes couleurs. Il devient possiblepar exemple de « colorier » et d’imagerchez l’animal un organe ou une tumeurpour l’étudier.

La plupart des virus, échappentau microscope optique, maissont observables au microcopeélectronique. Le virus del’hépatite B apparaît sousl’aspect de filaments de22 nanomètres de diamètre, àl’interieur desquels se trouvecondensé l’ADN viral.

5

6

edp-08-08vivant 10/08/05 8:39

66


niques optiques, toujours en progrès,révèlent l’intimité cellulaire. On voitici sur l’image 7 plusieurs cellules,avec le noyau en bleu, le squelettepolymérique en vert et rouge pourdistinguer deux types de polymères.Une molécule fluorescente absorbeun photon, puis émet en retour unphoton de moindre énergie (image 8)La fluorescence permet avec unegrande sensibilité de révéler laprésence d’une molécule donnée enlui attachant une partie fluorescente.

BRIQUE ÉLÉMENTAIRE : LA CELLULELa théorie cellulaire, née au XIXe siècle,met la cellule au centre de la biologie,comme unité minimale du fonction-nement des organismes vivants. Étudiersa structure et son fonctionnement estobjet de la biologie cellulaire, maisconcerne la chimie, la physique desmatériaux, la mécanique, ou encoreles sciences de l’information. De nom-breux physiciens participent aujour-d’hui à cet effort, à l’aide des notionsthéoriques de la physique et de leursméthodes expérimentales. Les tech-

7 8

edp-08-08vivant 10/08/05 8:39

11

77


9

L’architecture de la cellule est assurée pourl’essentiel par des membranes lipidiqueset des protéines qui s’assemblent enpolymères formant ensuite des réseaux.La cellule renferme une grande variété demembranes comme le montre la coupeschématique de l’image 9. Les membranesb i o l o g i q u e s o n t d e s p r o p r i é t é smécaniques or iginales l iées auxfonctions qu’el les remplissent.Nos muscles par exemple sont faits defilaments d’actine, qui sont descordes moléculaires longues deplusieurs microns, et d’un diamètrevoisin de 10 nanomètres (image 10).Ces polymères sont mis en mouvementpar des moteurs moléculaires qui agissentcomme de petites machines capables deproduire des mouvements. La physiqueoffre de nouveaux outils pour étudier cesmoteurs à l’échelle de la molléculeindividuelle.Par exemple, l’image 11 représente undispositif appelé « pinces optiques »dans lequel deux faisceaux lasers sontfocalisés (en jaune) permettant de tenirun filament d’actine (en rouge) sur lequelse déplace le moteur moléculaire (envert). Ce dispositif permet de mesurer laforce exercée sur le filament par lemoteur impliqué dans la contractionmusculaire.

10

edp-08-08vivant 10/08/05 8:39

88


AU CŒUR DE LA CELLULE, LE NOYAUAu cœur de chacune de nos cellules,l’information génétique est principalementportée par l’ADN, molécule longue de plusde deux mètres condensée dans le noyau(image 14).Comment replier une telle molécule dansune sphère microscopique tout en gardantrapidement accessible l’informationqu’elle porte ? C’est l’une des nombreusesquestions que pose l’ADN (image 15).Carte d’identité de chaque être, moléculeporteuse d’espoirs pour la médecine,l’ADN a révélé sa structure en 1953 grâce àune collaboration entre physiciens etbiologistes. Cette molécule intéresse desscientifiques d’horizons très divers. Objetd’étude principal des généticiens, c’estun outil essentiel pour les biologistes, uncode à décrypter pour les mathématiciens,une molécule fascinante pour leschimistes, un polymère unique pour lesphysiciens, ou encore une pièce àconviction pour la police scientifique.L’ADN peut être vu comme uneséquence d’environ 3 milliards de lettresdont l’alphabet ne comporte que quatreéléments appelés bases : A, T, G, C. Maiscomment voit-on l’ADN ?La double hélice est formée de deuxbrins qui s’apparient si leurs séquencessont complémentaires. En fabriquantartificiellement de tels brins, on crée un« mécano » moléculaire aux possibilitésd’assemblage infiniment variées.

