Comprendre les différents stades du développement embryonnaire et en particulier ceux qui précèdent et suivent la fécondation permet d’appréhender la complexité de cette étape de la reproduction humaine et d’aborder les domaines de recherche qui s’y rattachent. Les scientifiques qui travaillent depuis très longtemps sur ces questions ont acquis des connaissances fondamentales sans lesquelles certaines avancées récentes, en particulier dans la prise en charge de certaines formes de stérilité, n’auraient pu aboutir.
Pour des futurs parents, la première image visible de l’embryon est bien souvent celle qui apparaît sur l’écran lors d’une échographie au cours du premier trimestre de la grossesse. Dès la fin de la troisième semaine de grossesse, un embryon d’une longueur de deux millimètres environ peut être visible avec une activité cardiaque. Il devra encore subir de nombreuses transformations avant la naissance d’un bébé, mais les évènements qui ont eu lieu avant et au décours de la fécondation sont tout aussi fondamentaux.
Bien avant la fécondation proprement dite et immédiatement après, plusieurs évènements doivent se succéder : la fabrication des gamètes,Spermatozoïdes et ovocytes
En premier lieu, il faut que les gamètes ou cellules reproductrices, appelées spermatozoïdes et ovocytes dans l’espèce humaine, soient présents.
Chez l’homme, la fabrication des spermatozoïdes débute dans les testicules à l’adolescence et se poursuit en principe toute la vie. Cette « production » ou spermatogénèse se déroule dans les tubes séminifères des testicules à partir de cellules souches ou spermatogonies. Elle se produit dans la paroi des tubes durant 74 jours avant que les spermatozoïdes soient libérés dans le centre de ces tubes séminifères. A ce stade, ils contiennent leur matériel génétique adéquat, soit 23 chromosomes, mais ils ne possèdent pas encore toute leur mobilité ni tout leur pouvoir fécondant. Ce n’est que lors de leur cheminement dans l’épididyme, où ils sont stockés entre deux éjaculations, qu’ils vont acquérir leur pleine maturité. Les spermatozoïdes ne constituent qu’une petite partie du volume d’un éjaculat (2,5 ml en moyenne) : la part la plus importante est constituée du plasma séminal provenant des vésicules séminales et du liquide séminal secrété par la prostate.
Chez la femme, la maturation des gamètes ou ovocytes, se produit dans les ovaires à partir d’un stock constitué au cours de la vie intra-utérine. Leur nombre maximum, de l’ordre de 7 millions est atteint au 3ème trimestre de la grossesse. A partir de ce stade, cette population d’ovocytes diminue progressivement : à la puberté, il n’en reste que 400 000 et quelques milliers seulement juste avant la ménopause. Dans les ovaires, les ovocytes sont entourés de cellules folliculaires qui se transforment également. L’ensemble forme un follicule. De la puberté à la ménopause, au cours de chaque cycle ovulatoire, un follicule mature se rompt et libère un ovocyte qui contient encore 46 chromosomes. La moitié sera expulsée lors du contact avec un spermatozoïde, rendant possible la fécondation. Ce follicule dominant a débuté son ultime développement 85 jours avant l’ovulation, accompagné au départ de nombreux autres follicules, l’ensemble formant une cohorte. Seul le follicule dominant atteint la maturité. Les autres stoppent leur croissance à différents stades.
Long is the road : le cheminement des gamètes
Si le rapport sexuel a lieu durant une période de fertilité, les 200 à 300 millions de spermatozoïdes qui sont déposés au fond du vagin après l’éjaculation rencontrent un milieu favorable. Les plus mobiles d’entre eux vont pouvoir remonter dans le canal cervical de l’utérus grâce à la glaire qui leur assure survie et capacité de migration. Les quelques centaines de spermatozoïdes qui cheminent dans la trompe ont acquis, après la traversée de la cavité utérine, leur pouvoir fécondant : c’est la capacitation. Ils sont attirés vers une portion dilatée de la trompe, l’ampoule, où se situe l’ovocyte entouré d’un amas cellulaire : le cumulus.
L’extrémité de la trompe est en effet pourvue de franges destinées à capter l’ovocyte expulsé par un ovaire. Au cours des dernières heures qui précèdent l’ovulation proprement dite, le follicule dominant, qui mesure de 16 à 20 mm de diamètre, déforme la surface d’un des ovaires. Il a reçu des stimulations hormonales majeures rendant l’ovocyte apte à être fécondé. Elles permettent la rupture de la paroi folliculaire et l’expulsion de l’ovocyte qui ne possède une durée de vie que de 8 à 10 heures.
