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A/ Caractéristiques de l’hibernation (spermophiles)
L’hibernation est un état d’hypothermie régulée, durant plusieurs jours ou semaines qui permet aux animaux de conserver leur énergie pendant l’hiver. Durant l’hibernation, les animaux ralentissent leur métabolisme jusqu’à des niveaux très bas, abaissant graduellement la température de leur corps et leur taux respiratoire, et puisent dans les réserves de graisse du corps qui ont été stockées pendant les mois actifs.
L’hibernation fait partie des stratégies d'adaptation au froid.
Les animaux considérés comme hibernants sont les marmottes, les hérissons, les souris et les chauve-souris par exemple.
Nous avons choisis d’étudier le spermophile car c’est un rongeurs qui est beaucoup étudié pour ces caractéristiques lors de leur hibernation, il est également appelé écureuil à treize-bandes ou écureuil terrestre.
Les spermophiles vivent majoritairement dans l'hémisphère Nord (Eurasie et Amérique du Nord).
Ils habitent dans des plaines, des pelouses arbustives et des steppes et se nourrissent de végétaux, de graines et de plantes diverses.
On distingue trois grands types de ralentissement ou de cessation durant l'hiver des activités chez les homéothermes, dont seul le dernier peut être qualifié d'hibernation à proprement dite :
- La torpeur est un état physiologique qui s’arrête dès que l’air se réchauffe, c’est-à-dire que lorsque la température extérieure augmente, l’animal réajuste sa température interne en la diminuant légèrement afin de ne pas gaspiller d’énergie pour se réchauffer.
- La somnolence hivernale ou hivernation des carnivores comme l’ours et le blaireau, entrecoupée de nombreux réveils et accompagnée d’une hypothermie modérée, n’entraîne pas une interruption de toutes les activités physiologiques. Les organes vitaux restent à une température normale pour réagir en cas de danger.
- L’hibernation est une véritable léthargie et une diminution profonde de la température de l’animal. Cette température est toujours positive mais elle peut approcher de 0 °C. Dans le cas du spermophile sa température est d’environ 3,5 °C.
La grande majorité des mammifères est obligée de maintenir une température constante dans un environnement froid en régulant sa température par des processus physiologiques nommés thermogenèse.
Les Spermophiles sont des hibernants saisonniers. En dehors de la période d’hivernations, soit d’environ la fin du mois d’août à la fin du printemps, même si les conditions sont défavorables il n'hiberne pas. Huit ou neuf mois, le rongeur a perdu la moitié de son poids.
Pour les hibernants saisonniers, même si la température extérieure reste élevée, l’animal entre en hibernation. En captivité et en absence de stimulus extérieur, il y a toujours un phénomène d’hibernation mais le cycle commence de plus en plus tôt dans l’année. C’est un rythme d’hibernation endogène mais dans les conditions naturelles, l’entrée en hibernation est resynchronisée par les conditions extérieures pour débuter et finir aux moments stratégiques.
Les facteurs comme la photopériode et la température synchronisent ces rythmes. Pour une même espèce, l’entrée en hibernation est plus précoce quand la population est plus nordique ou plus haute en altitude.
Plusieurs mois avant la période d’hibernation, les hibernants stockent et consomment énormément de nourriture. Par exemple, le spermophile passe de 150 grammes de masse corporelle à 350 grammes. Les réserves sont essentiellement des réserves lipidiques stockées sous la peau.
Les hibernants aménagent ensuite leur terrier que l’on nomme une hibernaculum. Celui-ci est choisi pour éviter des variations thermiques importantes. Les animaux se mettent dans une position qui garde le maximum de chaleur, généralement en boule.
La température corporelle de l’animal chute alors de façon spectaculaire, environ 3,5 °C pour le spermophile. La thermorégulation ne s’arrête pas et la thermogenèse se remet en route pour maintenir la température intérieure de l’animal à une température acceptable. L’hibernation n’est pas un état passif.
