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4 - Aspects généraux
des rythmes biologiques

Dr Jean-Michel Crabbé
Mis à jour mars 2015

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Les rythmes biologiques sont des automatismes qui persistent dans un isolement complet vis-à-vis du monde extérieur.

Résumé

Les rythmes biologique ne se limitent pas à un rythme veille-sommeil et à une horloge interne de 24h 30 chez les êtres vivants complexes. Les rythmes biologiques sont observés à tous les niveaux de la biologie (cellules, fonctions physiologiques, hormones, système nerveux) et leurs fréquences varient de quelques minutes (sécrétions pulsatiles, rythme cardiaque), à 24h (rythme nycthéméral) et à des rythmes lents (cycle génital) ou très lents (puberté).

Définitions

Les rythmes biologiques ont de nombreux aspects différents qui en compliquent singulièrement la définition :

Un rythme biologique est une variation régulière et involontaire d'une fonction physiologique, d'un métabolisme, d'une activité cellulaire ou tissulaire (force musculaire, mitoses), d'une sécrétion hormonale, d'une tendance instinctive (appétit) ou même d'une fonction neuro-psychique (vigilance).

On rencontre des cycles et des rythmes chez tous les organismes vivants, de l'algue unicellulaire à l'organisme le plus complexe. Une huître, placée dans un aquarium isolé des variations de température et de lumière, continue à s'ouvrir et à se fermer au rythme de la marée de la côte où elle a été ramassée.

Les rythmes ont une origine endogène. Ce sont des automatismes biologiques liés aux propriétés des systèmes biologiques et aux particularités génétiques des êtres vivants.

Les rythmes concernent aussi le système nerveux central, le dynamisme des pulsions instinctives, l'activité neuropsychique et le comportement des êtres vivants. Ils se manifestent dans le développement, la pleine activité et le déclin de grandes fonctions comme la reproduction au cours de l'existence. Grâce à eux, les activités physiologiques s'enchaînent et s'adaptent à un environnement naturel qui, lui aussi, varie régulièrement.

Rythmes en chimie et en biochimie

Au niveau le plus élémentaire, les chimistes étudient des réactions naturellement périodiques. On connait actuellement une soixantaine de réactions susceptibles de produire des oscillations, avec de nombreuses variantes. (Rythmes et formes en chimie, PUF 97)

• Dans l'expérience de Bray, 1921, la décomposition catalytique de l'eau oxygénée H₂O₂ produit un dégagement périodique de dioxygène O₂.
• En 1973, Briggs et Rausher améliorent cette réaction et obtiennent une sorte de "clignotant chimique". Le mélange passe périodiquement de l'incolore au bleu puis au jaune en une dizaine de secondes, jusqu'à épuisement de la réaction.
• L'oscillation du système glycolytique des cellules de levures, découverte en 1956, est étudiée systématiquement depuis 1964. Il s'agit alors d'un phénomène biochimique périodique naturel.

Nota : associées, les notions de rythme et de diffusion dans un milieu biologique conduisent aux structures spatiales périodiques biologiques, les taches du pelage du tigre par exemple...
En ce qui concerne les zèbres, le célèbre zoologiste Marcel Gotlib, que le monde entier nous envie, a brillamment démontré que les rayures se forment par bronzage derrière une grille en fer forgé.

Rythme cellulaire

Une cellule isolée possède déjà un rythme simplifié, aspect fondamental de son activité (fig. 1). Cette cellule ne peut pas tout faire à la fois et les différentes synthèses s'y succèdent selon un ordre et un horaire déterminés sur une durée de 24 h.

Cette suite se répète régulièrement et la majorité des organismes unicellulaires fonctionnent ainsi selon un rythme spontané de 24 h. Ce cycle cellulaire persiste quand la cellule est complètement isolée du monde extérieur, ce qui indique une origine endogène, liée aux métabolismes cellulaires et aux gènes. Dans le foie d'un animal nocturne comme la souris, les mitoses se produisent à un moment assez précis, vers 12 h, et elles dépendent de toutes les autres synthèses cellulaires qui précèdent.

Les paramètres qui définissent les rythmes

distincts et communs à tous les rythmes apparaissent dans ce cycle cellulaire, qui ne laisse aucune place au hasard :

• Période : mesurée d'après la durée d'un cycle, dont la fin prépare le suivant.
• Amplitude : chaque synthèse a des phases d'activité et de repos suivant une courbe de variation déterminée.
• Phase : chaque synthèse se produit au cours d'une plage horaire précise.
• Ordre : plusieurs rythmes différents forment une suite ordonnée dans le temps.

Avec ces paramètres, on peut établir, en fonction du temps :

• la courbe de variation d'une activité biologique déterminée.
• l'ordre de succession de plusieurs activités différentes.