La fécondation
Dans la trompe, les spermatozoïdes capacités traversent les cellules du cumulus et viennent adhérer à une deuxième barrière cellulaire entourant l’ovocyte : la zone pellucide. Ceci entraîne une réaction au niveau de la tête de certains spermatozoïdes qui vont libérer des enzymes leur permettant de franchir la zone pellucide. Le premier spermatozoïde qui va la traverser fusionne avec la membrane cellulaire de l’ovocyte, ce qui provoque en quelques secondes l’activation de l’ovocyte. Elle se traduit par de nombreuses réactions avec des conséquences majeures :
* Une transformation chimique de la zone pellucide qui devient ainsi imperméable aux spermatozoïdes. La monospermie est respectée ;
* L’expulsion du 2ème globule polaire qui fait désormais de l’ovocyte une cellule haploïde, c’est à dire contenant 23 chromosomes ;
* La phagocytose du spermatozoïde qui permet à ses 23 chromosomes de pénétrer à l’intérieur de l’ovocyte qui devient un oeuf.
Le matériel chromosomique provenant des deux parents est encore distinct à ce stade. Il est contenu dans deux formations appelées pronucléus qui vont migrer l’une vers l’autre au centre de l’oeuf, guidées par des microfilaments. Les chromosomes paternels et maternels s’apparient alors (le chromosome n°1 du père avec le chromosome n°1 de la mère, et ainsi de suite) et un nouvel ensemble chromosomique est alors formé : il s’agit du patrimoine génétique totalement original d’un nouvel individu. Son sexe génétique est d’ores et déjà déterminé : si parmi les 23 chromosomes paternels introduits dans l’oeuf par le spermatozoïde figure le Y, c’est un futur garçon qui vient d’être créé. Si c’est un X qui est apporté par le père, c’est une petite fille qui naîtra dans neuf mois puisque l’autre chromosome sexuel provenant de la mère est obligatoirement un X.
L’oeuf, qui possède alors 23 paires de chromosomes est dit diploïde et la fécondation est terminée. La première division cellulaire, ou mitose, qui permet d’obtenir une deuxième cellule identique à la première, survient peu de temps après. Ainsi apparaît un nouvel embryon à deux cellules. Ces deux cellules vont à leur tour se diviser pour en donner quatre et ainsi de suite...
La segmentation
Les cellules qui se divisent rapidement possèdent le même patrimoine génétique. Jusqu’au 3ème jour après la fécondation, ces cellules, une dizaine environ, sont dites totipotentes. Cela signifie que chacune d’entre elles prise isolément peut reprendre sa division et fournir un embryon complet. Lorsque, à ce stade, l’ensemble cellulaire provenant de la fécondation se scinde spontanément en deux, une grossesse gémellaire peut survenir, avec dans ce cas des jumeaux homozygotes (ou vrais jumeaux).
A ce stade, l’embryon apparaît au microscope comme un amas dense de cellules de petite taille. Il a déjà cheminé dans la trompe en direction de l’utérus. Au 4ème-5ème jour, l’ensemble, qui porte le nom de morula, est formé d’une trentaine de cellules appelées blastomères. Il arrive à proximité de la cavité utérine.
A partir du 5ème-6ème jour, l’aspect microscopique de l’embryon change car les cellules commencent à se différencier pour former un blastocyste. Les cellules en périphérie forment le trophoblaste qui est à l’origine des annexes embryonnaires (placenta et membranes). Le centre de l’oeuf se creuse pour former une cavité remplie de liquide et le reste des cellules embryonnaires se concentre à un de ses pôles et forme le bouton embryonnaire. C’est à ce niveau que les couches cellulaires vont poursuivre leur différenciation pour progressivement constituer les divers tissus de l’embryon.
Cette transformation se fait alors que l’oeuf est encore dans la trompe. Il va pouvoir alors entrer dans la cavité utérine.
L’implantation
Six jours après la fécondation, alors que l’oeuf est dans la cavité utérine, la membrane pellucide, qui l’entoure encore complètement, se rompt. Le blastocyste en sort et les cellules du trophoblaste qui sont à sa surface vont entrer en contact avec la muqueuse de l’utérus : l’endomètre. Durant quelques jours, ces cellules trophoblastiques se multiplient et s’incrustent en profondeur dans l’endomètre afin de mettre en place, avec l’organisme maternel, les échanges nécessaires au développement de l’embryon. Il s’agit d’une véritable greffe qui ne peut réussir que grâce à l’action "anti-rejet" du trophoblaste qui tend à "masquer" les antigènes embryonnaires. Sans cette action, l’embryon qui a un patrimoine génétique différent de celui de sa mère, devrait être reconnu comme un corps étranger et rejeté par le système immunitaire maternel.
Pour que cette implantation réussisse, il faut aussi que l’endomètre soit prêt à se laisser coloniser par le trophoblaste embryonnaire : l’implantation ne peut en effet se faire au cours d’un cycle normal qu’aux alentours du 21ème jour, lorsque la muqueuse a reçu les stimulations hormonales idéales, essentiellement par les oestrogènes dans un premier temps, puis par la progestérone.