Les hibernants sont généralement des animaux de taille moyenne.
S’ils sont trop petits, ils possèdent un métabolisme très élevé qui empêche des longues périodes d’hibernation, car même avec un rythme cardiaque plus faible, les réserves seraient insuffisantes.
S’ils sont de grande taille, le métabolisme est relativement bas, donc la remontée de température demanderait plusieurs jours, ce qui est difficilement envisageable après une période d’hibernation. Les scientifiques pensent que pour que l'hibernation soit un gain pour la survie de l'animal, il ne doit pas dépasser 7 kg. Au-delà, l'énergie nécessaire lors des périodes de réveil serait trop conséquente.
Pour les hibernants, l’hibernation est toujours rentable du point de vue énergétique et correspond à une économie d’énergie. Par exemple, pour une souris américaine Perognathus, si elle entre en hibernation pour 100 heures, elle consomme 7,7 ml d’oxygène par gramme de son poids, alors que pour une même période en empêchant l’entrée en hibernation, elle consomme 40 ml d’oxygène par gramme pendant 100 heures pour se maintenir à 37 °C.
B/ Conséquences métaboliques
Chez l’homme, explique Elena Gracheva, directrice du Laboratoire de physiologie sensorielle de l'université Yale, aux Etats-Unis, notre corps et notre cerveau nous donne l'ordre de nous réchauffer lorsque les températures sont basses. C'est un mécanisme de défense universel.
Pour cela, les scientifiques ont mené des expériences sur le spermophile rayé. Ce dernier a fait de l'hibernation un mode de vie.
Au cœur du dispositif se trouve la tolérance au froid. Les scientifiques ont proposé aux rongeurs mais aussi à des souris de choisir entre un plateau à 30 °C et un autre, dont la température pouvait varier de 20 °C à 0 °C. Les souris ont clairement refusé d'avoir froid et opté pour le plus chaud. Les spermophiles n'ont manifesté aucune préférence, du moins jusqu'à l'approche de 5 °C.
Les chercheurs de Yale se sont penchés sur le canal TRPM8, un récepteur normalement activé par le froid mais aussi par le menthol. Des gènes aux neurones, en passant par les acides aminés, ils ont suivi cette voie, chez les souris comme chez les spermophiles. Ils ont pu constater que les neurones spécialisés associés à ce fameux canal étaient aussi nombreux chez les unes que chez les autres. Pourtant, ils ont enregistré une différence majeure : s'ils réagissent pareillement aux impulsions électriques ou aux signaux chimiques, leur réponse au froid diffère radicalement. Pour en cerner plus précisément la cause, ils ont procédé à ce que les scientifiques nomment de la « rétro-ingénierie ». Ils ont pu constater qu'en modifiant six acides aminés dans les protéines, ils pouvaient rendre une souris insensible au froid ou au contraire rendre sensible un spermophile au froid.
Il reste cependant encore à déterminer ce qui se passe au-dessous de 5 °C, une température que perçoivent cette fois clairement les neurones associés à TRPM8 mais qui laisse de marbre notre spermophile, habitué aux hivers rigoureux.
La diminution de la température interne entraîne un ajustement des différentes fonctions. Le métabolisme diminue de 98 %.
Il y a une diminution de la consommation d’oxygène, du rythme respiratoire, du rythme cardiaque (de 350 à 3 battements par minute pour le spermophile), du flux sanguin (il y a une irrigation particulière au niveau du cerveau, du cœur et du tissu adipeux), du taux d’hormones de croissance.
Le système nerveux est réactionnel (réflexe de défense). Cependant, seules les aires cérébrales jouant un rôle dans les fonctions végétatives autonomes (comme la respiration) restent véritablement actives. Les autres régions ne montrent pas d'activité corticale spontanée (dédié aux mouvement). Mais l’animal réagit aux bruits et au toucher notamment.
La diminution de la vitesse de circulation du sang nécessite un abaissement de sa coagulabilité pour éviter le risque de formation de caillot. Ceci se fait par une baisse du taux de plaquettes et des facteurs de la coagulation.
