CROISSANCE (biologie)

CROISSANCE (biologie)

La notion de croissance s’est imposée d’abord à l’esprit humain par l’observation de l’augmentation de taille des êtres vivants. Puis l’emploi du mot s’est élargi, soit par application à divers produits de leurs activités ou par métaphore (la croissance d’une passion, nourrie d’illusions), soit par simple confusion avec le terme plus général d’accroissement. La croissance peut être présentée comme l’accroissement progressif d’une unité biologique (ou liée à des phénomènes biologiques), se poursuivant sans perte de l’individualité ni interruption de l’activité fonctionnelle. Une telle définition est assez large pour englober non seulement la croissance d’une population, mais encore celle d’une ville ou la croissance économique, fruits du travail humain, qui se rapprochent d’ailleurs, sur bien des points, de la croissance biologique par le jeu complexe des corrélations qu’elles font intervenir. En revanche, il n’est pas permis de parler de croissance d’une molécule d’acide nucléique ou d’un virus, pour lesquels il y a simplement multiplication: à côté de l’unité mère servant de modèle se forme en effet, par assemblage de ses éléments, une autre unité qui ne s’individualise et ne devient fonctionnelle que brusquement, une fois complètement terminée. La croissance est, au même titre que l’assimilation, une propriété fondamentale de tous les êtres vivants, si l’on excepte cependant le cas des virus.

Croissance et multiplication sont deux phénomènes plus ou moins liés. Dans la reproduction asexuée des Protistes (la plus fréquente chez ces êtres unicellulaires), la multiplication des individus, c’est-à-dire la croissance de la population qu’ils constituent, est le résultat d’une alternance de croissances et de divisions cellulaires. Arrivée à un certain volume par croissance, et alors seulement, la cellule mère se divise en deux cellules filles de volume moitié moins grand (bipartition); la taille des cellules reste comprise entre ces deux limites, que le milieu peut faire varier, mais faiblement. Chez les êtres multicellulaires, les faits sont plus complexes et la taille des cellules est très variable. La croissance de l’organisme résulte de la combinaison des phénomènes de croissance et de multiplication cellulaires. Mais il peut y avoir croissance sans division, comme dans le cas des cellules «permanentes», nerveuses par exemple. Inversement, il peut y avoir multiplication sans croissance en volume et en poids, comme au début de l’embryogenèse. Il convient aussi de préciser à quel niveau d’organisation est étudiée la croissance: organites, cellules, tissus, organes, organisme. On peut en effet observer, dans la peau de l’homme adulte par exemple, une croissance et une multiplication cellulaires sans croissance au niveau du tissu.

La description du développement d’un organisme, de l’œuf à l’adulte, ne peut se limiter aux phénomènes quantitatifs de la croissance; il comprend aussi des phénomènes qualitatifs, réunis sous le terme assez vague de différenciation . La distinction entre les deux n’est pas toujours aisée. Au cours de l’organogenèse, une certaine forme de croissance est souvent le support obligé de la différenciation. Au cours du développement postnatal, d’autre part, bien des changements de forme, qualitatifs en apparence, ont pu être décrits entièrement par quelques formules mathématiques simples (allométrie ); le terme de croissance différentielle traduit bien cette ambiguïté.

Un bon critère de croissance doit se prêter à des mesures faciles, précises, fidèles et, autant que possible, non destructrices; la «taille», c’est-à-dire une mesure de longueur, est le plus souvent utilisée, mais elle suppose que l’organisme ne soit pas trop déformable, comme celui d’un ver, et que sa forme ne varie pas trop dans le temps, comme au cours des métamorphoses: le têtard perd sa queue en devenant grenouille, et l’animal diminue donc temporairement de longueur au cours de sa croissance. Le poids frais n’a souvent pas de signification précise: en particulier, il est bien difficile d’«égoutter» correctement une algue, un animal aquatique, éponge ou crevette, sans parler des variations souvent assez larges de la proportion d’eau contenue dans les tissus. La mesure du poids sec, qui exige de sacrifier l’animal ou la plante, n’est pas elle-même à l’abri des critiques, puisqu’elle fait entrer en ligne de compte des réserves ou des substances squelettiques qui ne participent guère aux équilibres réglant la croissance. Cède-t-on à l’attrait de la biochimie et mesure-t-on la quantité de protéines, partie noble de la matière vivante? Ces dosages, trop laborieux pour que l’emploi en soit justifié dans la plupart des problèmes de croissance, aboutissent parfois à des résultats curieux; ainsi, dans une tige en voie d’allongement, ce n’est pas dans la zone de croissance morphologique la plus rapide que les synthèses protéiques sont au maximum, mais de part et d’autre de celle-ci: en avant, dans la zone de multiplication cellulaire du méristème apical, et en arrière, en liaison avec la différenciation des cellules. En effet, l’élongation cellulaire, en réponse à l’action des auxines, hormones de croissance, résulte essentiellement d’une entrée d’eau. En définitive, le biologiste doit choisir dans chaque cas, suivant le problème étudié, le meilleur critère de croissance.

1. Croissance absolue

Croissance d’une cellule et croissance d’un organisme

La croissance d’une cellule prise isolément est surtout un problème de biochimie. Grâce aux apports extérieurs, et par le phénomène d’assimilation, la matière vivante est le siège d’un renouvellement perpétuel, des molécules étant synthétisées ou remaniées, d’autres étant détruites ou consommées; les acides nucléiques règlent ce ballet. Quand les synthèses de l’anabolisme l’emportent sur les dégradations productrices d’énergie du catabolisme, et seulement dans ce cas, il y a croissance. Néanmoins, la croissance est davantage qu’un déplacement de l’équilibre entre les deux faces du métabolisme: les synthèses y sont gérées selon un déterminisme cyclique permettant, dans les conditions favorables, le renouvellement cellulaire (fig. 1).

L’étude de la croissance d’une population homogène d’organismes unicellulaires fait apparaître un phénomène nouveau, celui des interactions entre cellules en croissance. Lorsqu’on ensemence une certaine quantité de bouillon de culture et qu’on porte sur un graphique les points représentant le nombre n des cellules en fonction du temps, on obtient une courbe en S (cf. BACTÉRIES, fig. 8). Si la durée d’un cycle de croissance-division cellulaire restait constante, la courbe de croissance de la culture prendrait l’allure d’une exponentielle, le nombre de cellules doublant à la fin de chaque cycle. Mais cette durée ne tarde pas à augmenter de plus en plus. Au début, elle reste assez brève pour que la croissance de la culture passe par une phase d’accélération. Puis, le ralentissement se poursuivant, et après une période plus ou moins longue où n est presque une fonction linéaire du temps, la croissance de la culture entre dans une phase de décélération et finit par s’arrêter, les divisions de quelques cellules compensant tout juste la mort d’autres. Le palier d’équilibre ainsi atteint, qui peut se maintenir jusqu’à épuisement du milieu, correspond à une densité qui ne peut être dépassée, les cellules se gênant les unes les autres, en particulier par les «déchets» rejetés. La densité de ces déchets augmente avec celle de la culture, même s’ils ne s’accumulent pas dans le milieu; en concentration de plus en plus élevée, ils freinent la croissance, puis finissent par l’inhiber complètement. Des repiquages montrent que le ralentissement progressif puis l’arrêt de la croissance ne sont pas dus à des propriétés intrinsèques acquises par les cellules, mais seulement à des interactions: une culture repiquée suit la même courbe de croissance que la culture mère, en partant du point correspondant au nombre de cellules repiquées, quel qu’il soit.

Les interactions jouent un rôle encore plus important dans le développement des êtres multicellulaires. Elles y sont en effet d’autant plus complexes que les cellules, cessant d’être identiques, se sont différenciées en vue de remplir diverses fonctions et associées en tissus, puis en organes. La richesse et la complexité des phénomènes de croissance chez les êtres multicellulaires sont telles qu’il est vain d’espérer pouvoir expliquer un jour le développement d’un éléphant, ou même d’une puce, à partir de la connaissance parfaite de la croissance d’une bactérie.

Taux et courbes de croissance

On obtient la courbe de croissance absolue en mesurant la «taille» X à des intervalles suffisamment rapprochés, puis en la reportant sur un graphique en ordonnée, avec le temps en abscisse. De telles courbes peuvent être obtenues à partir d’un seul individu, quand elles ne perturbent pas la croissance et que celle-ci est rapide. On peut aussi mesurer de nombreux individus d’âges variés mais connus, par exemple chez l’homme, et en déduire la courbe moyenne de croissance pour l’espèce. L’emploi de ces moyennes n’est pas sans danger car, si elles font disparaître les petites fluctuations dues au hasard, elles risquent également de masquer des irrégularités de la courbe de croissance, accidents dont l’existence est constante et la signification importante, mais qui ne se produisent pas à un âge très précis.

Si l’on désigne par d X la croissance de X pendant un court intervalle de temps dt , le taux de croissance absolue est la limite vers laquelle tend le quotient d X/dt quand dt tend vers zéro, c’est-à-dire la valeur à l’instant t de la dérivée de X = f (t ). Ce taux garde rarement une valeur constante et correspond alors à une partie linéaire de la courbe de croissance: les pousses de bambous en fournissent un exemple. Un paramètre plus intéressant est obtenu en divisant le taux défini précédemment par X, soit (1/X) . (d X/dt ); il est souvent appelé taux de croissance relative, mais, en raison des confusions possibles avec les taux utilisés dans l’étude de la croissance relative, il vaut mieux parler de taux de croissance réduit , c’est-à-dire ramené à l’unité. Il est constant dans le cas d’une croissance exponentielle, ce qui se produit en général dans les premiers temps de la croissance, puis sa valeur décroît progressivement. Lorsque la courbe de croissance est tracée en coordonnées non plus arithmétiques mais semi-logarithmiques, c’est-à-dire lorsqu’on trace la courbe log X = f (t ), ce taux de croissance réduit représente la valeur de la pente de la courbe au moment t .