À l’échelle moléculaire, le défi relevé parles physiciens cristallographes au milieudu XXe siècle, a été de déchiffrer l’organi-sation spatiale des protéines, qui peuventcomporter plusieurs milliers d’atomes.Un cristal de protéine (i m a g e 1 2 ), estformé par l’empilement suivant un motifrépétitif d’un très grand nombre demolécules.La diffraction de rayons X par le cristalrévèle la position des atomes dans lamolécule. Le schéma de l’image 13montre une des protéines sur laquellerepose l’identité « immunologique »de chaque humain.

13

12

edp-08-08vivant 10/08/05 8:39


Ce mécano a la particularité de s’assemblertout seul si l’on en mélange les piècesdans une solution, à la façon d’uneréaction chimique.La fabrication de tels assemblagesouvre des horizons scientifiques trèsvariés en nanosciences : matériauxnouveaux, réseaux, circuits, machines, …Une image est souvent obtenue commela trace des interactions entre une ondeou une particule et les différentesrégions de l’objet observé. Au début des années 1980, les physiciensont proposé de créer des images à l’aided’une pointe qui vient « toucher » l’échan-tillon. Montée au bout d’un levier flexible(image 16), cette pointe, fine à l’échelledu nanomètre (image 17), permet derelever le relief d’objets posés sur unesurface avec une précision suffisante pourvoir les molécules individuelles. L’image 18montre une molécule d’ADN étalée surlaquelle se déplacent quelques moléculesd’un enzyme (points noirs). La résolutionest d’environ 10 nanomètres dans le plande la figure, avec une sensibilité au reliefmeilleure qu’un nanomètre.

15

99

Cellules épithéliales dont les noyauxsont colorés en bleu par unemolécule fluorescente s’intercalantentre les bases de l’ADN. Le diamètredu noyau est d’environ 5 microns.

14

Le repliement de l’ADN dans lenoyau, très compact, est réalisépar l’intermédiare de structuresorganisées hiérarchiquement :nucléosome, fibre de chromatine,boucle, chromosome. La physiqueaide actuel lement à mieuxcomprendre cette organisation,ses aspects mécaniques et lesconditions de son fonctionnement.

16

17 18

edp-08-08vivant 10/08/05 10:08

1100

Le diagnostic des anomalies génétiquesa beaucoup progressé récemment grâceà de nouveaux outils de visualisation.Par une combinaison de molécules fluores-centes reconnaissant les séquences appro-priées de l’ADN, on peut compter les chro-mosomes et évaluer leur intégrité (image 19),ou distinguer différentes régions d’un mêmechromosome (image 20). On peut égalementétirer l’ADN sur une surface par « peignagemoléculaire », technique inventée récem-ment par un groupe de physiciens. Cecis’applique, par exemple, à l’étude d’ungène de susceptibilité au cancer du sein,qui s’étale sur environ cent mille bases etrévèle ainsi en microscopie de fluores-cence ses différentes régions (image 21).

VIVANT OU MORT ? Nous savons aujourd’hui qu’il est capitalpour un organisme de faire mourircertaines de ses propres cellules àbon escient et en temps utile. Levivant est donc capable de contrôlersa propre frontière. Inversement, laquestion de l’origine de la vie apoussé de nombreux scientifiques àimaginer comment créer, à partir deconstituants élémentaires, des objetsvivants, capables de se reproduire etpouvant exécuter une fonction simple.Plus modestement, par quels mécanismesdes composants élémentaires capablesd’interactions mutuelles peuvent-i lsproduire spontanément des objetscomplexes de structure moléculaireet de forme contrôlées ? Une premièrepiste de travail est d’étudier lesanalogies entre les formes de la vie etcelles d’objets artificiels crées par lesphysico-chimistes.Le développement d’une colonie debactéries sur une surface nutritivedonne, suivant les conditions, unegrande variété de formes (image 22)dont certaines ressemblent aux figuresproduites par l’assemblage spontané à2 dimensions d’objets inertes tels quedes nanotubes de carbones (image 23).Une telle analogie se retrouve entre la formed’un poumon de mammifère (image 24)


