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L'homme et le temps:

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L'horloge biologique
Introduction

Dans la société contemporaine, la gestion du temps est une des priorités de l’homme. Tous les matins, enfants et parents se pressent pour ne pas arriver en retard sur leur lieu de travail. La routine s’installe très vite et les perturbations nous énervent.
Mais pourquoi l’homme s’habitue-t-il si vite à des rythmes aussi variés ? Comment se fait-il que nous nous réveillions alors que notre réveil est en panne ?

Ces questions sur la vie courante nous amènent à penser qu’il existe une horloge biologique qui régule notre organisme en s’adaptant à notre train de vie. Mais si cette horloge existe réellement, est-elle unique ou plurielle ? Comment fait-elle pour agir sur notre corps ? Et si elle existe, est-il possible de la manipuler pour accélérer son temps d’adaptation (dans le cas du jet-lag par exemple) ?


Rythmes biologiques

Introduction

Avant d’en venir à l’horloge biologique nous devons en premier lieu nous intéresser aux rythmes biologiques qui sont la base de l’horloge biologique. Il existe beaucoup de rythmes biologiques et tous les expliquer prendrait beaucoup de temps et notre TPE n’étant pas sur l’horloge biologique mais sur le temps je n’expliquerai que le fonctionnement des rythmes les plus importants et les plus intéressants pour l’homme.

I)Rythmes circadiens

1)Définition

Tous les êtres vivants - végétaux, animaux, êtres humains - sont soumis à des rythmes biologiques, c'est-à-dire à des phénomènes biologiques qui se répètent à intervalles réguliers dans le temps. Ce rythme est dit circadien - du latin circa, environ, et dies, jour - quand sa période est d’environ 24 heures. Chez l'homme, l'alternance veille - sommeil, entre autres, obéit à un rythme circadien.

2)Caractéristiques

Les nombreuses phases (actives ou de repli) de ces rythmes sont capitales pour notre organisme et relèvent d’une véritable programmation dans le temps de nos activités métaboliques , nerveuses ou encore endocriniennes, ce qui permet de synchroniser l’organisme à notre train de vie. Comme nous le savons l’homme est un animal à activité diurne, et tous ses rythmes biologiques sont liés à la nécessité de faire face, autant physiquement qu'intellectuellement, à son activité durant la journée. Ce qui signifie en clair que les variations biologiques telles que les performances du système nerveux (à savoir l’attention, la coordination motrice ou encore la mémoire) ainsi que la force musculaire, la fréquence cardiaque et respiratoire atteignent leur maximum au cours de la journée. A l’inverse, d’autres variations biologiques, comme le taux de lymphocytes qui participent à la défense anti-infectieuse de notre organisme, sont au maximum au milieu de la nuit.

On constate en outre que d’autres phénomène subjectifs sont régis également par des rythmes circadiens tel que la somnolence, la faim ou encore l’intensité de la douleur subie. Ces phénomènes subjectifs sont aussi psychologiques tel que par exemple la vitesse du calcul mental, le temps de réaction à un signal, la dextérité de la main conduite par l’oeil et bien d’autres encore. Ces performances atteignent leur maximum vers 15h et leur minimum vers 3h du matin.

Cette notion de minimum et de maximum a une réelle importance, non seulement théorique, mais surtout pratique. En effet, des experts ont constaté que les accidents de voiture ou d’avion qui sont dues à une erreur humaine se produisent presque toujours vers 3 heure du matin, heure ou potentialités physique, psychologiques et intellectuelles des êtres humains sont à leurs creux le plus total.
Effectivement, c’est à cette heure là que les réponses, les réflexes sont les plus lents, c’est pourquoi certains chronobiologistes dont Charles Ehret ont affirmé que l’ampleur de l’accident à l’usine nucléaire de Three-Mile-Island était due au fait que la centrale s’étant emballée à trois heures du matin, les ingénieurs ont été incapables de prendre les bonnes décisions à temps.