L'extraordinaire variété des rythmes chez l'homme

Les rythmes concernent les métabolismes cellulaires, les grandes fonctions vitales, le système nerveux et la motricité. Certains rythmes durent quelques minutes, d'autres une ou plusieurs heures. Les rythmes de 24 heures sont habituellement synchronisés avec l'alternance jour et nuit, activité et repos. Il en est encore qui durent plusieurs semaines, voire des mois ou des années.

Quelques exemples, classés selon les systèmes biologiques concernés :

• Individu : rythme de croissance, puberté puis cycles de reproduction.
  Variations annuelles de l'activité sexuelle, qui tend à augmenter en automne chez l'homme.
• Organes : cycle d'alimentation et de repos digestif.
  Révolution cardiaque et rythme respiratoire.
  Cycle menstruel de 28 jours, grossesse de 9 mois.
• Motricité : mouvements naturels alternatifs comme la marche.
• Système nerveux central : alternance veille-sommeil sur un rythme de 24 h.
  Phases de sommeil paradoxal qui se renouvellent en moyenne toutes les 90 mn.
  Rythmes enregistrés par l'électro-encéphalogramme.
• Système nerveux végétatif : mouvement régulier et automatique du tube digestif (péristaltisme).
• Psychisme : fluctuations de la vigilance diurne sur une période de 90 mn.
• Glandes exocrines : sécrétion acide gastrique pendant la première partie de la nuit.
• Variations hormonales plus ou moins rapides : la sécrétion du cortisol intervient selon deux rythmes d'environ 90 et 45 mn, superposés à un rythme de 24 h.
  Rythme de base de 24 h pour la plupart des sécrétions hormonales.
• Sécrétions pulsatiles : chez la femme en milieu de cycle, l'hypothalamus sécrète la LH-RH par pics de quelques minutes toutes les 90 mn, ce qui entraîne une libération pulsatile de LH et FSH. D'autres sécrétions hormonales comme celle d'insuline, de glucagon ou d'hormone de croissance sont également pulsatiles.
• Tissus : cycles de la sensibilité tissulaire à l'action d'une hormone.
• Cellules sanguines : variation nycthémérales du nombre de lymphocytes B ou d'éosinophiles dans le sang.
• Défenses immunitaires : variation nycthémérale et annuelle.
• Epithélium cilié : mouvement régulier des cils.
• Cellules myocardiques : mises en culture, elles conservent un rythme spontané de contraction.
• Cycle cellulaire des mitoses : pic nocturne chez l'homme.

Classement de ces nombreux rythmes

Selon la période observée pour un paramètre ou une activité biologique, on distingue les rythmes :

• ultradiens, inférieurs à 24 h (haute fréquence).
• circasemidien, d'environ 12 h.
• circadiens, d'environ 24 h (rythme nycthéméral).
• infradiens au delà de 24 h (basse fréquence).
• circannuels, d'une période voisine de 1 an.

Selon l'horaire on distingue des activités nocturnes, diurnes ou autres.

L'acrophase d'un rythme est l'instant où il passe à sa valeur maximale.

Selon la courbe de variation on distingue :

• Des fluctuations modérées autour d'une valeur moyenne : taux de potassium, température.
• Des variations sinusoïdales : respiration, taux moyen de cortisol sur 24 h.
• Des alternances entre activité et repos : cycle veille-sommeil, sécrétion de mélatonine.
• Des pics brefs et réguliers d'une sécrétion ou d'une activité biologique : LH et FSH.

Chez l'homme, la multiplicité des rythmes fait penser aux différents rouages d'une montre qui s'entraînent les uns les autres, et il existe certainement des couplages entre les différentes activités biologiques. Le rythme nycthéméral de 24 heures est le plus apparent, et le cycle génital de 28 j chez la femme semble le mieux connu sur le plan hormonal. Même des paramètres relativement stables comme la température ou le taux de potassium présentent des variations nycthémérales, de sorte que l'homéostasie peut être regardée comme une limite des phénomènes rythmiques.
Il y a dans le monde vivant toutes sortes de rythmes, 7 j pour la reproduction de certains champignons, 1 an pour l'hibernation et de nombreux cycles de reproduction ou de migration, 15 ans pour la floraison d'une variété de bambous quelle que soit son implantation géographique. Il existe une espèce de poisson qui change de sexe à l'âge de 6 ans...

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Droits d'auteur : J-M Crabbé © 1999-2013, tous droits réservés. Article L.122-5 du code de la propriété intellectuelle. Seules les copies ou reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective sont autorisées. De brefs extraits de l'information contenue sur ce site peuvent être librement commentés, reproduits ou traduits à des fins de recherche ou d'étude personnelle, mais ne peuvent être ni vendus ni utilisés à des fins commerciales. Toute utilisation de l'information provenant de ce site Web doit obligatoirement mentionner la source de l'information et l'adresse URL de la page correspondante. La reproduction ou la traduction de portions plus importantes ou toute utilisation des textes et schémas à des fins autres qu'éducatives ou non commerciales, est subordonnée à l'obtention préalable d'une autorisation écrite formelle.