2119 20

edp-08-08vivant 10/08/05 10:08

et celle obtenue par croissance desmêmes nanotubes à 3 dimensions(image 25).La forme des structures vivantes reflètesouvent les conditions de leur croissance etde leur renouvellement. La physique nousexplique ici comment la dynamique dutransport des « aliments » de cettecroissance conditionne la géométrieproduite. Les équations de transportaident à comprendre la morphogénèsedu vivant. On voit ici la forme d’uneinterface en croissance entre l’air et uncristal liquide de viscosité variable(image 26). L’analogie est forte avec laforme de certaines feuilles, ou lagéométrie de flocons de neige.


1111

22 23 24 25

26

PHYSIQUE DES MATÉRIAUX BIOLOGIQUESET MACHINES MOLÉCULAIRES

Les objets macroscopiques et lesmachines produites par l’homme sontfaits de pièces assemblées suivant unplan qui ne se déduit en général pas dela structure desdites pièces. Jamaismachine humaine ne s’est assembléeseule à partir de ses parties ! À l’inverse,les cellules fabriquent des objets complexes– noyau, cytosquelette – en synthétisantd’abord leurs composants moléculairesélémentaires. Bien que ces objetsrépondent à un plan de constructiona p p a r e m m e n t b i e n d é t e r m i n é ,l’assemblage des molécules se fait

edp-08-08vivant 10/08/05 10:08

1122

spontanément, par le jeu de propriétésde reconnaissance mutuelles inscritesdans leur structure chimique. Le vivants’auto-assemble.Étudier les matériaux biologiques estdonc doublement intéressant : pourmieux connaître la vie, mais aussipour apprendre comment, en imitant lanature, on peut espérer créer des objetsm o l é c u l a i r e s e t d e s m a c h i n e smicroscopiques dotées de propriétés


nouvelles, capables de se fabriquer« toutes seules » à partir d’une soupemoléculaire.Ainsi certains organismes marinsproduisent naturellement des fibresoptiques (en coupe transversale del’image 27) dont les performancesoptiques, adaptées aux fonctionsnécessaires à l ’organisme, sontsupérieures à celles produites parnos technologies.

27

edp-08-08vivant 10/08/05 10:08

Certaines bactéries fabriquent un aimantinterne (image 28), d’une longueurvoisine d’un micron, qu’elles utilisentpour s’orienter par rapport au champmagnétique terrestre.

Moteurs conducteurs électriques, aimants,fibres optiques, ces ingrédients denombreuses machines humaines existentnaturellement à l’échelle moléculaire,comme une invitation à comprendre et àimiter ces nouveaux matériaux.Fabriquer des fils moléculaires pourconduire l’électricité est désormaispossible, avec l’usage de l’ADN qui peutformer des réseaux et être renduconducteur par métallisation (image 29).


1133


28

29

Certains enzymes convertissent l’énergie chimique en force et en mouvement, àla façon des moteurs dont nous avons l’habitude. On voit schématiquement un telmoteur avancer sur un rail moléculaire par une déformation périodique de sastructure (image 30).