3)Rythme circadiens: phase active/ phase de repli

Durant la journée, notre vigilance est caractérisée par les phases actives et les phases de repli, sa courbe représentative est une sinusoïde. Ces pics et ces creux sont repérable à la même heure chez tous les humains et dans toutes les parties de la planète et ceux-ci sont régis par la lumière du soleil. Cette vigilance est directement précédée par une autre courbe parallèle qui est celle de notre température corporelle. Lorsque la température s'élève, notre organisme se prépare à une phase active, éveillée, efficace. Et a l’inverse lorsque la température baisse la vigilance baisse également et notre organisme connaître une baisse de ses capacités.
Ce qui nous amène à nous poser une question sur le rythme imposé par l’éducation nationale aux enfants et aux étudiants, tel que l’heure des siestes à l’école, ou l’heure des cours qui ne correspond pas aux meilleurs périodes d’activités intellectuelle, ou même le concept des vacances d’été qui devrait changer car c’est à cette période que l’apprentissage est le plus efficace tous simplement car la lumière est très présente à cette période de l’année.

Sur le schéma ci-après nous voyons clairement que ce rythme est essentiel en heure solaire car il est formée d’une phase active et chaude entre 5 et 8 du matin puis une phase de repli, de fatigue physique et psychique entre 11 et 14 heures, en suis une seconde phase active et de haute vigilance entre 17 et 20 heures, enfin entre 2 et 5 heures du matin notre organisme est au minimum de ses capacités.

SCHEMA DE L’ACTIVITE D’UN INDIVIDU DURANT LA JOURNEE II)Rythmes infradiens

Les rythmes infradiens sont des rythmes lents. Ils peuvent être mensuels, saisonniers ou annuels. Certaines insomnies sont rythmées par le cycle mensuel et les statistiques de criminalité montrent une indiscutable aggravation au moment des pleines lunes. D'autres rythmes, encore plus lents, saisonniers, bi-annuels, annuels, voire tous les trois ou cinq ans, sont repérables chez certains d'entre nous : signes dépressifs minimes survenant chaque année à la même période, besoin plus important de sommeil et sensibilité accrue aux infections en hiver.

Exemple

Chez les mammifères en général trois organes interviennent principalement dans la sécrétion d’hormones régulant l’activité sexuelle : Les gonades, l’hypophyse et l’hypothalamus dans la partie inférieure du cerveau. Les ovaires sécrètent deux hormones essentielles : l’œstradiol et la progestérone qui agissent principalement sur la maturation des ovocytes. L’hypophyse libère dans le sang deux hormones appelées FSH et LH, elles commandent l’activité des gonades. L’hypothalamus secrète une hormone : la GnRH qui va agir sur les cellules du lobe antérieur de l’hypophyse.
Le cycle menstruel comporte deux phases : la phase folliculaire et la phase lutéale. Au cours de la phase folliculaire, sous l’action du FSH, des ovocytes sont sélectionnés dans les ovaires et reprennent leur croissance normalement interrompue depuis la vie anténatale. Ces follicules sécrètent de l’œstradiol qui passe dans la circulation sanguine. Après sept à huit jours, un follicule se différencie par une croissance plus rapide, c’est ce follicule qui arrive à maturation au cours du 14° jour du cycle. L’élévation en oestradiol dans le sang déclenche par rétroaction le pic de LH du milieu du cycle. Ce pic provoque l’expulsion de l’ovule dans la cavité péritonéale.
La phase lutéale est la période qui précède les règles, elle dure entre 12 et 14 jours. Le follicule qui a libéré l'ovocyte cicatrise très vite et devient le corps jaune, il produit une quantité importante de progestérone. La progestérone a pour but de préparer la muqueuse utérine à la nidation de l'œuf.

SCHEMA SUR LES ORGANES SECRETANT LES HORMONES

L'activité sexuelle est basée sur la variation des activités neuronales et hormonales. Les variations annuelles de l'activité s exuelle des mâles de nombreuses espèces vertébrés (dont l'homme) sont liées à celle d'une hormone : la testostérone. Cette hormone n'est qu'un des facteurs qui contrôlent le rythme annuel de l'activité sexuelle et non pas l'unique facteur (autre hormone : la prolactine chez le bélier par exemple). Cependant, chez l'homme, seul le rythme annuel de sécrétion de testostérone est identifié comme étant lié à l'activité sexuelle, bien qu'il en existe sûrement d'autres.

