De la fécondation à la naissance : comment se construit un être humain

Par un après-midi d'hiver de 1827, dans un laboratoire de l'université de Königsberg, Karl Ernst von Baer glissa l'ovaire d'une chienne sous son microscope et vit quelque chose que personne n'avait encore jamais réussi à confirmer. Niché à l'intérieur de l'un des petits follicules remplis de liquide se trouvait une seule sphère pâle : l'ovule des mammifères. On en soupçonnait l'existence depuis environ cent cinquante ans, depuis que les anatomistes avaient pour la première fois émis l'hypothèse que les mammifères, comme les oiseaux, devaient partir d'une sorte d'œuf, mais personne ne l'avait réellement observé de ses propres yeux. Von Baer, lui, le vit, et cette même année il publia le résultat dans un mince traité latin au titre grandiose, De Ovi Mammalium et Hominis Genesi, « Sur la genèse de l'œuf des mammifères et de l'homme ».

Cette unique observation marqua le véritable début de l'embryologie moderne, car elle identifiait le point de départ de toute vie humaine comme étant une seule cellule. Tout ce qui suit, les milliers de milliards de cellules d'un corps adulte, chaque organe, chaque nerf, chaque os, remonte à la fusion de cet ovule avec un spermatozoïde. La question à laquelle répond cet article est faussement simple : comment une cellule unique, sans plan accroché au mur ni contremaître pour diriger les opérations, parvient-elle à se replier sur elle-même jusqu'à devenir un être humain complet au cours de quarante semaines ?

Une rencontre qui n'a presque jamais lieu

La fécondation est bien plus rare et bien plus spécifique sur le plan géographique que sa réputation ne le laisse croire. Lors de l'éjaculation, un homme libère de l'ordre de deux cents millions de spermatozoïdes, un nombre énorme qui n'existe que parce que le voyage à venir est impitoyable. Les spermatozoïdes doivent parcourir toute la longueur de l'utérus et s'engager dans la trompe de Fallope, à contre-courant, à travers une chimie hostile, et la plupart d'entre eux n'y parviennent jamais. Sur ces deux cents millions, seules quelques centaines atteignent réellement l'ampoule, la large portion externe de la trompe de Fallope où a normalement lieu la fécondation.

Le facteur temps rend la rencontre encore plus étroite. Après l'ovulation, l'ovule ne reste viable que douze à vingt-quatre heures environ. Si les spermatozoïdes ne sont pas déjà en attente dans la trompe ou n'arrivent pas dans cette brève fenêtre, l'ovule dégénère et est perdu. La fécondation est donc rare, brève et fixée à un endroit précis du corps. L'image populaire d'une course effrénée s'achevant sur une arrivée triomphale n'est pas fausse, mais elle sous-estime le nombre de façons dont la rencontre peut tout simplement échouer.

La chimie de la rencontre du spermatozoïde et de l'ovule

Lorsqu'un spermatozoïde atteint enfin l'ovule, l'union n'est pas une simple collision mais une succession d'étapes moléculaires qui doivent se produire dans l'ordre. L'ovule est enveloppé d'une épaisse enveloppe externe appelée zone pellucide, une coque de glycoprotéines. Le spermatozoïde se lie d'abord à une glycoprotéine spécifique de cette enveloppe, un événement de reconnaissance qui contribue à garantir, dans des conditions normales, que l'ovule et le spermatozoïde appartiennent à la même espèce.

Cette liaison déclenche l'étape suivante. La tête du spermatozoïde porte une coiffe appelée acrosome, remplie d'enzymes. Au contact, la coiffe acrosomique déverse ces enzymes, qui creusent un passage à travers la zone pellucide pour que le spermatozoïde puisse atteindre la membrane de l'ovule lui-même. Les deux membranes fusionnent alors, et le contenu du spermatozoïde, y compris son noyau, pénètre dans l'ovule. À cet instant, deux noyaux haploïdes, portant chacun un seul jeu de vingt-trois chromosomes, se combinent en un seul noyau diploïde porteur de l'ensemble complet de quarante-six. Cette unique cellule ainsi combinée est le zygote, la première cellule d'un nouvel individu et la ligne de départ génétique de tout ce qui suivra.

Claquer la porte au nez d'un second spermatozoïde

À l'instant où le premier spermatozoïde fusionne avec l'ovule, un nouveau problème apparaît. Si un second spermatozoïde parvenait à entrer, la cellule résultante porterait trois jeux de chromosomes au lieu de deux, une condition triploïde, et un tel embryon ne peut pas se développer normalement. La solution de l'évolution consiste à verrouiller l'ovule dès le début de la fécondation, et elle le fait au moyen de deux mécanismes distincts qui agissent à des échelles de temps différentes.

