Quiconque a connu le décalage horaire connaît la puissance de l'horloge biologique. Presque tous les organismes, de l'homme à la plus petite des bactéries, ont un système intégré qui leur dit s'il est temps de se reposer ou d'être actif. La plupart des horloges biologiques fonctionnent de manière autonome, mais certaines bactéries dépendent de la lumière pour synchroniser leur horloge tous les jours. À l'aide de calculs mathématiques, des chercheurs de l'AMOLF et de l'Université du Michigan ont maintenant démontré qu'une horloge autonome souffre beaucoup moins du bruit, telles que les fluctuations de la lumière du soleil dues aux nuages. Les résultats de la recherche ont été publiés en ligne le 14 août 2018, dans la revue scientifique Lettres d'examen physique .

Pratiquement tous les organismes ont un rythme jour-nuit, par lequel ils mangent et dorment à des moments fixes de la journée, par exemple. Ce rythme est dicté par les concentrations de protéines dans les cellules de l'organisme qui oscillent sur une période de 24 heures. Ceux-ci comprennent l'horloge circadienne.

Décalage horaire

Chez la plupart des espèces, l'horloge circadienne ne dépend pas de signaux externes comme la lumière et l'obscurité. « Si vous deviez enfermer des personnes ou des animaux dans une pièce sans lumière, alors ils auraient encore besoin de sommeil ou de nourriture à un rythme d'environ 24 heures. Néanmoins, notre horloge biologique est sensible à la lumière et à l'obscurité, " dit Pieter Rein ten Wolde, qui dirige le groupe Réseaux Biochimiques à AMOLF. « La période d'environ 24 heures est fixée, mais les phases peuvent changer. Si nous voyageons à l'autre bout du monde, il faut ensuite du temps pour s'adapter, c'est le phénomène bien connu du décalage horaire. Cependant, nous reprenons rapidement le rythme jour-nuit décalé du nouvel environnement."

Certaines bactéries, cependant, avoir ce que les biologistes appellent une horloge en sablier. Ces horloges doivent être réinitialisées à la lumière tous les jours. Si cela n'arrive pas, puis l'horloge s'arrête. Ten Wolde :« De telles horloges en sablier se trouvent dans certains types de cyanobactéries, les algues bleues qui polluent maintenant les eaux de baignade à de nombreux endroits. D'autres espèces de cyanobactéries ont une horloge biologique autonome, bien que. A l'aide de modèles mathématiques, nous avons étudié quel est l'avantage des horloges circadiennes autonomes."

La modélisation

Les chercheurs ont découvert que l'effet du bruit diffère pour les deux types d'horloge. Pour une horloge biologique, variations de l'intensité de la lumière solaire dues aux nuages, par exemple, sont une source importante de bruit. "Nous avons découvert que les horloges autonomes sont beaucoup moins sensibles à un tel bruit, " dit Ten Wolde. " Nous pouvons modéliser une horloge sablier comme un pendule. Tant qu'un signal externe le pilote, il reste en mouvement. Un mécanisme d'entraînement puissant assure des oscillations de grande amplitude et donc une meilleure indication de l'heure. Dans le cas d'un couplage fort, cependant, de petits changements dans le signal d'entrée sont également amplifiés, ce qui rend plus difficile de dire l'heure avec précision. Inversement, un couplage faible limite l'influence du bruit, mais avec un couplage si faible, il est difficile de maintenir les oscillations, en d'autres termes le mouvement du pendule."

Il est donc impossible de minimiser l'effet du bruit dans le cas d'une horloge sablier. Horloges autonomes, d'autre part, continuer à bien osciller sans avoir besoin d'un mécanisme d'entraînement externe. Pour ces horloges, un faible couplage avec la lumière extérieure suffit à remettre l'horloge à l'heure en cas de grands décalages dans le rythme quotidien, comme un voyage sur un autre continent. Par conséquent, les horloges autonomes sont beaucoup moins gênées par le bruit et sont plus robustes. "Nous avons trouvé ce résultat à la fois dans les modèles que nous avons spécifiquement développés pour les horloges biologiques des cyanobactéries ainsi que dans un modèle mathématique plus général pour les horloges, " explique Ten Wolde. " La fiabilité en cas de bruit extérieur est probablement la raison pour laquelle tous les organismes supérieurs ont une horloge biologique autonome. On ne sait pas pourquoi les horloges en sablier se trouvent encore dans la nature. Bien que ceux-ci soient désavantagés en cas de bruit extérieur, les horloges en sablier offrent peut-être un avantage s'il y a beaucoup de bruit dans l'organisme."