Une équipe de recherche internationale dirigée par des scientifiques canadiens a découvert une explication probable pour l’un des aspects les plus insolites du développement des serpents : pourquoi les embryons s’enroulent en spirales serrées avant l’éclosion. Ce comportement de coiling semble aider les serpents à s’adapter à leurs corps exceptionnellement longs, qui les distinguent de tous les autres vertébrés.
Les résultats, publiés dans Current Biology, suggèrent que la forme en spirale se produit lorsque le corps de l’embryon s’allonge rapidement tandis que son intestin agit comme un ancrage. Cette contrainte physique fait que le corps en croissance se plie et se tord en une spirale à droite.
« C’est comme lorsque vous ajustez la longueur d’une sangle et que le côté plus long, qui se plie, tourne, » explique l’auteur principal et chef d’équipe, le Dr Tetsuto Miyashita, biologiste évolutif au Musée canadien de la nature.
Pourquoi les spirales se forment dans la nature
Cette découverte ajoute les embryons de serpent à une longue liste de structures en spirale naturellement présentes dont les scientifiques tentent encore de comprendre la formation.
« Il y a une part de mystère dans les spirales, et nous commençons à peine à comprendre comment ces formes se produisent chez les animaux, telles que notre intestin en boucle, les coquilles d’escargots, et maintenant ces embryons de serpent magnifiquement enroulés, » déclare l’auteur principal Alexandra Weber, actuellement étudiante diplômée en zoologie à l’Université de la Colombie-Britannique.
Ajoute Miyashita : « Ces énigmes éveillent notre curiosité. Après tout, les formes en spirale dans la nature ont inspiré des créations humaines allant des pâtes rotini, à un poteau de barbier ou même des représentations de la ‘Tour de Babel’ biblique. »
Le projet a émergé d’une circonstance inhabituelle. Pendant le confinement dû à la COVID-19 en 2020, Miyashita travaillait de chez lui et cherchait une question de recherche que ses étudiants pouvaient explorer sans accès à des laboratoires ou des collections de musées.
« Puis l’idée a germé. J’avais hérité de mon directeur de thèse cette fascination pour les asymétries dans les formes animales. Donc, chaque fois que je voyais des images d’embryons de serpents dans des articles, je me demandais s’ils s’enroulaient à droite ou à gauche. »
Cette question est devenue la base de l’étude.
Plus de 900 embryons de serpents examinés
Miyashita a demandé à Weber, qui était alors à l’Université Carleton, ainsi qu’à deux étudiants de premier cycle de l’Université d’Ottawa, de rechercher des recherches publiées et des bases de données de musées pour des photographies de serpents en développement.
« Nous avons obtenu des images de plus de 900 embryons provenant de 39 espèces de serpents et autres squamates sans membres. C’est un échantillon statistiquement robuste. »
Un schéma clair a émergé. Au cours des premières semaines après la ponte des œufs, les embryons semblaient ne s’enrouler que dans le sens des aiguilles d’une montre, c’est-à-dire à droite, vu de la tête à la queue.
« À ces stades, les embryons n’ont pas de muscles pour se déplacer, donc différentes forces les font s’enrouler à droite, » explique Weber. « Mais nous ne savions pas ce qui les faisait faire cela. »
Comme les embryons n’étaient pas encore capables de déplacer activement leurs corps, les chercheurs soupçonnaient qu’une caractéristique physique de leur développement était à l’origine de la torsion.
Des scans CT révèlent une structure intestinale cachée
Un indice crucial est venu du Dr Raul Diaz, un collaborateur de l’Université d’État de Californie à Los Angeles. Diaz a utilisé l’imagerie CT pour examiner les embryons de serpents en détail anatomique.
Les scans ont révélé une disposition inattendue à l’intérieur de l’animal en développement.
« Le scan CT d’un embryon de serpent réalisé par Raul a révélé une structure que nous n’avions jamais vue auparavant : c’était un pilier d’intestin s’étirant à travers la spirale du corps enroulé, » déclare Miyashita. « Il y a un intestin détaché du reste du corps, entouré de filaments de vaisseaux sanguins provenant du jaune. »
Cette observation a donné à l’équipe le mécanisme qu’elle recherchait.
Les embryons de serpent doivent s’allonger rapidement pour produire leurs corps allongés de manière inhabituelle, mais l’intestin ne grandit pas à la même vitesse. Ce décalage de croissance crée une contrainte mécanique qui aide à forcer le corps à se tordre en spirale.
« Ainsi, ils détachent l’intestin à croissance lente, qui est maintenant ancré au corps en allongement. Le corps se plie et se tord en spirale, » explique Miyashita. « Cette force de coiling est dirigée de manière à ce que les embryons grandissent du côté opposé du jaune. Et le jaune est toujours du côté gauche de l’embryon, d’où le fait que l’embryon commence toujours à s’enrouler à droite. »
Pourquoi la direction de l’enroulement change plus tard
Les embryons ne restent pas bloqués dans cet arrangement à droite tout au long de leur développement. Au fur et à me de leur croissance, le jaune devient plus petit, et les embryons gagnent plus d’espace pour changer de position. Leurs muscles mûrissent également, leur permettant de commencer à bouger par eux-mêmes.
« Certains restent enroulés à droite, mais d’autres se replient sur le côté gauche, » explique Weber. « Ainsi, la moitié de ces embryons proches de l’éclosion sont à droite et l’autre moitié à gauche. »
Les résultats suggèrent que la première direction de l’enroulement est imposée par l’anatomie de développement et les forces physiques plutôt que par un mouvement musculaire délibéré.
Pour Miyashita, la découverte illustre également comment une simple question d’observation peut mener à une compréhension biologique plus large.
« Les scientifiques ont longtemps été fascinés par la manière dont et pourquoi les serpents ont évolué vers cette forme corporelle étrange. Pour répondre à cette question, ils ont tendance à plonger profondément dans des recherches génétiques sophistiquées, en examinant les gènes Hox, les amplificateurs, etc., » dit-il. « Ces découvertes sont essentielles. Mais ici, à partir du confinement dû à la COVID, nous avons découvert le secret d’un serpent avec une approche étonnamment simple : il suffisait de faire défiler un album d’embryons de serpents et de noter dans quelle direction ils s’enroulaient, et d’examiner leur anatomie. »
Un nouveau modèle pour les spirales en biologie
Les chercheurs estiment que ce même modèle général pourrait éventuellement aider les scientifiques à étudier d’autres structures en spirale trouvées dans les organismes vivants.
« Nous ouvrons maintenant la possibilité de développer ce modèle pour expliquer d’autres formes en spirale dans la nature, » ajoute-t-il.
Weber est d’accord : « Tout cela a commencé par une curiosité de savoir si les serpents sont ‘droitier’ ou ‘gaucher’. Il a été passionnant de suivre cela jusqu’à des aperçus profonds sur leur évolution. »
L’équipe d’étude est composée de scientifiques, d’étudiants et de professeurs du Musée canadien de la nature, de l’Université de la Colombie-Britannique, de l’Université Carleton, de l’Université d’Ottawa, de l’Université d’État de Californie à Los Angeles et de l’Université d’Helsinki.