Le premier est quasi instantané. En une fraction de seconde après la fusion, la membrane de l'ovule subit un changement rapide de sa charge électrique, une dépolarisation qui agit comme un blocage rapide, rendant momentanément impossible la fusion d'un autre spermatozoïde. Cette barrière électrique est rapide mais temporaire, une mesure d'urgence. Le second mécanisme est plus lent et permanent. Au cours des secondes et des minutes qui suivent, l'ovule libère des enzymes qui durcissent chimiquement la zone pellucide, transformant l'enveloppe autrefois réceptive en une coque impénétrable. Ensemble, ces deux réactions, le blocage électrique rapide et le blocage chimique lent, garantissent qu'un seul spermatozoïde apporte son génome. Sans elles, l'issue ordinaire de la fécondation serait une cellule triploïde condamnée, et une grossesse réussie serait l'exception plutôt que la règle.

D'une cellule unique à une boule de cellules creuse

Une fois fécondé, le zygote fait quelque chose qui ressemble d'abord presque à de la triche. Il se divise, puis se divise encore, mais il ne grandit pas. Le volume total reste à peu près constant tandis que le nombre de cellules augmente, si bien que chaque cellule successive est plus petite que la précédente. Cette phase précoce de division sans croissance s'appelle la segmentation, et elle suit une horloge remarquablement régulière, le nombre de cellules doublant à peu près toutes les vingt heures.

Le calendrier est facile à suivre. Vers un jour et demi il y a deux cellules, au quatrième jour une boule compacte d'environ seize cellules appelée la morula, et au cinquième ou sixième jour une sphère creuse appelée le blastocyste, dotée d'un amas interne de cellules (la masse cellulaire interne, qui deviendra l'embryon proprement dit) sur un côté d'une cavité remplie de liquide. Pendant tout ce temps, l'amas en croissance reste enveloppé dans la zone pellucide d'origine, inchangée, dérivant lentement le long de la trompe de Fallope vers l'utérus. Ce n'est qu'à son arrivée dans l'utérus que le blastocyste éclôt hors de cette enveloppe et s'enfouit dans la paroi utérine, l'événement appelé nidation, qui ancre la grossesse et amorce la longue collaboration entre l'embryon et la mère.

Trois feuillets qui deviennent un corps entier

Au cours de la troisième semaine suivant la fécondation, l'embryon effectue la manœuvre qui transforme une boule de cellules en les prémices d'un animal organisé. La masse cellulaire interne se réorganise en trois feuillets plats empilés les uns sur les autres, les trois feuillets embryonnaires : l'ectoderme à l'extérieur, le mésoderme au milieu et l'endoderme à l'intérieur. Cet agencement faussement simple est le plan directeur du corps tout entier, car chaque tissu d'un être humain peut être rattaché à l'un de ces trois feuillets.

Les attributions sont constantes et furent, à juste titre, établies par von Baer lui-même en 1828. L'ectoderme donne naissance aux surfaces externes et au système nerveux, notamment la peau, les poils, ainsi que l'ensemble du cerveau et de la moelle épinière. Le mésoderme produit les tissus structuraux et circulatoires : les muscles, les os, le sang, le cœur et les reins. L'endoderme forme les revêtements internes, le tube digestif et les organes qui en bourgeonnent, notamment les poumons, le foie et le pancréas. Une fois ces trois feuillets en place, le développement devient une affaire de plissements, de migrations et de signaux, à mesure que les feuillets se plient et interagissent pour sculpter les organes. L'essentiel de cette construction des organes, appelée organogenèse, s'étend approximativement de la troisième à la huitième semaine, et constitue la période la plus délicate et la plus vulnérable de tout le processus.

L'organe temporaire construit par deux personnes

Pendant que l'embryon met en place ses organes, un autre organe s'assemble en parallèle, et il n'appartient à aucun individu en particulier. Le placenta est un véritable organe, mais un organe étrange, construit à partir d'un mélange de tissu fœtal (le trophoblaste, les cellules externes du blastocyste) et de tissu maternel (l'endomètre, la muqueuse de l'utérus). Il est unique en biologie des vertébrés à plusieurs égards : il est entièrement reconstruit pour chaque grossesse, il dure toute la durée des quarante semaines et pas un jour de plus, il accomplit plusieurs tâches à la fois, et il est expulsé en même temps que le bébé puis éliminé.