Les périodes de sommeil sont caractérisées du point de vue respiratoire, par des bouffées de cycles respiratoires entrecoupées d'apnées prolongées. Les faibles échanges gazeux au niveau des poumons contribuent à l'accumulation dans l'organisme de dioxyde de carbone dissout, ce qui acidifie le sang.
Au cours de l’hibernation, il y a des réveils périodiques à des moments variables, mais très rares, et de plus en plus fréquents quand on arrive à la fin de l’hibernation. Le réveil peut durer quelques heures et correspond à une remontée de température rapide. Ceci pour tous les hibernants, avec une périodicité variable. Dans le cas du spermophile, il se réveille tous les 15 jours. Pendant ces réveils, l’animal tourne dans l’hibernaculum, mange, urine et se rendort.
Des expériences d’ablation des neurones de l’hypothalamus ont montré une suppression de ces réveils et une mort de l’animal. Ces réveils sont donc fondamentaux, ils permettent notamment d’éliminer les déchets du métabolisme dont l’accumulation est très toxique. Ces réveils font intervenir la thermogenèse soit la production de chaleur physiologique, en utilisant le tissu adipeux brun. 90 % de la perte de poids pendant l’hibernation est due à ces phases de réveil.
Il est remarquable que la zone CA3 du cerveau d'un animal en hibernation subisse les mêmes régressions synaptiques que le cerveau d'une personne atteinte de la maladie d'Alzheimer, or celle-ci sont réversibles. Elle seraient le produit d'hyperphosphorylations de protéines tau produites par les cellules du cerveau (irréversible chez les malades d'Alzheimer), et de déphosphorylations lorsque les connexions se reforment. Ces protéines tau font partie de la famille des protéines associées aux microtubules. Chez les humains, ces protéines sont surtout présentes dans les neurones. Une des principales fonctions des protéines tau est d'interagir avec la tubuline afin de moduler la stabilité des microtubules des axones.
Le type d'acide gras consommé influence le métabolisme et la durée de l'hibernation. Les graisses polyinsaturées stimulant/allongeant l'hibernation alors que les graisses saturées réduisent l'hibernation.
En revanche, les graisses de type graisse polyinsaturées riche en oméga 3 réduisent l'hibernation alors que les graisse polyinsaturée riche en oméga 6 promeuvent l'hibernation.
Les facteurs internes telles que la baisse des réserves internes on un facteur sanguin ont été mis en évidence. En injectant du sang d’un spermophile hibernant dans un spermophile non hibernant, on constate que le spermophile non hibernant devient hibernant. Les facteurs internes d’hibernation circulent donc dans le sang (ces facteurs sont encore mal connus).
Au niveau du foie sont produites des protéines formant un complexe : HPc. Ce complexe de protéine d’hibernation est composé des protéines HP20, HP22, HP27 et HP55. Une diminution du taux sanguin de ces HPc précède l'hibernation. Le cycle est inversé au niveau du liquide céphalo-rachidien (LCR) : en effet, le maximum du taux de HPc y est atteint pendant l'hibernation. Notons également que la protéine HP50 n'est jamais présente dans le liquide céphalo-rachidien, mais celui-ci contient la HP20. Cette protéine passerait du sang vers le LCR au niveau du plexus choroïde, la région du cerveau où ce liquide est produit.
Selon des études récentes, l'aire pré-optique de l'hypothalamus permet la baisse du point de consigne de l'organisme jusqu'à 2 °C chez certaines espèces.
Le système reproducteur serait également impliqué dans l'inhibition de l'hibernation. Expérimentalement, l'injection de testostérone provoque la fin de l'hibernation.
Les processus cellulaires sont stoppés ou tout au moins fortement ralentis de plusieurs manières :
Des groupes phosphoryles se fixent sur les pompes à sodium et sur les pompes à potassium, empêchant ainsi les échanges de ces ions entre les compartiments intracellulaires et extracellulaires. De plus, des groupements phosphoryles s'attachent aux ribosomes, ce qui bloque la biosynthèse des protéines.