Les courbes de croissance des organismes entiers montrent des aspects très variés. Dans les cas les plus simples, elles ont, comme pour une culture, l’allure d’une sigmoïde, plus ou moins symétrique. De nombreuses formules théoriques ont été proposées pour rendre compte de ces courbes; établies à partir de considérations théoriques sur les mécanismes de la croissance, elles permettent de tester la valeur des hypothèses faites. La courbe logistique , de la forme 1/X = a (1 + be ^-ct ), est obtenue par intégration de d X/dt = k X (F 漣 X); cette formule, où F représente la taille finale, implique que le taux de croissance absolue est le produit de deux facteurs, l’un augmentant avec la taille (facteur auto-accélérateur), l’autre diminuant avec celle-ci (auto-inhibition). L’équation de Bertalanffy est déduite de d X/dt = a X^m +b Xⁿ , le premier terme représentant les facteurs anaboliques et le second ceux du catabolisme; si X est le poids, les paramètres m et n sont compris entre 2/3 et 1, ce qui est en conformité avec les relations existant entre métabolisme d’une part, surface et volume de l’autre. Ces deux équations permettent souvent d’arriver à un bon accord avec les courbes observées, mais il en est de même pour beaucoup d’autres dont la signification biologique est moins claire. Et la courbe observée est rarement obtenue avec une précision suffisante pour permettre de choisir entre les hypothèses.

Cette imprécision s’explique par deux raisons:

a ) Il est exceptionnel qu’une seule loi de croissance reste valable pendant toute la vie. Le développement se compose presque toujours d’une succession de phases ayant chacune ses lois propres: le mode de vie et les conditions optimales de milieu changent souvent avec la phase, les différents organes se développant inégalement suivant les phases (fig. 2). L’examen attentif de courbes de croissance absolue du type sigmoïde révèle souvent qu’elles sont en réalité formées d’une succession d’arcs de courbe du type sigmoïde, exponentiel ou autre. La vie embryonnaire, la jeunesse, l’adolescence correspondent à de telles phases, ou même à plusieurs chacune.

b ) Ces courbes ne sont valables qu’en milieu constant, car la vitesse de croissance à un moment donné dépend plus ou moins des conditions externes, par exemple de la qualité et de la quantité de nourriture: des carences alimentaires ralentissent ou même arrêtent la croissance. La température joue un rôle majeur chez les animaux à température variable (poïkilothermes) comme cela a lieu, également, chez les Végétaux. Quand la température interne diminue, tous les processus vitaux se ralentissent, comme pour des réactions chimiques banales, et cela est d’ailleurs un des points ayant conduit à la notion de temps biologique : mesurée en temps physique, son unité s’allonge quand la température baisse; son emploi doit permettre d’obtenir des taux de croissance moins variables. Chez les Arthropodes, l’existence des mues fournit une base objective à la mesure de ce temps biologique et permet d’en mettre la notion en pratique, par exemple en définissant le taux d’accroissement à la mue: ce rapport des tailles à deux stades successifs est relativement constant. La température n’est pas seule à agir sur l’unité de temps biologique. Il est banal de dire que le temps «passe plus vite» quand l’âge augmente, et ce ralentissement des fonctions vitales vient s’ajouter à celui qui est lié à l’augmentation de taille (courbe logistique). Cet allongement de l’unité de temps biologique avec la taille s’observe aussi quand on compare des espèces entre elles: des animaux semblables par leur morphologie et leur physiologie, mais de tailles adultes différentes, ont une vie d’autant plus courte et plus intense qu’ils sont plus petits.

L’intérêt des graphiques de croissance absolue est donc limité dans la pratique. Ils peuvent fournir, pour un milieu naturel défini, une approximation du temps nécessaire pour que soit atteinte une taille donnée, par exemple la taille commercialisable pour un animal de pêche ou d’élevage. En faisant varier expérimentalement certains facteurs du milieu, les courbes de croissance permettent également d’en évaluer l’influence.

2. Croissance relative et allométrie

L’allométrie de croissance

La croissance d’un organisme impliquant de nombreuses corrélations à tous les niveaux, on peut s’attendre qu’il existe, entre les croissances des diverses parties, des relations mathématiques plus ou moins indépendantes des facteurs externes. La plus fréquemment rencontrée de ces relations est la loi d’allométrie , de formule très simple: Y = BX^a ; c’est une fonction puissance, et non une fonction exponentielle comme on l’écrit trop souvent. Elle se traduit en coordonnées logarithmiques par une droite y = ax + b , où x est le logarithme de la taille ou de tout autre caractère de référence et y celui du caractère qui lui est comparé; le paramètre a porte le nom de taux d’allométrie , b celui d’indice d’origine. Pour des raisons de commodité, les deux paramètres a et b sont déterminés à partir d’un ensemble de points expérimentaux représentant non pas les divers états d’un individu au cours de sa vie, mais ceux, à un instant donné, du plus grand nombre possible d’individus de tailles variées; cela permet d’ailleurs d’obtenir des courbes continues même si la croissance est intermittente.

Si a est égal à 1, il y a isométrie : Y croît proportionnellement à X; l’isométrie est rare car, pour des raisons fonctionnelles, mécaniques et physiologiques, la forme doit changer avec la taille. Si a est supérieur à l’unité, il y a allométrie majorante : Y croît plus vite que X et il y a changement des proportions, de la forme. C’est le cas de nombreux variants sexuels qui se développent «brusquement» dans l’un des sexes, au moment de la puberté. L’un des premiers cas étudiés, et des plus spectaculaires, est celui des mâles d’Uca , le crabe violoniste. Les jeunes et les femelles ont de petites pinces, alors que l’une d’elles atteint une taille disproportionnée chez le mâle (fig. 3); a étant égal à 1,6, le poids de la pince passe, pendant la puberté, de 10 à 40 p. 100 de celui du corps. Si a est inférieur à 1, il y a régression relative de Y, allométrie minorante, et, s’il est négatif, il y a régression en valeur absolue, ou énantiométrie .

Des relations d’allométrie ont été mises en évidence dans les domaines les plus divers: entre la taille d’une cellule et celle de son noyau (variations du rapport nucléoplasmatique); entre la taille, le poids et même le nombre d’organes, de membres, de soies, dans les groupes animaux les plus variés; et même encore entre les teneurs en tel et tel constituant chimique de l’organisme. Les variations du taux d’allométrie d’un point à l’autre de l’organisme ne sont pas quelconques, car il y a corrélation.

Elles obéissent à des gradients , les taux diminuent progressivement de part et d’autre d’un ou plusieurs centres de croissance. Un gradient simple, fréquemment rencontré dans la croissance postembryonnaire, y compris celle de l’homme, est le gradient antéro-postérieur: selon l’axe du corps, le taux d’allométrie croît régulièrement à partir de la tête, ce qui permet de rattraper l’avance prise par la tête dès le début du développement embryonnaire, avance justifiée par l’importance des centres nerveux qu’elle abrite et le rôle de commande qu’elle joue très précocement. De nombreux cas de monstruosités s’expriment par des déformations minimes des gradients d’allométrie. L’existence des gradients, reflets des corrélations, explique aussi que la loi d’allométrie puisse s’appliquer de façon satisfaisante bien que la fonction puissance ne soit pas additive. Si Y est la somme de Y¹ = B¹Xa ¹ et de Y² = B²X^{a 2}, Y ne peut en théorie s’exprimer sous la forme BX^a ; mais, si les coefficients des deux fonctions sont voisins, cette incompatibilité reste théorique, les écarts entre BXa et B¹X^{a 1} + B²X^{a 2} étant très faibles, bien inférieurs à la dispersion des points expérimentaux.

La formule d’allométrie peut recevoir une interprétation physiologique très simple: elle signifie que les taux de croissance réduits de X et de Y sont, à un instant donné, proportionnels à la masse de nourriture disponible – et à elle seule –, selon un coefficient caractéristique de chacun d’eux, ainsi que de la phase et de l’espèce. De cette interprétation on tire une conclusion étonnante: il n’y a aucune relation de cause à effet entre la croissance des divers organes au cours d’une phase d’allométrie, les interactions ne peuvent jouer qu’au moment des changements de phase. Les exceptions apparentes à l’allométrie prouvent qu’il en est bien ainsi: l’allométrie ne peut maintenir l’ordre (limiter les variations) que s’il existe déjà; elle ne peut le rétablir. Certains variants sexuels des Crustacés, par exemple, passent, sous l’influence de l’hormone sexuelle, par une phase d’allométrie fortement majorante lors de la puberté ; comme l’hormone déclenche cette puberté à une taille assez variable, l’indice d’origine b varie, et les points représentatifs d’un ensemble d’individus ne sont plus rassemblés en nuage étroit autour d’un segment d’allométrie, même quand chaque individu suit une loi d’allométrie (a est fixe). Au contraire, les points de la phase postpubérale s’alignent de nouveau autour d’un segment adulte parallèle à celui de la phase jeune. Comme l’hormone sexuelle reste présente dans le sang, il est clair que c’est un changement de propriétés des tissus qui a mis fin à la phase pubérale, et que ce changement est le résultat d’interactions moins bien connues mais plus précises que les mécanismes hormonaux. Si les tissus des variants sexuels n’étaient pas devenus insensibles à l’hormone et n’avaient pas retrouvé des taux d’allométrie plus normaux, leur croissance n’aurait pu se poursuivre sans aboutir à des animaux monstrueux, inviables.