30

edp-08-08vivant 10/08/05 10:08

1144


MIEUX VOIR… POUR COMPRENDRE ET SOIGNERProlonger la perception humaine pourvoir et entendre des signaux inaccessiblesà nos sens est l’objet d’efforts considérablesen physique, dans des domaines tels quel’optique ou la spectroscopie, l’acoustiqueou la physique des particules. Lesretombées de cette recherche, parfois fruitsdu hasard, ont façonné l’histoire de lamédecine, et la physique contemporaine necesse d’offrir de nouveaux outils de visuali-sation et d’intervention, pour comprendrel’homme et mieux le soigner. Au-delà desméthodes existantes basées sur l’utilisa-tion des rayons X, des ultrasons, de la réso-nance magnétique, de la microscopie, lesinnovations concernent entre autres lathermographie, l’imagerie terahertz, lestomographies optiques, de nouvellesmodalités de résonance magnétique oud’acoustique, l’optique non-linéaire…Lors de ses travaux sur les processusd’ionisation, Röntgen observa l’existenced’un rayonnement inconnu capable detraverser la plupart des matériaux qu’ilavait à sa disposition, et d’impressionnerun film photographique. Ayant invité safemme à exposer sa main à ce rayon-nement, il obtint la première radiographie X(image 31). La nouvelle se répandit commeune trainée de poudre dans le mondeentier, et les applications médicalesfurent immédiatement envisagées bienavant qu’on comprenne la physique de cerayonnement.

Filmer la distribution de température ducorps aide à étudier et diagnostiquer despathologies infectieuses, cancéreuses, oucirculatoires. Grâce à une technologierécente de détecteurs semiconducteurs àpuits quantiques sensibles dansl’infrarouge, la température est mesuréeavec une précision de 0,1 °C, suffisantepour observer par exemple des varia-tions dans la main (image 32).L’image fournie par les rayons X est l’om-bre portée par les régions qui lesabsorbent, ce qui suppose une propagationlinéaire des rayons de l’objet à l’écran.Dans les tissus, la lumière visible ne sepropage pas ainsi car elle est absorbée, etsurtout déviée aléatoirement, au point deressortir dans toutes les directionspossibles. Cette lumière, en quelquesorte réfléchie, est toutefois modifiéepar les propriétés d’absorption rencon-trées le long de son chemin dans les tis-sus. En reconstituant une image decette lumière « réfléchie », on peut donccartographier l’absorption des tissus.Pour une lumière adaptée, l’absorptiondépend de l’oxygénation, qu’on peut ainsiimager par exemple dans le cerveau(images 33 & 34) en fonction du temps.

31 32

edp-08-08vivant 10/08/05 10:08

échographie optique, montrant lescouches cellulaires successives decellules photoréceptrices et nerveuses,sur environ 300 µm d’épaisseur.


On sait, depuis les travaux de Bloch etPurcell au début des années 1950, queles noyaux atomiques, placés dans unchamp magnétique intense, émettent desondes radio après avoir été stimulés. Cessignaux permettent d’établir une imagetridimensionelle des organes, sans leseffets ionisants des rayons X et sansrisque pour l’individu.L’outil d’Imagerie par Résonance Magnétique(IRM) (image 35) a bouleversé le diagnosticde nombreuses maladies. On visualisepar exemple les tumeurs cérébralesavant et après ablation (image 36).On peut également visualiser un fœtushumain de 12 semaines par échographieultrasonore (image 37).Comme les ultrasons, une lumièreenvoyée sur un tissu est renvoyée parréflexion sur les interfaces rencontrées.En mesurant le temps d’arrivée et l’inten-sité de cet écho optique, on en localise lasource. Ce principe est depuis peuappliqué en ophtalmologie. On peut voirsur l’image 38 une rétine humaine par

1155

33 34

35

37

38

36

edp-08-08vivant 10/08/05 10:08

Durée des transferts d’énergie au cours de la photosynthèse.

La coordination del’activité électriquedes canaux ioniques etla réponse des moteursmoléculaires conduit àla contraction synchro-nisée des musclescardiaques, avec unepériode de l’ordred’une seconde chezl’homme.

Le passage des ions à traversles membranes cellulaires hori-zontales est contrôlé par desportes moléculaires. Le transitd’un ion prend typiquement100 nanosecondes, tandis quela porte reste ouverte pendantenviron 300 microsecondes.

Transformation chimique primaireinduite par un photon dans la rétine.

Cette méduse transformel ’ é n e r g i e c h i m i q u e e nlumière, par des moléculesnaturellement fluorescentes,qui, dans l’état excité, émettentun photon au bout de quelquesnanosecondes.