Alors que l'énergie cellulaire est en temps normal principalement tirée de l'oxydation de molécules de glucose, ce sont les lipides qui deviennent la source d'énergie prioritaire pendant l'hibernation.
Une acétylase favorise la transition des histones de leur état acétylé vers l'état désacétylé. Ceci provoque une forte condensation de l'ADN, qui s'enroule alors plus étroitement autour des histones, et rend les gènes beaucoup moins accessibles.
En outre, les ARN polymérases ne sont plus actives, ce qui réduit encore les possibilités de transcription.
Dans les tissus adipeux bruns, la membrane interne des mitochondries possède des protéines découplantes qui laissent passer facilement les protons (destruction du gradient permettant la production d’ATP), permettant ainsi de diminuer le gradient de concentration entre les deux compartiments situés de part et d'autre de cette membrane. Une moins grande quantité d'ATP est ainsi produite par l'ATPase. Le flux de protons alimente donc principalement l'élévation de la température par les protéines découplantes. Lors de l'hibernation, l'activité de ces protéines découplantes est diminuée.
La sortie de l’hibernation se caractérise par un réchauffement rapide des différentes parties du corps, une augmentation de la fréquence cardiaque, etc. Ces mécanismes sont plus rapides que ceux de l’entrée en hibernation. Tout est rétabli en quelques heures.
La membrane des cellules animales est formée d’une bicouche lipidique fluide à température normale. Le froid quand la température approche de 0 °C entraîne une disparition de la fluidité de la membrane sauf chez les hibernants car les lipides de leurs membranes ont des acides gras insaturés en concentration supérieure à celle des non-hibernants. De plus ces derniers possèdent des protéines « chaperones » protégeant les lipides d’une modification de leur phase (les acides gras gardent leur fluidité dans la membrane).
C/ Intérêt en médecine
Le refroidissement permet une survie plus longue en cas de noyade par exemple, ce qui autorise une réanimation même après un arrêt cardiaque prolongé. La préservation des tissus par le refroidissement est aussi mise à profit pour les transplantations, que ce soit pour le transport des organes, ou pour le receveur dans le cas de transplantation cardiaque, qui nécessite une interruption provisoire de la circulation sanguine.
Les études sur le froid permettrais également dans les domaines de la chirurgie cardiaque ou les transplantations d'organes, un précieux recours pour les médecins. En effet, il préserve mais, dans le même temps, il abîme.
Bibliographie (3 points):
Déposez ici la bibliographie de votre exposé de TP pilote, en respectant les normes rédactionnelles. Veuillez indiquer les noms des personnes composant le groupe, le TD, le TP de physique, et l'application retenue en tête du document. A rendre pour le 2 mars dernier délai. Elle sera composée de la manière suivante: 6 sources d'information tirées des bases Techniques de l'ingénieur, Europresse, ULysse :
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Wikipédia : https://fr.wikipedia.org/wiki/Hibernation
Consulté le 21/01/20
https://nouveau-europresse-com.bases-doc.univ-lorraine.fr/Search/ResultMobile/0 Europresse
Le Monde
Science & Médecine, mercredi 10 janvier 2018 627 mots, p. SCH8
Le Monde Science et médecine
L'écureuil à treize bandes, un modèle d'hibernation
Nathaniel Herzberg
https://nouveau-europresse-com.bases-doc.univ-lorraine.fr/Search/ResultMobile/9 Europresse
La Recherche, no. 532
Actualités, jeudi 1 février 2018 48 mots, p. 28
MOINS SENSIBLES AU FROID GRÂCE À L'HIBERNATION
Appareil servant à mesurer la quantité de chaleur dégagée ou absorbée par un corps, dans certaines conditions. Ensemble des méthodes permettant de mesurer la quantité, les échanges de chaleur.