Champ d’application

L’intérêt des courbes d’allométrie est beaucoup plus grand que celui des courbes de croissance absolue. À titre descriptif, elles permettent de présenter les faits sous une forme condensée, claire, objective, facilement transmissible. La croissance relative passe par la même série de phases que la croissance absolue, mais elle en permet plus facilement la mise en évidence. Chaque changement de phase se traduit par des modifications simultanées des lois d’allométrie pour un plus ou moins grand nombre de couples de caractères. Les phases sont représentées par des segments de droite séparés par des «points critiques», ou parfois des «discontinuités» qui correspondent en fait à des phases supplémentaires très courtes (fig. 2). Au long des phases successives, l’organisme modifie profondément sa forme, en même temps qu’il change de mode de vie; mais les phases permettent de réaliser ces modifications de façon progressive, en ne faisant appel qu’à des mécanismes physiologiques simples; la croissance en plusieurs phases, chacune avec ses règles propres, offre une grande souplesse pour le passage entre les morphologie et physiologie des premiers stades et celles de l’adulte, souvent très différentes. Une série de degrés conduit des simples changements de phase aux métamorphoses impliquant des remaniements beaucoup plus profonds, souvent accompagnés de changements brusques du mode de vie. Dans les simples discontinuités, un organe se met à croître beaucoup plus vite que les autres pendant un certain temps. Dans les métamorphoses complètes, il n’y a pas seulement croissance, mais encore embryologie à retardement, avec des organogenèses complexes: un individu entièrement différent peut même se développer à partir de quelques îlots de cellules de la larve.

Le taux d’allométrie de croissance est le plus intéressant des deux paramètres de l’équation y = ax + b . Sa valeur est en effet une constante caractéristique de l’espèce et de la phase, inscrite dans le patrimoine héréditaire. L’indice d’origine est plus variable, car la place du changement de phase, qui en détermine la valeur, peut être modifiée par le milieu; toutefois, ces variations ne prennent guère d’importance que lors de changements brusques du taux d’allométrie.

Les courbes de croissance sont donc le plus souvent utilisables, au même titre que les taux et les gradients, pour définir, rapprocher ou distinguer les espèces. Ces courbes fournissent des renseignements plus précis que les simples rapports Y/X puisque les proportions varient au cours de la croissance quand il y a allométrie. Des méthodes statistiques spéciales (analyse de variance) permettent de comparer les courbes d’allométrie, en fonction de leur écart et de la dispersion autour des segments d’allométrie des points représentatifs des individus mesurés. D’autre part, les lois de l’allométrie sont souvent suivies, chez les Arthropodes en particulier, avec une précision inhabituelle en biologie, précision telle que la connaissance d’un fragment d’appendice permet de reconstituer l’animal entier, sans qu’il soit besoin de savoir même son âge.

Les méthodes biométriques et graphiques d’étude de la croissance relative ont aussi un intérêt explicatif . Elles permettent de comprendre et d’expliquer les phénomènes mis en jeu dans la croissance, et fournissent un guide à l’expérimentation dans ce domaine, même lorsque l’allométrie est suivie avec une précision médiocre ou qu’une autre loi moins simple doit être retenue. Les fœtus des singes anthropoïdes ressemblent beaucoup à celui de l’homme, et à l’homme adulte, par le faible développement de la face par rapport au crâne; on avait cru pouvoir en déduire que l’homme dérivait du singe par fœtalisation, mais la biométrie a permis de constater que la réduction relative de la face chez l’homme s’expliquait simplement par un taux d’allométrie un peu moins élevé que chez les singes. L’allométrie a permis d’expliquer comment se produisait la féminisation des Macropodia et Inachus sous l’influence d’un parasite, la sacculine ; chez ces petites araignées de mer, la mue de puberté se marque par des discontinuités, avec une croissance des chélipèdes double de la normale chez les mâles et un élargissement brutal de l’abdomen chez les femelles; l’étude des graphiques montre, sans qu’il soit besoin de procéder à aucune expérience, que le parasite empêche la mue de puberté chez les mâles, alors qu’il accélère son apparition chez les femelles.

Limites de la méthode

La loi d’allométrie est suivie avec une précision plus ou moins bonne suivant les animaux. Chez les Arthropodes, la dispersion autour des segments d’allométrie est faible, les coefficients de corrélation sont voisins de l’unité parce que les mesures portent presque uniquement sur l’exosquelette. Chez les Vertébrés, la précision reste bonne quand les os sont comparés entre eux, mais elle diminue quand on compare le squelette (dont dépend la taille) à d’autres organes. Ceux-ci peuvent réagir en effet à des facteurs qui restent sans influence notable sur le squelette. Il n’est pas étonnant en particulier que les parties du corps, qui peuvent croître et décroître une fois la taille finale atteinte, ne soient pas liées par une relation précise à la taille au cours du développement. L’hypertrophie fonctionnelle ou l’atrophie pour non-usage sont une cause de variation: un membre plâtré s’amaigrit; un sportif acquiert par l’entraînement des biceps ou des mollets volumineux, et son cœur grossit. Les variations peuvent aussi être dues à une compétition entre divers organes.

Chez les Mollusques, les mesures se limitent souvent à la coquille pour des raisons pratiques. La croissance de cette coquille et sa forme sont souvent très sensibles aux conditions du milieu, si bien que les taux d’allométrie ne sont plus des constantes caractéristiques de l’espèce, et que la comparaison entre espèces ne peut se faire que dans un milieu donné.

Chez les animaux coloniaux ou les végétaux, l’allométrie est de peu de secours pour l’étude de la croissance. La forme de l’organisme se prête peu aux mesures et dépend surtout des endroits où peuvent apparaître les nouvelles unités (feuilles d’un arbre ou polypes d’un Cnidaire), et des corrélations qui permettent à telle unité de se développer, plutôt qu’à telle autre.

Autres types d’allométries

Il existe d’autres types d’allométries, qui ne sont pas liés directement à la croissance et où les corrélations jouent un rôle majeur. Dans l’allométrie de stade , la loi y = ax + b n’est plus mise en évidence entre individus à des âges différents (et même en théorie sur un individu unique), mais entre individus au même stade de leur développement. C’est le cas pour les relations d’allométrie entre adultes d’une espèce lorsque la croissance est limitée, par exemple chez les Insectes dont la croissance est terminée après la discontinuité correspondant à la métamorphose imaginale. Au cours du développement, les segments d’allométrie de stade se confondent souvent à l’intérieur de l’allométrie de croissance, mais des différences peuvent se révéler à l’occasion des changements de phase.

L’allométrie phylétique s’observe à propos de comparaisons entre individus moyens de diverses espèces d’une même lignée évolutive. En cas d’orthogenèse, l’évolution s’explique par une simple augmentation de la taille limite; les segments d’allométrie des espèces forment un faisceau serré de parallèles, et les taux des deux allométries sont semblables; la lignée des Titanothères, grands Mammifères fossiles, montre de telles orthogenèses. Mais là encore il peut ne pas y avoir concordance, les taux de l’allométrie phylétique et des allométries de croissance étant nettement distincts; l’alignement des points moyens est alors le résultat de variations harmonieuses de l’indice b , c’est-à-dire de la taille où se fait le changement de phase; les rapports entre poids du corps et poids de l’encéphale en fournissent des exemples.

3. Croissance chez les Métazoaires

Croissance et reproduction

Pour les animaux à reproduction asexuée, la division sous ses diverses formes (bipartition, bourgeonnement, et même formation de colonies) semble être davantage un procédé de multiplication de l’espèce qu’un moyen d’échapper aux contradictions de la croissance, car les tailles ne varient pas entre des limites précises. La durée de vie n’est pas limitée, elle non plus: un individu initial peut vivre indéfiniment en émettant des bourgeons, si les conditions s’y prêtent. On peut parler d’immortalité potentielle . La signification de ce terme ne doit toutefois pas être exagérée: si l’individu ne meurt que par accident, c’est parce que son organisme est soumis, au cours de la croissance et de la multiplication, à un renouvellement continu qui permet l’élimination et le remplacement des molécules d’acide nucléique déformées ou des cellules vieillies.

Avec la reproduction sexuée apparaît une distinction entre soma et germen. Les cellules germinales, d’où dérivent les gamètes, sont potentiellement immortelles puisque deux gamètes peuvent, en s’unissant, donner naissance à un nouvel individu. Les cellules du soma, au contraire, mourront un jour avec l’organisme tout entier, car les cellules permanentes, non remplacées, s’usent peu à peu par dégradation de leurs acides nucléiques ou accumulation de déchets; leur vieillissement entraîne la sénilité de l’individu et augmente ses risques de mourir: les corrélations se dégradent et la résistance aux agressions diminue. Au total, le vieillissement est la conséquence de l’arrêt de la croissance (ou plus exactement de la multiplication des cellules), et non l’inverse. Carrel a pu conserver en culture, de 1912 à 1946 (où un accident mit fin à l’expérience), les fibroblastes d’un cœur d’embryon de poulet. On en déduit que les cellules du soma jouissent de la même immortalité potentielle (avec les réserves ci-dessus) que les cellules du germen, mais que seules ces dernières peuvent en profiter, entre autres raisons parce qu’elles échappent aux inhibitions imposées à la multiplication par la présence dans un organisme.