L’envahissement de l’endomètre par le trophoblaste aboutit en quelques jours à un équilibre qui se traduit par le développement d’un élément primordial pour le bon déroulement de la grossesse débutante : le placenta. Il permet les nombreux échanges mère/foetus mais également la synthèse d’hormones. Durant ce temps, l’embryon se développe avec l’apparition de la cavité amniotique. A la fin de la troisième semaine après la fécondation, il mesure environ deux millimètres et un coeur embryonnaire assure déjà la circulation sanguine primitive. Ses battements peuvent alors être détectés en échographie. Ils signent la présence d’une grossesse évolutive.
La conception du LHC remonte aux années 1980, mais il a fallu attendre 14 ans avant que sa construction soit approuvée par le conseil du CERN. Les travaux, démarrés en 1998, ont consisté à creuser une série de cavités pour accueillir les détecteurs, des instruments d’une précision inégalée destinés à suivre à la trace les produits de la collision frontale de deux faisceaux de protons. Inutile de construire l’anneau de 27 km où circuleront ces protons, il existe déjà. En effet, le LHC utilisera la boucle du LEP (Large Electron Positron), un accélérateur d’une génération antérieure avec lequel les scientifiques ont fait de belles découvertes. En particulier, des collisions entre électrons et positons ont permis d’y observer pour la première fois en 1983 les bosons W et Z, deux particules prévues par le modèle standard. L’énergie atteinte dans cet accélérateur d’ancienne génération était toutefois plus de 30 fois inférieure à celle des protons qui parcourront le LHC, ce qui s’avère insuffisant pour détecter le boson de Higgs.
Les deux faisceaux de protons destinés à entrer en collision circuleront en sens opposé dans des tubes distincts placés sous un vide très poussé. Ils seront guidés sur leur trajectoire circulaire par un champ magnétique puissant (jusqu’à 9 teslas), généré par des électroaimants refroidis à -271 °C de façon à atteindre à l’état supraconducteur pour lequel l’électricité circule sans aucune perte d’énergie. 1234 aimants dipolaires, longs de 15 m, courberont la trajectoire des faisceaux et 392 aimants quadripolaires, long de 5 à 7 m, concentreront les faisceaux. Tout est fait pour augmenter la probabilité d’une collision. Et la précision est de mise. En effet, la taille des particules est très faible, comparée à la longueur de l’anneau. Imaginez, il est aussi difficile de faire entrer en collision deux protons dans le LHC que de lancer deux aiguilles éloignées de 10 km, l’une contre l’autre !
La recherche du boson de Higgs sera sans conteste le sujet le plus brûlant du LHC. Il ne s’agit pas moins que de trouver la preuve ultime de la validité du modèle standard, l’enjeu est donc de taille ! Cette particule a été imaginée en 1964 par le physicien écossais Peter Higgs pour compléter l’édifice du modèle standard qui était alors encore un peu bancal. Cette dernière pièce du puzzle bouclait ainsi la construction théorique du modèle.
Généralement, le prix Nobel de physique est relatif à des travaux dont les retombées pratiques par rapport aux préoccupations du public et de la société sont très lointains ou très indirects. Pourtant, ces dernières années, à deux reprises, ce prix a couronné des travaux par lesquels le public, le commerce, l’industrie… sont directement concernés. En effet, le prix Nobel de 2000 est venu récompenser l’invention du « circuit intégré » - encore appelé « puce électronique » - omniprésent de nos jours et sans lequel nos ordinateurs, nos téléphones portables, cartes bancaires… n’auraient jamais vu le jour ; le prix Nobel 2007 a couronné la découverte en 1988 d’un effet magnétique - appelé magnétorésistance géante - qui a permis en dix ans d’augmenter de manière fulgurante la densité de stockage des disques durs des ordinateurs, qui atteint aujourd’hui 20 giga-bits/cm2 ! L’informatique a constitué ainsi l’enjeu principal de ces deux prix Nobel à retombées publiques.