Grâce à une vitessede propagation dessignaux électriquespouvant atteindre1 0 0 m è t r e s p a rseconde, les circuitsneuronaux peuventdifférencier des signauxséparés de quelquesmicrosecondes.

La lumière est captée dans l’œil parles cellules rétiniennes vues ici enmicroscopie électronique. L’absorption d’un photon provoqueen premier lieu la transformationchimique d’une petite molécule, lerétinal.

Durée du cycle d’un enzyme.

1166


LES TEMPS DE LA VIE

edp-08-08vivant 10/08/05 11:03

Mémoire neuronale à long terme.

Temps nécessaire pour lacroissance du squelettehumain, et son renouvelle-ment chez l’adulte.

Qu’il s’agisse de cellules bac-tériennes ou humaines, ladivision cellulaire s’effectueau plus vite en quelquesdizaines de minutes.

Le son est détecté dans notreo r e i l l e p a r u n c a p t e u rmécanique, la touffe cilliaire,capable d’osciller avec unepériode de 100 microsecondes.

Durée minimal nécessaire pourla synthèse d’une protéine àpartir de son gène.

Notre mémoire immunitairepersiste sous forme de cellulesspécialisées dont la durée devie varie de quelques années àtoute l’existence humaine.


1177

Le temps biologique est rythmé à toutes les échelles par une immense variété de processusmoléculaires. Le bon fonctionnement des organismes nécessite très souvent la collaborationentre un grand nombre de cellules dont il convient de synchroniser l’activité. Cette synchro-nisation est capitale au cours du développement des organismes ou pour le fonctionnementdu système nerveux. Inversement, il existe des dispositifs biologiques sélectivement sensiblesà certaines fréquences. Biologistes et physiciens collaborent activement à l’étude deshorloges biologiques.

edp-08-08vivant 10/08/05 11:03

1188


La physique pour la biologie et la médecine ........................ 2Voir l’invisible ................................................................... 3Brique élémentaire : la cellule .......................................... 6Au cœur de la cellule, le noyau......................................... 8Vivant ou mort ? ................................................................ 10Physique des matériaux biologiques et machines moléculaires ................................................. 11Mieux voir... pour comprendre et soigner ........................ 14Les temps de la vie ........................................................... 16

S O M M A I R E

edp-08-08vivant 10/08/05 11:03


edp-08-08vivant 10/08/05 11:03


L’année 2005 a été déclarée « Année mondiale de la physique » par l’UNESCOpour célébrer les sciences physiques dans le monde entier, exactement centans après la parution des travaux révolutionnaires d’Albert Einstein qui ont

ouvert la voie à de nombreux développements de la physique du vingtième siècle.Les transistors, les ordinateurs, les lasers ou l’imagerie médicale sont de pursproduits des dernières décennies de recherche fondamentale dans les laboratoiresde physique, là où s’élaborent aujourd’hui les matériaux et les technologies dedemain.Au-delà de la commémoration d’un grand personnage de la physique du vingtièmesiècle, l’objectif de cette action est aussi de faire connaître à un public le pluslarge possible les progrès, l’importance et les enjeux de ce grand domaine de lascience qu’est la physique. Aux physiciens de montrer qu’il est possible de s’instruireet de se faire plaisir en apprenant de la physique.Pour l’occasion, la Société Française de Physique a décidé de publier quatrebrochures dont les thèmes sont l’Univers, la Terre et son environnement, laphysique et le vivant, la lumière. Vous tenez l’une d’entre elle entre vos mains.Bonne lecture !

Cette brochure a été conçue sous la responsabilité de François Amblard, biophysicien à l'Institut Curie.Elle a été réalisée et éditée par EDP Sciences avec le soutien de la Société Française de Physique, duministère de l'Éducation Nationale, de l'Enseignement supérieur et de la Recherche, et du CentreNational de Documentation Pédagogique. Elle est aussi disponible au format PDF sur le site de la SFPhttp://sfp.in2p3.fr

edp-08-08vivant 10/08/05 11:03

La physique pour mieux comprendre le...

Documents

Transcript of La physique pour mieux comprendre le...