Croissance et développement

On peut définir dans le développement animal trois grandes périodes, qui diffèrent par les rapports entre croissance et différenciation, ainsi que par les caractères de cette dernière.

a ) La première période, qui s’étend approximativement de la fécondation à la mise en place des feuillets embryonnaires, se fait en général sans croissance (en taille du moins, car il y a synthèse d’acides nucléiques et de protéines aux dépens des réserves de l’œuf). Il s’y produit une différenciation potentielle, le plus souvent invisible, mais qui peut facilement être mise en évidence par l’expérience. Des ségrégations et migrations ont abouti à une redistribution hétérogène des matériaux cytoplasmiques de l’œuf entre les cellules filles, dont le devenir est ainsi plus ou moins déterminé.

b ) Dans la deuxième période, la différenciation et la réalisation de la forme sont largement indépendantes de la croissance. Au cours de cette période, la différenciation correspond à l’organogenèse (genèse des organes, membres et viscères) et fait surtout intervenir des phénomènes d’induction: un certain nombre d’organisateurs agissent, par diffusion de substances inductrices, sur les territoires embryonnaires voisins et leur imposent une forme et une structure données. Après suppression d’un inducteur, une croissance banale se poursuit; inversement, il est assez facile d’arrêter expérimentalement la croissance, presque complètement, sans trop retarder la différenciation.

c ) Dans la troisième période, qui va des derniers temps de la vie embryonnaire jusqu’à la mort, les changements de forme, encore importants, obéissent aux lois de la croissance relative (allométrie), et la différenciation mérite plutôt le nom de spécialisation. L’organisme affronte le milieu extérieur, les cellules constituant les tissus entrent pleinement en activité fonctionnelle, et la croissance se ralentit. C’est à propos de cette période qu’a été introduite la notion d’un prétendu antagonisme entre croissance et différenciation . Il s’agit tout au plus d’un antagonisme entre capacités de multiplication et spécialisation fonctionnelle, et il ne peut exister qu’au niveau cellulaire: il n’a pas de sens au niveau des nombreux tissus qui sont constitués d’un mélange de cellules spécialisées assurant les fonctions et de cellules indifférenciées assurant la croissance du tissu.

Les trois périodes sont plus ou moins bien séparées et telle partie du corps peut être encore en cours d’organogenèse alors que le reste est en pleine activité fonctionnelle. Chez les Vertébrés, l’organogenèse est en général terminée à la naissance. Chez les Invertébrés, au contraire, il y a souvent, après une éclosion précoce, des formes larvaires libres, très différentes de la forme adulte, et ces larves montrent des métamorphoses partielles ou même totales, qui sont des embryogenèses à retardement; les phases sont donc plus nombreuses.

Durée de la croissance

La croissance du soma peut être illimitée ou limitée. Dans la croissance illimitée , terme assez impropre, la croissance se poursuit toute la vie et, bien que sa vitesse soit réduite dans la phase adulte, la taille finale atteinte au moment de la mort est aussi indéterminée que la date de celle-ci. C’est le cas pour les crevettes et la plupart des Vertébrés à sang froid. Une croissance limitée s’arrête au contraire bien avant l’âge de la mort naturelle, en général peu après le début de l’activité sexuelle. Comme exemples de croissance limitée, on peut citer les crabes Oxyrhynques, où la mue de puberté est la dernière, les Insectes (mue imaginale) et les Vertébrés à sang chaud. La taille finale est inscrite dans la constitution génétique de l’individu, du moins celle qui est atteinte dans les conditions idéales. Au cours des derniers siècles, la taille maximale de l’homme dans un peuple donné n’a pas varié, mais la taille moyenne a augmenté à la suite d’une meilleure alimentation et des progrès de la médecine, et aussi à cause du brassage génétique résultant de déplacements plus fréquents.

Régulations neuroendocriniennes

L’arrêt de la croissance doit être regardé comme une manifestation des interactions entre les diverses parties du corps, au même titre que les changements de phase. Les organes et les tissus échangent entre eux des messages chimiques , par diffusion ou par voie circulatoire: un organe sécrète des substances qui tendent à inhiber sa propre croissance et à accélérer celle des autres, et la résultante commande la croissance en chaque point; le système nerveux joue un rôle particulier: au-delà d’un certain stade du développement, une innervation intacte est nécessaire à la croissance. Le passage d’une phase à la suivante correspond sans doute à une remise en cause partielle de ce jeu d’interactions chimiques. Les tailles relatives des organes se modifiant au cours de la croissance, un déséquilibre tend à se produire. Quand il atteint une certaine valeur, des gènes restés inactifs sont démasqués sur les acides nucléiques dans certains tissus, de nouveaux ordres de synthèse sont donnés et de nouveaux messages envoyés. L’arrêt final de la croissance indique que la somme des messages est devenue nulle en tous les points de l’organisme. Croissance et multiplication cellulaire ne sont plus possibles que localement et dans deux cas: pour maintenir l’équilibre, dans les tissus où les cellules meurent vite et doivent être remplacées; lorsque l’équilibre est perturbé, dans les cas de régénération ou pour répondre à un changement des conditions de vie (hypertrophie fonctionnelle).

L’un des organes peut prendre un rôle majeur dans ce jeu d’interactions entre organes par messagers chimiques; on a alors affaire à une glande endocrine sécrétant une hormone . Nos connaissances sur les hormones sont assez précises à cause des facilités d’expérimentation qu’elles offrent et de l’indépendance relative des glandes endocrines par rapport aux autres organes, indépendance qui a d’ailleurs comme contrepartie la relative fréquence des troubles d’origine hormonale. L’hormone de croissance par excellence des Mammifères est l’hormone somatotrope de l’antéhypophyse. Dans l’organisme normal, sa sécrétion est contrôlée par le reste du corps et s’arrête chez l’adulte. Si la sécrétion s’accélère, par exemple à cause d’une tumeur de l’hypophyse, le malade peut prendre l’aspect d’un géant bien proportionné, tant que les cartilages de conjugaison des os longs continuent à fonctionner. L’ossification de ces cartilages arrête de façon irréversible la croissance en longueur, mais la croissance en épaisseur et celle des os plats restent possibles; si la sécrétion pathologique d’hormone continue ou intervient à ce moment, le malade prend le faciès caractéristique de l’acromégale ^{[cf. CROISSANCE HUMAINE]}. Les autres hormones interviennent moins directement dans la croissance; l’hormone thyroïdienne, par exemple, n’agit qu’en accélérant le métabolisme. Les Arthropodes possèdent eux aussi des hormones de croissance, maintenant assez bien connues ^{[cf. HORMONES]}.

La coïncidence fréquente entre les débuts de la vie sexuelle et l’arrêt de la croissance n’implique pas une relation directe de cause à effet, et il est exagéré de généraliser la notion d’antagonisme entre croissance et sexualité . L’entrée en activité des organes sexuels peut jouer un rôle dans l’arrêt de la croissance, et la castration est utilisée chez les Mammifères d’élevage pour la prolonger quelque peu. Mais l’entrée en activité sexuelle peut aussi n’être qu’une conséquence de l’arrêt, pour d’autres raisons, de la croissance: il est fréquent, chez les animaux inférieurs, que la reproduction sexuée n’apparaisse que lorsque des conditions de milieu défavorables mettent fin à la croissance et à la multiplication asexuée.

Croissances compensatrices

Les phénomènes de régénération montrent bien l’importance des interactions dans le déroulement harmonieux et l’arrêt final de la croissance. L’ablation d’un membre, chez un Arthropode ou un triton, entraîne un déséquilibre dans l’organisme, et c’est ce déséquilibre qui provoque la croissance accélérée du régénérat, accélération d’abord très forte, puis diminuant au fur et à mesure, quand la taille de la nouvelle patte se rapproche de celle qui est réclamée par le reste de l’organisme. Il y a également, au début de la régénération tout au moins, libération de substances excitatrices de la croissance, et la régénération d’un membre peut accélérer la croissance générale. La régénération n’est possible que si la croissance l’est aussi: on n’observe plus qu’une simple cicatrisation chez les Insectes adultes ou chez les crabes Oxyrhynques après la mue de puberté; chez les animaux à croissance illimitée eux-mêmes, les possibilités de régénération diminuent avec l’âge. La régénération comporte également une part plus ou moins grande d’organogenèse, et dans ce cas le système nerveux joue un rôle majeur d’organisateur.

Au cours de l’évolution du règne animal, les possibilités de régénération semblent avoir diminué avec la complication croissante des organismes. Si on se limite aux Vertébrés, on note que les facultés de régénération disparaissent à un âge beaucoup plus précoce chez les têtards de crapaud (Batracien Anoure) que chez ceux de triton (Urodèle). La queue régénérée d’un lézard ne l’est qu’imparfaitement, sa structure étant très simplifiée par rapport à celle d’une queue normale. Chez l’homme et les Mammifères, les possibilités de régénération sont réduites, si l’on ne prend pas le terme de régénération dans un sens extrêmement large, pour y inclure les remplacements périodiques et normaux des poils (mue) ou, plus spectaculairement, celui des bois de cerf qui tombent chaque année. Il faut citer néanmoins les possibilités de croissance compensatrice qui, jointes aux facilités opératoires, ont facilité certaines interventions chirurgicales sur le foie ou sur les reins. Ceux-ci réalisent, lors d’une greffe juvénile, une croissance les amenant au niveau fonctionnel normal.