En étudiant la sécrétion de la testostérone, on constate qu'il existe un rythme circannuel endogène de l'activité des gonades chez le mâle (testicules). Ainsi, on peut observer une activité maximale des diverses fonctions testiculaires, y compris un pic de sécrétion de la testostérone à la fin de l'été et au début de l'automne. Au contraire, le creux de l'activité sexuelle de l'homme, comme celui de la sécrétion de testostérone se situerait en février-mars

Ce rythme circannuel a de nombreuses conséquences sur la société. Effectivement, il en résulte un fort pic de naissance en mai car l'activité sexuelle est à son maximum au moi d'août, neuf mois plus tôt. Une étude commune entre différents scientifiques américains et français de Houston et Paris a également pût mettre en évidence l'existence d'un rythme annuel du nombre de viols. Le pic se situe en août-septembre et le creux en février-mars. Lorsqu'un violeur est jugé, condamné, mis en prison, puis relâche dans un délais plus ou moins bref, la récidive a alors souvent lieu en août-septembre. La recrudescence des viols vers la fin de l'été est maintenant un fait établi. Informer de l'existence de ce risque saisonnier peur déjà avoir une utilité de nature préventive. Mais, l'activité sexuelle de l'humain n'est pas faite, loin de là, que de rythme réguliers de sécrétions neurohormonales, comme la période annuelle du rut chez les animaux par exemple.

L'Horloge Biologique
I)Introduction

Nous avons vu précédemment que notre organisme est organisé en rythmes de périodes variables, mais une question se pose: existe-t’il une horloge biologique qui régit tout? Notre horloge biologique doit osciller, c'est-à-dire présenter des périodes propres aux différents rythmes, et en outre conserver ces cycles sans être influencée par des signaux externes. Enfin, il faut que celle-ci soit capable d’être remise à l’heure par rapport aux différents caractères environnementaux extérieurs. Ceci implique donc que notre horloge biologique doit être réceptive à notre cadre de vie et qu’il existe une connexion entre celle-ci et les signaux extérieurs de l’environnement pour qu’une synchronisation soit possible. D’après ce qu’on a pu constater avec les rythmes biologiques on peut penser que ce sont les cycles de lumière qui ont le principal rôle de synchronisateur.

II) Isolation temporelle

Une expérience qui a été réalisée chez un sujet volontaire (Michel Siffre) sur l’isolation temporelle a permis des découvertes très intéressantes sur les rythmes profonds :
Sans nos synchronisateurs que sont nos rythmes sociaux et les alternances jour/nuit, le rythme circadien n’est pas de 24 heures mais de 25 heures. Au commencement de l’étude, la périodicité du rythme veille/sommeil suit celle de la température corporelle et s’organise sur 25 heures. L’individu se lève et se couche donc en se décalant d’une heure tous les jours par rapport à ses horaires «normaux».
Après quelques semaines, des anomalies du rythme veille/sommeil apparaissent. En effet, certains cycles jour/nuit atteignent 60 heures alors que d’autres ne durent que 12 heures.
Cependant, alors que le rythme veille/sommeil est déréglé, le rythme de la température reste constant et stable sur 25 heures.

On peut donc constater que le sujet vit à contretemps de ses rythmes de température. Effectivement, il dort en phase chaude (phase active) et travaille ou encore mange en phase froide (phase de repli).
La relation entre la température (ou autre constante biologique) et les rythmes éveil/sommeil n’existe donc plus; on assiste alors à une désynchronisation interne.

III)Oscillateurs

Avec cette expérience, on a la preuve qu’il n’existe non pas une mais deux horloges biologiques, on parle alors d’oscillateur:

-L’oscillateur fort: il dépend peu de l’environnement extérieur et des repères qui donnent le temps tel que l’heure des repas, l’heure de lever ou encore les rythmes sociaux. C’est de l’oscillateur fort dont dépendent les rythmes de températures vus dans l’expérience précédente. Les rythmes de l’oscillateur fort sont très stables et extrêmement peu soumis à l’environnement extérieur, on parle alors d’un caractère endogène prépondérant. C’est pourquoi, en d’un vol longue distance, ou lors de décalage horaire saisonnier, l’organisme mettra souvent plusieurs semaines à s’adapter.