Les fonctions du placenta méritent d'être détaillées, car il assure simultanément le travail de plusieurs organes adultes. Il prend en charge les échanges gazeux, apportant l'oxygène et évacuant le dioxyde de carbone à la place des poumons que le fœtus ne peut pas encore utiliser. Il gère la nutrition et les déchets, transmettant le glucose, les acides aminés et d'autres nutriments au fœtus tout en évacuant les déchets métaboliques. Et il fonctionne comme une glande endocrine, produisant des hormones qui maintiennent la grossesse et préparent le corps de la mère à l'accouchement et à l'allaitement. Il y a ici une idée fausse tenace qu'il vaut la peine de corriger, car elle figure parmi les erreurs d'étudiants les plus fréquentes de toute la matière : le sang de la mère et le sang du fœtus ne se mélangent pas. Les deux circulations restent entièrement séparées. Tous les échanges se font par diffusion à travers la fine membrane des villosités choriales, les projections fœtales en forme de doigts qui baignent dans des lacs de sang maternel. L'oxygène, les nutriments et les déchets traversent cette membrane, mais les deux courants sanguins ne se rejoignent jamais.

Quarante semaines en trois actes

La gestation humaine dure environ quarante semaines, classiquement divisées en trois trimestres d'environ treize semaines chacun, et chaque trimestre a ses propres priorités de développement, ses propres risques caractéristiques et ses propres jalons cliniques. Le premier trimestre est l'ère de la construction. C'est le moment où se produisent la fécondation, la segmentation, la nidation, la formation des trois feuillets embryonnaires et l'organogenèse, et comme le plan corporel de base est en train d'être posé, c'est aussi la période la plus vulnérable aux perturbations. Le deuxième trimestre concerne surtout la croissance et l'affinement, à mesure que les organes déjà formés mûrissent et grossissent et que les mouvements deviennent perceptibles. Le troisième trimestre est celui de l'achèvement et de la prise de poids, tandis que le fœtus s'alourdit, que les poumons mûrissent jusqu'au point de pouvoir respirer l'air, et que le corps se prépare à la vie au-dehors.

L'embryologie trace une ligne particulièrement nette dans cette chronologie, à la fin de la huitième semaine. Avant ce point, l'organisme en développement est appelé embryon ; après, fœtus. Cette distinction n'est pas une simple question de vocabulaire arbitraire. Elle marque le moment où l'organogenèse est essentiellement terminée, où les principaux organes ont été ébauchés et où le travail passe de la construction de nouvelles structures à la simple croissance de celles qui existent. Un embryon est en chantier ; un fœtus, pour l'essentiel, grandit.

Ce qui est remarquable dans toute la séquence des quarante semaines, c'est avec quelle précision on peut désormais la suivre. L'obstétrique moderne peut dater une grossesse à environ une semaine près, visualiser un cœur qui bat vers la sixième semaine, et identifier le sexe du fœtus vers la seizième semaine environ. C'est l'un des processus les mieux cartographiés de toute la biologie humaine, et son calendrier n'est fixé par aucune instruction extérieure, mais par le génome lui-même, ce même ensemble de gènes, s'activant et se désactivant dans un ordre fixe, qui a construit tous les êtres humains ayant jamais existé.

À retenir

Le développement humain commence lorsqu'un des quelques centaines de spermatozoïdes survivants, sur deux cents millions, atteint l'ampoule de la trompe de Fallope dans la brève fenêtre de douze à vingt-quatre heures de l'ovule, se lie à la zone pellucide, libère ses enzymes acrosomiques et fusionne pour former un zygote diploïde, après quoi un blocage électrique rapide et un blocage chimique lent scellent l'ovule contre tout second spermatozoïde qui créerait sinon une cellule triploïde non viable. Le zygote se segmente alors sans grandir, doublant à peu près toutes les vingt heures, de deux cellules à une morula de seize cellules au quatrième jour, puis à un blastocyste creux au cinquième ou sixième jour, le tout à l'intérieur de la zone pellucide d'origine, avant de s'implanter dans la paroi utérine et de se réorganiser, à la troisième semaine, en trois feuillets embryonnaires (ectoderme, mésoderme, endoderme) dont dérive chaque tissu, une attribution que von Baer lui-même a établie en 1828. L'organogenèse se poursuit jusqu'à la huitième semaine, la ligne de partage à laquelle l'embryon devient un fœtus, tandis que le placenta, organe temporaire construit conjointement à partir du trophoblaste fœtal et de l'endomètre maternel, prend en charge les échanges gazeux, la nutrition, l'évacuation des déchets et la production d'hormones pendant toute la durée des quarante semaines, sans jamais mélanger les deux courants sanguins distincts. La grossesse se déroule sur trois trimestres d'environ treize semaines, chacun avec ses priorités propres, dans une séquence si bien cartographiée que l'obstétrique moderne peut la dater à la semaine près, et dont pourtant tout le calendrier est écrit et exécuté par le génome.