Mais, le plus souvent, les animaux supérieurs sont seulement capables de cicatrisation . La perte du pouvoir de régénération est due à une certaine rigidité des structures, qui augmente avec leur complexité, et aussi avec l’âge, ou plus exactement le temps depuis lequel elles sont en place. Elle est liée davantage à la perte des facultés de dédifférenciation et d’organogenèse qu’à celles de croissance stricto sensu. L’étude des facteurs de croissance – voir plus loin – permettra de lever ces blocages, autorisant, à moyen terme, l’espoir d’obtenir des régénérations même chez l’homme. En coupant une patte de têtard de crapaud et en lacérant le moignon, on obtient une régénération du membre, et non une simple cicatrisation comme pour une plaie chirurgicale bien nette. En remplissant chez un chien une plaie étendue du crâne avec de la poudre d’os plat frais et broyé, on arrive à rétablir la continuité de la boîte crânienne, ce qui aurait été impossible normalement: les cellules du broyat, n’ayant plus entre elles de liens étroits, sont devenues capables de se dédifférencier suffisamment pour se réorganiser en os neuf selon le schéma imposé par les os restés en place.

Modalités spatiales ou temporelles

Modalités spatiales

Dans l’organisme animal, les activités de croissance sont réparties inégalement. Il y a des zones de croissance bien localisées, qui sont en fait le siège d’une multiplication cellulaire, le plus souvent orientée. Les zones de croissance jouent un rôle majeur dans la réalisation de la forme, surtout à la fin de la vie embryonnaire. Leur localisation est très variable. Les unes sont terminales ou subterminales, comme les cartilages de conjugaison des os longs ou la zone de bourgeonnement prépygidiale des animaux métamériques (Annélides par exemple). D’autres sont intercalaires: la croissance du test des oursins se fait à la jonction entre les plaques; le renouvellement des vésicules thyroïdiennes a lieu, de façon diffuse, au sein même de la masse glandulaire; dans les os, en revanche, le périoste ne donne du tissu osseux que sur sa face interne. On remarque ainsi à propos de l’os long que la croissance d’un organe selon ses diverses dimensions peut être assurée par des zones distinctes.

Dans d’autres tissus, très spécialisés, les cellules ne peuvent plus se diviser ni être remplacées. Ces cellules permanentes croissent en même temps que le corps, tout en exerçant leurs fonctions, et leur taille augmente donc beaucoup au cours de la vie. C’est le cas pour les neurones des Vertébrés; la taille des muscles peut aussi subir des variations considérables sans changement du nombre des cellules, aussi bien au cours de la croissance que chez l’adulte (rôle de l’exercice physique dans le développement de la musculature). Certains animaux (Nématodes, Rotifères, Tardigrades) ne sont formés que de cellules permanentes: le nombre de celles-ci, caractéristique de l’espèce, est atteint très tôt au cours de l’embryogenèse, et il ne se produit plus de divisions jusqu’à la mort, sauf dans les organes génitaux; l’oxyure, petit Nématode parasite de l’homme, ne possède que 65 cellules musculaires, dont la longueur passe de 30 猪m à 6 mm chez la femelle, la plus grande.

Chez la plupart des Métazoaires, cependant, après la naissance, la croissance de nombreux tissus est diffuse, et on y trouve côte à côte des cellules en activité fonctionnelle, condamnées à une mort plus ou moins rapide (cellules labiles ), et de petites cellules indifférenciées , capables de se multiplier puis de se spécialiser. La taille maximale des cellules labiles est en général fixe pour une espèce et les espèces voisines, les variations de taille au cours de la croissance et celles de la taille finale selon l’espèce étant dues à des variations du nombre des cellules. Pendant la jeunesse, la multiplication cellulaire l’emporte et le tissu s’accroît; chez l’adulte, elle est juste suffisante pour assurer le remplacement des cellules mortes. On parle alors de croissance d’entretien , mais le terme est critiquable, entretien s’appliquant évidemment au tissu alors que les phénomènes de croissance ne se produisent qu’au niveau cellulaire. Comme exemple de croissance d’entretien, on peut citer, chez les Mammifères, le remplacement des cellules glandulaires des villosités de l’intestin grêle ou des globules sanguins, et surtout le renouvellement de l’épiderme, qui s’effectue complètement en moins de trois semaines chez l’homme. Les remaniements, qui s’observent en particulier dans les formations squelettiques, sont une forme élaborée de la croissance d’entretien.

Il existe aussi des cellules «stables» qui, passé un certain âge, se comportent normalement en cellules permanentes, mais où l’inhibition de la multiplication peut être levée plus ou moins facilement, et qui interviennent par exemple dans la régénération, aux côtés des cellules indifférenciées. Des progrès ont été faits dans la levée de cette inhibition chez les cellules les plus stables. D’autre part, la segmentation d’un œuf de batracien a pu être obtenue après remplacement de son noyau par un noyau de cellule somatique quelconque, et même de cellule nerveuse. Cette expérience et quelques autres montrent que les potentialités des cellules, y compris leurs possibilités de multiplication, sont sous la dépendance du cytoplasme en interaction avec les organites cellulaires, alors que les noyaux ont tous gardé un code génétique complet, même dans les cellules les plus spécialisées.

Modalités temporelles

La croissance présente des modalités diverses dans le temps. Elle peut être saisonnière , en fonction des facteurs du milieu, la croissance étant en particulier interrompue pendant la mauvaise saison. Ces fluctuations dans la vitesse de croissance peuvent s’accompagner de variations qualitatives, et qui se marquent dans les phanères des Mammifères (poils, ongles, cornes) ou les stries de croissance des écailles des poissons dont elles permettent d’en déterminer l’âge. On a même pu mettre en évidence dans le squelette de Madréporaires ou de Lamellibranches des variations journalières ou mensuelles (mois lunaire) dans la composition du calcaire déposé. Un rythme journalier existe aussi dans la croissance de l’homme, qui est freinée pendant le jour (ou, plus exactement, les périodes d’activité) par les hormones surrénaliennes.

Les phénomènes de dormance , c’est-à-dire de passage à l’état de vie ralentie avec arrêt de croissance, ne se limitent pas aux cas de quiescence , autrement dit à ceux où les passages de la vie ralentie à la vie active et vice versa sont uniquement sous la dépendance des facteurs du milieu. Les diapauses sont définies par deux caractères: d’une part, l’entrée en vie ralentie se produit à un stade précis du développement; d’autre part, la diapause ne peut cesser qu’au bout d’un temps minimal, qui peut aller de quelques semaines à des années, deux ans pour les œufs de certains Phasmidés par exemple. Les diapauses ont fait l’objet de nombreux travaux chez les Insectes, où les arrêts se produisent soit pendant la vie embryonnaire, dans l’œuf, soit à des stades plus tardifs: larve, chrysalide (piéride du chou) et même adulte (doryphore). Dans la nature, ces interruptions à des stades choisis favorisent la survie de l’espèce. C’est ainsi qu’une exposition plus ou moins prolongée au froid, simulant l’hiver, est le plus souvent nécessaire avant que la diapause puisse être rompue, un réchauffement amenant ensuite rapidement le retour à l’activité. Tous les intermédiaires existent évidemment entre la simple quiescence et la véritable diapause, aussi bien pour l’intensité de celle-ci que pour la difficulté d’y mettre fin. Chez le criquet Melanoplus differentialis , la diapause est brisée en portant l’œuf à 25 ⁰C après quelque temps passé au froid; d’autre part, l’entrée en diapause peut être empêchée, en apparence, en maintenant les œufs dès le début à 25 ⁰C; mais une étude plus poussée montre alors que les échanges respiratoires subissent une chute importante, et prolongée, à partir du stade où aurait dû se produire la diapause: celle-ci existe, bien qu’incomplète.

La diapause peut être obligatoire ou facultative, et les facteurs qui la déclenchent dans le second cas sont très variés: photopériode, température, diminution de l’humidité; leur étude est rendue plus difficile par le fait que leur action s’exerce à un «stade sensible», qui peut être beaucoup plus précoce que celui d’entrée en diapause. Les raisons de la diapause ne sont pas encore complètement élucidées, mais une sécrétion insuffisante d’hormones de croissance semble la cause la plus fréquente pour les diapauses postembryonnaires.