Le terme relativité en physique évoque généralement Albert Einstein (1879-1955). Cela se comprend puisque c’est grâce aux réflexions qu’il a menées il y a environ cent ans que le chercheur allemand est arrivé à des conclusions tout à fait étonnantes et très peu intuitives, vérifiées expérimentalement de très nombreuses fois par la suite. Par exemple, Einstein montre que le temps ne s’écoule pas de la même façon au rez-de-chaussée d’un immeuble qu’au dernier étage ; et de manière générale, une horloge en altitude prend de l’avance sur une autre située plus bas. Il s’agit d’un effet gravitationnel. Cependant, le décalage est si faible que l’on peut l’ignorer dans la plupart des gestes du quotidien. En revanche, si le degré de précision que l’on cherche dans la mise à l’heure de deux horloges atteint la cent millionième de seconde, comme cela est le cas avec le GPS, il est indispensable de tenir compte de cet infime décalage temporel. Or, comme chacun le sait, à l’aide d’un GPS il est possible de se localiser à quelques mètres près. Pour cela, l’appareil échange des informations avec des satellites situés à 20 000 km d’altitude. C’est grâce à la mesure du temps que met un signal électromagnétique pour voyager sur cette distance que l’on parvient à se localiser. Compte tenu de la très grande vitesse avec laquelle un tel signal se propage c’est la vitesse de la lumière - environ 300 000 000 m/s – on comprend qu’une petite erreur sur l’estimation du temps de trajet engendre une grosse incertitude sur la localisation. Pour éviter cela, il est indispensable que l’horloge à bord du satellite soit parfaitement synchrone avec celle dans l’appareil GPS, ce qui implique la prise en considération des effets relativistes. Voilà pourquoi il n’y aurait pas de GPS sans relativité. Avant de nous pencher sur la relativité, intéressons nous au GPS.
Le principe de la localisation GPS est très simple, c’est celui de la triangulation. L’exemple suivant permet de le comprendre. Supposons que nous soyons perdus quelque part en France. Si nous passons devant un panneau indiquant que Paris est à 150 km sans en donner la direction, nous saurons que nous sommes situés quelque part sur un cercle centré sur Paris et de rayon 150 km. Si par ailleurs un autre panneau nous indique que nous sommes à 230 km d’Orléans, nous saurons que nous sommes également situés quelque part sur un cercle centré sur Orléans et de rayon 230 km. Il suffit donc de dessiner ces deux cercles et de voir où ils se coupent. Généralement, ils se couperont en deux points (Dieppe et Sainte-Menehould dans notre exemple) et nous aurons donc besoin d’une troisième indication afin d’éliminer l’un des deux points, sauf si nous avons de bonnes raisons pour en éliminer un sans indication supplémentaire. Dans notre exemple, si nous savons que nous ne sommes pas au bord de la mer, nous pourrons éliminer Dieppe et conclure que nous sommes à Sainte-Menehould.
Une contradiction interne à la physique était apparue à la fin du XIXè siècle : la théorie électromagnétique de Maxwell se révélait incompatible avec la relativité de Galilée-Newton selon laquelle le mouvement rectiligne-uniforme - c’est-à-dire sans accélération - est comme le repos. Selon ce principe de parfaite relativité d’un tel mouvement - appelé aussi inertiel - aucune expérience réalisée à l’intérieur d’un wagon non accéléré ne devrait permettre de déterminer la vitesse du wagon, dans la mesure où la vitesse n’est pas une notion absolue mais relative. Or, la théorie de Maxwell indiquait qu’à l’aide d’une onde électromagnétique on devait pouvoir déterminer la vitesse (donc absolue) du wagon. Il fallait donc soit modifier - voire abandonner - la théorie de Maxwell ou celle de Galilée-Newton. Einstein est préoccupé par cette affaire. Un deuxième problème occupe ses pensées : le phénomène d’induction découvert par Faraday en 1832. Ce dernier avait expérimentalement montré que le mouvement d’un aimant au voisinage d’un conducteur, une bobine électrique par exemple, y engendre un courant, dit « induit ». Le mouvement étant relatif, afin que l’on observe une induction, il suffit que l’un bouge par rapport à l’autre, peu importe lequel est fixe par rapport à l’expérimentateur. Malgré cette symétrie et relativité du mouvement, la théorie électromagnétique rendait compte de l’apparition du courant induit de deux manières différentes, selon que l’aimant ou la bobine était fixe dans le référentiel du laboratoire. Cela n’était pas non plus satisfaisant aux yeux d’Einstein. Les réflexions qu’il mène à ces sujets le conduisent à remettre en cause deux notions fondamentales discutées notamment par le philosophe Ernst Mach (1838-1916) : celles du temps et de l’espace. En effet, afin d’éliminerces contradictions, Einstein propose comme contrainte théorique la parfaite relativité du mouvement des référentiels inertiels (ou galiléens, c’est-à -dire en mouvement rectiligne-uniforme les uns par rapport aux autres) et aboutit en 1905 à la théorie de la « relativité restreinte » dans laquelle ni l’espace, ni le temps ne sont absolus séparément : longueurs et durées mesurées dépendent de l’observateur inertiel (de même que la notion de simultanéité de deux événements distants). On résume parfois cela en disant qu’avec la vitesse les longueurs se contractent et les durées se dilatent.
(BESSY, Ligne de microspectrométrie)