On réserve le nom de croissance discontinue à un type particulier de croissance rencontré chez les animaux pourvus d’un exosquelette. La croissance s’y fait par à-coups, pour des raisons intrinsèques. L’exosquelette des Arthropodes est formé de chitine, en elle-même souple et extensible, mais qui se charge, sauf au niveau des articulations, de scléroprotéines et même de sels minéraux, devenant ainsi rigide. Pour augmenter de taille, l’Arthropode doit périodiquement changer de «peau»: c’est la mue ou exuviation. Un nouvel exosquelette plus large s’est préparé sous l’ancien et se déplisse après la mue avant de se rigidifier aussi. Les courbes de croissance en taille en fonction du temps se présentent chez un individu comme une succession de paliers horizontaux correspondant chacun à un stade d’intermue. Les courbes de croissance en poids sont encore plus compliquées: le poids décroît en effet au moment du rejet de l’exuvie, dont le poids frais peut dépasser 25 p. 100 de celui de l’animal chez les gros crabes malgré les résorptions partielles du squelette dans la période préparatoire à la mue. Puis la carapace se durcit, l’animal recommence à se nourrir et son poids croît régulièrement, jusqu’à ce qu’un palier ou une légère décroissance marque l’approche de la mue. Chez les Arthropodes aquatiques, la perte de poids frais lors de la mue peut être fugace ou même faire place à une augmentation de poids, car l’animal absorbe des quantités d’eau très importantes, le gonflement qui en résulte lui servant aussi bien à se dégager de l’exuvie qu’à déplisser son exosquelette; la prise de poids au cours de l’intermue est beaucoup plus lente, car la synthèse de matière vivante est compensée par un départ d’eau: un homard ou une langouste bien «pleins» sont des animaux en fin d’intermue, aux chairs denses, alors que leur valeur culinaire est médiocre peu après la mue.

4. Croissance chez les Végétaux

Végétaux inférieurs

Les Végétaux inférieurs sont des plantes n’ayant ni racines, ni feuilles, ni tiges anatomiquement définies. L’organisme est un thalle, de forme filamenteuse, aplatie ou plus complexe ^{[cf. THALLE]}.

Parmi ces organismes, les moins différenciés morphologiquement ont en principe une croissance diffuse. Elle dépend de circonstances extérieures favorables (température de l’eau assez élevée, éclairement suffisant, présence de nutriments minéraux, tels les nitrates). Le développement est alors saisonnier et son caractère opportuniste le rend volontiers «explosif»: ce sont les «marées vertes», éphémères.

Les espèces à thalle hautement différencié sont pluri-annuelles et leur croissance, très ralentie l’hiver, reprend au printemps à partir de ressources endogènes qui les rendent moins dépendantes de la conjoncture environnementale. L’agrandissement de ces plantes est fortement directionnel.

Végétaux supérieurs: Cormophytes

Déroulement de la croissance

La vitesse de croissance des tiges est beaucoup plus lente chez les végétaux ligneux (en général un mètre par an dans les meilleures conditions) que chez les plantes herbacées (les tiges grimpantes des coloquintes atteignent quatre mètres de long en un an). Elle dépend de facteurs génétiques (races géantes et races naines du haricot ou du maïs) et également des conditions externes. D’autre part, la croissance d’un organe ne peut être considérée isolément; il existe en effet des interactions entre organes (corrélations). Ainsi, des régulateurs de croissance, synthétisés dans les feuilles, peuvent stimuler ou, au contraire, inhiber la croissance des tiges.

La croissance des tiges et des racines n’est pas rectiligne; elle s’accompagne de mouvements, par exemple l’extrémité des tiges décrit une hélice dans l’espace; ce mouvement, dit de circumnutation , particulièrement visible chez les tiges volubiles, aurait une origine endogène; combiné au tropisme de contact (haptotropisme ), il explique l’enroulement des vrilles. D’autres mouvements, liés à la croissance, sont déclenchés et orientés par un facteur externe, par exemple la lumière ou la température.

Mécanismes

Dans les tissus des Cormophytes, la croissance d’un organe résulte de la multiplication des cellules (mérésis ) et de l’accroissement de leur taille (auxésis ). Ce dernier processus peut se réaliser soit dans toutes les directions (croissance isodiamétrique des cellules des tubercules), soit dans une direction privilégiée, perpendiculaire (croissance tangentielle des cellules du cambium) ou parallèle (élongation ) à l’axe de croissance de l’organe.

Dans les tiges et les racines, les méristèmes sont les zones de prolifération cellulaire; l’élongation a lieu dans des régions situées à une certaine distance des méristèmes. Une localisation précise des zones de mérésis et d’auxésis est impossible dans les feuilles.

La croissance en longueur peut se manifester au niveau d’entrenœuds très éloignés du méristème terminal de la tige (cas du blé). Elle résulte de l’entrée en activité d’amas de cellules restées à l’état méristématique et localisées juste au-dessus ou en dessous des nœuds (fig. 4).

Les végétaux présentent également une augmentation de leur diamètre. Cette croissance en épaisseur est due à l’activité de méristèmes apparaissant secondairement. Il s’agit du méristème libéro-ligneux (cambium ) qui apparaît entre les tissus vasculaires et le liber primaire, et du méristème subéro-phellodermique.

Le cambium est constitué par une assise de cellules qui subit des divisions tangentielles; chaque cellule fille ainsi formée apparaît alternativement à l’extérieur (du côté du liber primaire) et à l’intérieur (du côté des tissus ligneux primaires). Les premières se différencient en cellules constituant le liber secondaire; les autres formeront le bois.

Ce méristème joue un rôle peu important chez les végétaux herbacés: il apparaît très tard et dans les entrenœuds les plus anciens; chez les végétaux ligneux, il se différencie dans les entrenœuds qui n’ont pas terminé leur croissance en longueur.

Rythmes

Une certaine rythmicité est imposée par les conditions externes: la croissance est plus importante au printemps et en été que pendant les saisons froides. Cette alternance dans les taux de croissance se retrouve dans la structure des tissus des végétaux ligneux; le bois «de printemps» a des vaisseaux ligneux larges, alors que ces mêmes vaisseaux sont très étroits dans le bois formé à l’automne. Il existe également une rythmicité journalière. Si une plantule croissant en obscurité continue est exposée brusquement à la lumière, il en résulte des oscillations rythmiques de la vitesse de croissance. Le même résultat peut être obtenu en passant de la lumière à l’obscurité. La période est propre à l’espèce; elle est généralement comprise entre 22 et 26 heures (rythmes circadiens ). Si la plante est exposée aux successions normales des jours et des nuits, la période est alors de 24 heures dans tous les cas. Ces rythmes journaliers présentent donc deux composantes: l’une externe, qui est à l’origine du déclenchement des oscillations, et l’autre interne; d’où la notion de rythmes endogènes proposée par Bünning. Ces rythmes concernent non seulement la croissance mais aussi certains mouvements d’organes (nasties ) et la floraison.

On tente notamment d’expliquer les rythmes endogènes par des modifications périodiques de l’activité de certains enzymes allostériques ^{[cf. PHOTOPÉRIODISME]}.

La croissance étant liée au métabolisme dépend donc de la présence d’eau, de la pression partielle en oxygène et de la température. Ce dernier facteur peut cependant avoir une action plus spécifique. En effet, les alternances de température sont souvent plus favorables à la croissance qu’une température constante. Les expériences de Went sur la tomate en sont une excellente illustration (fig. 5).

Toutefois, la lumière, indispensable à la nutrition, a aussi une influence directe. Elle inhibe la croissance des tiges et stimule la croissance des feuilles: en son absence, il y a étiolement. Les radiations rouges du spectre (entre 600 et 700 nm) sont les plus actives alors que les radiations rouge lointain (700-800 nm) reversent l’effet de la lumière rouge. Le photorécepteur, ou phytochrome, est une chromoprotéine qui se présente sous deux formes, l’une (P^r) absorbant la lumière rouge et l’autre (P^rl) la lumière rouge lointain; seule cette dernière forme est active. Dans les tissus étiolés, tout le phytochrome est dans sa forme inactive P^r. Une exposition à la lumière blanche induit la transformation d’une certaine fraction des molécules en P^rl. Il s’ensuit une stimulation de la croissance des cellules des feuilles ou une inhibition de celle des tiges, soit par l’induction de la synthèse d’enzymes due à l’activation de certains gènes dits potentiellement actifs, soit par l’inhibition de gènes spécifiques.

Substances régulatrices

Il ne s’agit pas de substances macrotrophiques mais de composés agissant à faibles doses et indispensables à la croissance. Ces substances (vitamines, hormones) ne sont pas nécessairement synthétisées par tous les végétaux et, pour un même végétal, par tous les organes.

Prise dans son ensemble, une plante supérieure est autotrophe aux vitamines B¹, B², B⁶, C et PP, qui entrent généralement dans la constitution de coenzymes. En revanche, si l’on considère séparément les organes, les racines apparaissent hétérotrophes à la vitamine B¹.

L’auxine , ou acide 廓 indolylacétique (AIA), qui est synthétisée dans les bourgeons et qui stimule la croissance des tiges, présente un transport polarisé; on peut donc la considérer comme une hormone. Elle agit sur l’élongation des cellules dérivées de l’activité des méristèmes primaires. Son action se manifeste également au niveau des méristèmes secondaires (cambium) en stimulant la multiplication cellulaire. L’auxine est donc une hormone favorisant la croissance en épaisseur des tiges. Chez les végétaux ligneux, à la reprise de la végétation, l’entrée en activité du cambium est déterminée par l’auxine synthétisée dans les bourgeons; ensuite, de l’auxine est synthétisée au niveau du cambium.

Parmi les nombreux effets de l’AIA sur les cellules, l’un paraît spécifique: il s’agit de l’augmentation de la plasticité de la membrane cellulosique. Ce phénomène serait dû à une induction de la synthèse de cellulases et d’hémicellulases par l’AIA. Ces enzymes hydrolyseraient certaines chaînes cellulosiques de la membrane. On ne sait si l’auxine induit la synthèse de quelques enzymes spécifiques en agissant au niveau de la transcription (synthèse d’ARN messagers) ou au niveau de la traduction (synthèse d’ARN ribosomal ou d’ARN de transfert).

Les gibberellines ont une action très importante sur la croissance des tiges en agissant sur l’élongation et la multiplication des cellules dérivées des méristèmes primaires. Ainsi, les mutants nains de maïs, de pois ou de pois de senteur, traités par une gibberelline, présentent un phénotype identique à la souche normale. L’allongement des tiges des plantes en rosette sous l’action des gibberellines constitue un autre exemple.

Le mode d’action des gibberellines sur la croissance des cellules reste assez discuté. Des recherches réalisées sur la germination ont montré qu’elles induisaient la synthèse d’enzymes hydrolytiques par activation des gènes correspondants (synthèse d’ARN messagers). Dans le cas de la croissance, ces enzymes pourraient augmenter la plasticité cellulaire; d’autres auteurs pensent qu’elles hydrolyseraient les protéines de réserves, ce qui conduirait à une élévation de la teneur en acides aminés dont le tryptophane, substance mère de l’AIA.

Les cytokinines sont des dérivés de bases puriques. On les trouve surtout dans les tissus de réserves (albumen, endosperme) des semences en voie de maturation. L’exemple le plus classique est celui du lait de coco. Ces substances de croissance doivent activer les multiplications cellulaires nécessaires à la formation des embryons. Les cytokinines sont également présentes dans les racines, leur lieu de synthèse, et dans les bourgeons. Elles contrôlent divers phénomènes liés à la croissance: dominance apicale, abscission et sénescence des feuilles.

Nos connaissances sur le mode d’action des cytokinines sont assez limitées. Elles stimulent la mobilisation des métabolites; d’autre part, elles maintiennent une certaine activité métabolique plus en inhibant la destruction des protéines qu’en stimulant leur synthèse. En outre, on a remarqué que des hydrolysats de certains ARN de transfert (ARN^t) avaient une activité du type cytokinines et que celles-ci, fournies à des tissus, se retrouvaient incorporées dans les AR^t.

L’abscissine II , ou dormine , est une substance de croissance de structure voisine de la vitamine A. Elle active les processus d’abscission des feuilles et maintient en dormance les bourgeons et les semences, ce qui explique les deux appellations utilisées ^{[cf. PHYTOHORMONES]}.

Le contrôle de la croissance des végétaux procède donc de mécanismes très complexes faisant intervenir un certain nombre de facteurs externes ainsi que des substances de croissance. Celles-ci n’agissent pas isolément: la croissance et les phénomènes qui lui sont liés dépendent très souvent d’une juste proportion entre deux ou plusieurs régulateurs. D’autre part, certains facteurs externes peuvent modifier le métabolisme de ces régulateurs: ainsi les basses températures peuvent induire la synthèse des gibberellines.

5. Les facteurs de la croissance et de la différenciation cellulaire

L’attribution du prix Nobel de médecine 1986 à Stanley Cohen et Rita Levi-Montalcini a récompensé la découverte, dans les années cinquante, des premiers facteurs de croissance, le NGF (nerve growth factor ) et l’EGF (epidermal growth factor ). Il s’agit là d’un domaine qui devait faire progresser considérablement notre compréhension du contrôle de la prolifération cellulaire et de la cancérisation; ses implications thérapeutiques, qui commencent juste à être connues, sont probablement immenses.

Près de vingt ans se sont écoulés entre les premières expériences mettant en évidence l’existence de NGF et la détermination de la structure de cette molécule. Or, depuis 1980, c’est à un rythme fabuleux que sont découvertes de nouvelles molécules actives, que leurs structures sont élucidées et qu’elles sont produites en des quantités permettant aisément l’analyse de leurs actions. C’est qu’entre-temps s’est développé l’ensemble des techniques des recombinants d’ADN, ou génie génétique, permettant de progresser avec une efficacité et une rapidité que ne permettaient pas les méthodes plus anciennes consistant à purifier le principe actif de tissus variés, puis à en analyser la structure et l’activité. Les techniques de clonage moléculaire d’ADN permettent maintenant d’isoler rapidement les séquences nucléotidiques codant pour les facteurs de croissance et leurs récepteurs, d’en déduire la structure peptidique et de manipuler des micro-organismes ou des cellules en culture de telle sorte qu’ils produisent en quantité le facteur étudié. C’est grâce à cette approche qu’ont été acquises la quasi-totalité des données que nous allons maintenant présenter.

La découverte du NGF

En 1948, un savant allemand (E. Bueker) avait observé que la greffe d’un sarcome murin (sarcome 180) à un embryon de poulet de trois jours provoquait une stimulation de la différenciation des neurones sensoriels et sympathiques du système nerveux périphérique, avec développement important des neurites vers et dans la tumeur.

Rita Levi-Montalcini démontrait en 1951 que cet effet du sarcome 180 était dû à la libération d’un facteur diffusible, le futur NGF. Les travaux d’isolement et de caractérisation du NGF devaient, par la suite, être poursuivis avec Stanley Cohen. La glande sous-maxillaire de souris mâle se révélant en fait plus riche en NGF que les autres sources possibles, c’est à partir de ce matériel privilégié que le NGF fut purifié pour la première fois. Au cours de ces expériences de purification du NGF, Stanley Cohen observa, en 1959-1960, que l’injection d’extraits de glande sous-maxillaire à une souris nouveau-née provoquait une stimulation de la croissance épidermique et de la kératinisation; cet effet était dû à un autre facteur, l’EGF, qui fut totalement purifié et analysé dans le laboratoire de Stanley Cohen.

La forme active de NGF est un dimère composé de deux sous-unités polypeptidiques identiques, constituées de 118 acides aminés et liées de façon non covalente. Ces sous-unités, dites 廓, sont associées in vivo à des sous-unités 見 et 塚 inactives formant un complexe d’un poids moléculaire de 130 000.

Le facteur agit en se fixant à un récepteur membranaire spécifique. La présence de NGF est indispensable, au moins chez l’embryon, à la différenciation et au maintien de l’intégrité des neurones sympathiques et sensoriels. Il s’agit plus d’un facteur trophique et de différenciation que d’un agent stimulant la prolifération cellulaire.

Facteurs de croissance à cibles cellulaires multiples

Certaines de ces molécules sont actives sur un grand nombre de types cellulaires, d’autres ont au contraire une spécificité étroite. Parmi les facteurs à large spectre d’action, on doit ranger l’EGF, un peptide de 53 acides aminés qui se forme à partir d’un précurseur, immense molécule de 1 217 acides aminés, dont la structure suggère qu’il pourrait s’agir d’une protéine membranaire ressemblant à un récepteur. Son rôle physiologique reste inconnu; certains travaux suggèrent qu’il pourrait stimuler la spermatogenèse. Expérimentalement, il stimule la prolifération d’une grande variété de cellules en culture. Comme le NGF, et comme tous les facteurs de croissance, EGF se fixe à un récepteur transmembranaire qu’il «active» ^{[cf. RÉCEPTEURS MEMBRANAIRES]}, activé, il «transduit» le signal «mitogénique» de l’extérieur à l’intérieur de la cellule, provoquant ainsi la division cellulaire (autrement dit une mitose). D’autres facteurs, sécrétés notamment par des cellules tumorales, peuvent interférer avec le récepteur d’EGF; les mieux caractérisés sont les TGF 見 (tumor growth factor 見).

Le PDGF (platelet-derived growth factor ) est libéré par les plaquettes lorsqu’elles adhèrent à une surface, par exemple un vaisseau lésé, et participent à la formation du caillot sanguin. Il stimule la prolifération des fibroblastes, et donc la guérison de la plaie ayant entraîné une lésion vasculaire.

Les IGF (insulin-like growth factor [IGF-1 et IGF-2]) sont les intermédiaires de l’action de l’hormone de croissance et jouent, in vivo, un grand rôle dans le développement embryonnaire et la croissance. In vitro, en culture de cellules, ils stimulent la prolifération d’un grand nombre de types cellulaires. L’insuline elle-même, outre ses effets métaboliques multiples, peut être considérée comme un facteur de croissance, indispensable in vitro à la croissance et à la prolifération cellulaires.

Les FGF (fibroblaste growth factor ) sont abondants dans le cerveau; leur fonction physiologique reste inconnue.

Facteurs de croissance et oncogenèse

La caractéristique d’une réponse mitotique physiologique est d’être contrôlée et limitée dans le temps: les divisions cellulaires cessent lorsque disparaissent leurs facteurs déclenchants. C’est ainsi que la différenciation et la prolifération des précurseurs des globules rouges cessent dès qu’est réparée une anémie, que la régénération du foie après hépatectomie partielle est limitée à la reconstitution d’une masse physiologiquement suffisante de l’organe, ou que les fibroblastes cutanés cessent de se diviser après cicatrisation d’une plaie. Au contraire, il existe, dans le cas de la cancérisation, une perte du contrôle de la réponse mitotique physiologique, à l’une ou l’autre de ses étapes. Les oncogènes, c’est-à-dire les gènes qui peuvent être responsables de l’une des étapes de la transformation maligne lorsque leur expression est qualitativement ou quantitativement anormale, sont en fait les gènes codant pour les facteurs de croissance, leurs récepteurs, ou l’une des protéines impliquées ultérieurement dans la réponse mitotique à la stimulation d’une cellule par un facteur de croissance. Les mécanismes de la croissance cellulaire incontrôlée apparaissent alors clairs: un facteur de croissance peut être produit en permanence par une cellule qui lui est sensible, ou bien la modification d’un récepteur peut entraîner son activation permanente en l’absence même de la liaison du facteur de croissance. Dans d’autres cas, l’anomalie touche des étapes ultérieures, mises en jeu sans intervention préalable des facteurs de croissance ou de leur récepteur: activation permanente des G-protéines stimulant la phospholipase C, ou modification quantitative ou qualitative des oncogènes c-fos ou c-myc ...

Mais presque tous les événements physiologiques sont soumis à un double contrôle, positif et négatif. Ainsi en va-t-il de la prolifération cellulaire, stimulée par les facteurs de croissance et inhibée par une famille de substances qui commencent seulement à être connues: les facteurs antiprolifératifs . Ils contrôleraient, en coopération avec les facteurs de croissance, l’index mitotique des différentes cellules de l’organisme; ils limiteraient secondairement une réponse proliférative physiologique (guérison d’une plaie, par exemple). Un déséquilibre en leur faveur pourrait constituer l’une des bases de la perte du potentiel prolifératif des cellules sénescentes et, symétriquement, une diminution de leur production pourrait jouer un rôle essentiel dans la prolifération non contrôlée des cancers. Les interférons (notamment l’interféron 廓²) appartiennent à cette famille de substances; ils diminuent l’expression des oncogènes cellulaires du type c-myc et c-fos et ont déjà été utilisés avec succès dans le traitement de certains cancers humains, notamment de certaines leucémies. Le TGF 廓 (transforming growth factor 廓, bien mal nommé) a également un effet antiprolifératif et anti-oncogène sur la plupart des cellules. Sa production par des cellules de cancer du sein en culture est corrélée avec l’effet antiprolifératif des anti-œstrogènes.

Facteurs de croissance actifs sur les lignées hématopoïétiques

Cinq substances stimulant la prolifération des lignées cellulaires à l’origine des cellules sanguines ont été caractérisées; leur efficacité est telle que certaines de ces molécules ont déjà donné lieu à des tests thérapeutiques.

L’érythropoïétine provoque la différenciation et stimule la prolifération des précurseurs précoces de la lignée érythrocytaire. Normalement produite par le rein, elle peut être aussi synthétisée anormalement dans certaines tumeurs (rein, foie, cervelet), provoquant alors une polyglobulie. Au contraire, l’insuffisance de sa production est responsable des anémies des insuffisants rénaux; cette anémie est efficacement corrigée par l’administration d’érythropoïétine produite par génie génétique.

Les CSF (colony-stimulating factors ) sont actifs sur la différenciation et la prolifération des précurseurs des globules blancs: granulocytes (G-CSF), monocytes et macrophages (M-CSF), ces deux types de cellules à la fois (GM-CSF); le multilineage CSF ou interleukine-3 (IL-3) a, quant à lui, de multiples actions biologiques et, notamment, stimule la prolifération des diverses lignées leucocytaires. Certains de ces CSF d’origine humaine se sont déjà révélés d’un extraordinaire intérêt thérapeutique en hématologie et en immunologie; ils pourraient représenter une véritable révolution dans le traitement des aplasies médullaires, et peut-être des leucémies et du S.I.D.A. Mentionnons enfin les cytokines et les lymphokines . Une cytokine est une substance, peptidique dans tous les cas connus, qui joue le rôle de messager intercellulaire. Les lymphokines sont sécrétées par les macrophages ou les lymphocytes et interviennent dans les diverses étapes de la réponse immune ^{[cf. CYTOKINES]}.

Facteurs de croissance et embryogenèse

Des molécules pouvant être assimilées aux facteurs de croissance quant à leur structure et à leur mode d’action interviennent très probablement dans le développement embryonnaire et la différenciation des différents tissus. Deux gènes du développement codent ainsi pour des protéines très proches d’EGF: il s’agit des gènes notch , intervenant dans le développement du système nerveux central de la mouche Drosophila melanogaster , et lin. 12 , contrôlant la différenciation des structures vulvaires chez le ver Caenorhabditis elegans . Par ailleurs, un grand nombre d’activités biologiques plus ou moins bien caractérisées ont été décrites comme étant indispensables à la prolifération ou (et) à la différenciation de types cellulaires particuliers: différentes classes de cellules gliales et de neurones (qui ne sont pas, loin de là, tous sensibles à NGF), mastocytes, etc.

Mécanismes d’action

Le mode d’action des facteurs de croissance est le même que celui de nombreuses hormones... qui peuvent, elles-mêmes, jouer un rôle de régulation de la croissance et de la prolifération cellulaire comme nous l’avons signalé à propos de l’insuline. Les facteurs se fixent à des récepteurs spécifiques transmembranaires qui, «activés», transfèrent le signal mitotique (on parle de «transduction du signal») vers l’intérieur de la cellule. L’activation provoquée par la fixation du facteur peut stimuler l’activité protéine kinase du récepteur. Celui-ci catalyse alors le transfert d’un phosphate de l’ATP vers un acide aminé qui est presque toujours ici une tyrosine (on parle d’activité tyrosine-kinase). Les cibles intracellulaires de l’activité tyrosine-kinase des récepteurs de facteurs de croissance sont mal connues, à l’exception du récepteur lui-même qui s’«autophosphoryle» (fig. 6). Les récepteurs de facteurs de croissance qui sont des tyrosines-kinases reconnues comprennent ceux d’EGF, de PDGF, de l’insuline, des IGF-1 et -2 et de M-CSF, la liste n’étant probablement pas close.

Un autre mode de transduction du signal mitotique est la stimulation par le récepteur activé d’une protéine fixant le GTP (G-protéine) qui va elle-même modifier l’activité de systèmes enzymatiques contrôlant la synthèse ou la dégradation de «seconds messagers» intracellulaires, ou l’état d’ouverture de canaux ioniques membranaires.

C’est ainsi que deux événements précoces lors de la stimulation d’une cellule à proliférer sont l’activation de la phospholipase C et l’ouverture de l’antiport sodium-proton. La phospholipase C catalyse l’hydrolyse de phospho-inositides membranaires en inositol triphosphate (IP³), qui provoque la libération du calcium des réserves du réticulum endoplasmique, et en diacylglycérol (DG), activateur de la protéine kinase C. Cette dernière enzyme est un intermédiaire important des processus biochimiques conduisant à la division cellulaire. Quant à l’ouverture de l’antiport sodium-proton, il provoque l’afflux de sodium dans la cellule et l’extrusion d’ions H⁺, d’où l’alcalinisation du milieu intracellulaire, indispensable au déclenchement de la synthèse d’ADN, donc à la mitose. Les étapes intermédiaires entre ces phénomènes précoces déclenchés par la fixation des facteurs de croissance à leurs récepteurs et le début de la synthèse d’ADN sont mal connus. Elles comportent, en tout cas, l’activation de l’expression d’oncogènes cellulaires (cf. infra ) qui codent pour des protéines nucléaires dont la présence est indispensable à la prolifération cellulaire (protéines c-fos , c-myc , p53..., entre autres).

Facteurs de croissance: de la révolution biologique à la révolution thérapeutique

C’est parallèlement, et de façon mutuellement éclairante, qu’ont progressé les recherches sur les oncogènes et les facteurs de croissance, aboutissant à un édifice scientifique impressionnant par sa cohérence et la rapidité de son acquisition. Les perspectives ouvertes par l’utilisation en thérapeutique humaine des facteurs de croissance ou des substances antiprolifératives apparaissent considérables. Au-delà de l’utilisation – dont l’efficacité est encore à l’étude – d’EGF comme stimulant de la cicatrisation de la peau ou d’ulcères gastriques et de NGF comme facteur trophique accélérant la récupération de dommages du tissu nerveux et améliorant peut-être les performances de sujets atteints de la maladie d’Alzheimer, ce sont les interleukines, les CSF et l’érythropoïdine qui représentent aujourd’hui le plus grand espoir thérapeutique.

D’ores et déjà, l’érythropoïétine, le G-CSF et le GM-CSF ont été utilisés pour traiter des aplasies médullaires, spontanées ou provoquées par un traitement anticancéreux, et se sont révélés d’une extraordinaire efficacité. Des résultats expérimentaux indiquent que ces substances pourraient aussi induire la différenciation, et donc la cessation de la prolifération de cellules leucémiques, constituant une nouvelle approche thérapeutique dont le principe n’est plus de détruire les cellules cancéreuses mais de les «guérir» en les forçant à se différencier en cellules normales. Des essais thérapeutiques des CSF dans le S.I.D.A. ont montré qu’ils constituaient une arme thérapeutique adjuvante extrêmement intéressante, augmentant beaucoup la résistance aux infections des malades traités. Enfin, les tentatives actuelles d’utiliser les interleukines, principalement IL-2, pour moduler l’immunité, notamment antitumorale, sont en plein développement. Le chemin aura donc ici été particulièrement court entre la première caractérisation moléculaire de ces substances et leur utilisation médicale.

Quant à l’utilisation des substances antiprolifératives, potentiels anti-oncogènes, elle a commencé avec les interférons et tout laisse penser qu’il pourrait s’agir là également d’une arme remarquable de lutte contre le cancer.

Encyclopédie Universelle. 2012.