-L’oscillateur faible: il est beaucoup plus sensible aux modifications de l’environnement et se dérègle vite au moindre changement. Il contrôle notre vigilance, et synchronise nos rythmes veille/sommeil.
Cet oscillateur a une résistance très faible aux changements mais s’adapte très vite aux modifications brutales de l’environnement.
En effet, en cas de vol longue distance par exemple, nous dormirons la nuit et nous nous éveillerons le jour en très peu de temps.

SCHEMA SUR LES OSCILLATEURS


Rythmicité des oscillateurs

Si les oscillateurs ont des périodes aussi régulières, cela implique qu’ils ne sont pas seulement fonction de facteurs exogènes. En effet, certaines études ont montrées que les cellules placées en isolation temporelle conservaient une rythmicité d’environ 24 heures. Cela est du à l’enchaînement de réactions chimiques qui ont lieu en sont sein sans discontinuer :

Cette suite se répète régulièrement et la majorité des organismes unicellulaires fonctionnent ainsi selon un rythme spontané de 24 h. Ce cycle cellulaire persiste quand la cellule est complètement isolée du monde extérieur, ce qui indique une origine endogène, liée aux métabolismes cellulaires et aux gènes. Dans le foie d'un animal nocturne comme la souris, les mitoses se produisent à un moment assez précis, vers 12 h, et elles dépendent de toutes les autres synthèses cellulaires qui précèdent.

Rythmicité des organes unicellulaire

Dans le cas du rythme nycthéméral, ou rythme d’éveil sommeil, on observe cette fois non pas un enchaînement de réactions, mais plutôt un enchaînement de sécrétions
Les sujets matinaux ont une vigilance, des performances psychiques, sensorielles et motrices maximales au réveil. Elles décroissent ensuite progressivement pour conduire au sommeil.
Pour les sujets vespéraux, le réveil s'accompagne d'une élévation modérée de la vigilance. Les performances augmentent ensuite tout au long du jour pour culminer dans les heures qui précèdent le sommeil.

Jet Lag: Le décalage horaire

Introduction

Comme on l’a vu, une horloge biologique régie et synchronise notre rythme biologique.
Or, certains phénomènes tel que le décalage horaire provoquent un certain de dérèglement de ce système par une variation des paramètres extérieurs qui sont les repères de notre horloge biologique.

I)Définition

Le décalage horaire ou jet lag qui est le terme anglais, désigne les troubles physiques et psychologiques qui sont dus à un vol en avion.
Pour que les troubles soient constatés il faut que le vol traverse au minimum quatre fuseaux horaires mais pas pour les vols allant du nord au sud ou du sud au nord (un vol Paris-Londres n’a pas d’influence contrairement à un vol Paris-Tokyo).

Le décalage horaire maximal est de douze heures. En effet, traverser 14 fuseaux horaires vers l’Est revient à n’en traverser que 10 (=24-14) vers l’ouest.

II)Symptomes

La désynchronisation de l’horloge entraîne chez l’être humain les troubles suivants:

• -troubles du sommeil et fatigue plus moins intense
• -difficultés de concentration
• -vertiges
• -irritabilités (malaise psychologique)
• -baisse des performances des capacités d’apprentissage

Notons que plus le nombre de fuseaux horaires franchis est grand, plus ces symptômes peuvent être marqués.

III)Qui sont les plus touchés ?

Plus de 8 voyageurs sur 10 sont touchés par le jet lag mais tout le monde n’a pas les mêmes symptômes, en effet chaque être humain possède sa propre horloge biologique.
Lors d’une expérience il a été prouvé par exemple que les jeunes enfants sont rarement touchés et peu affectés car ils possèdent une horloge biologique immature.
Une autre étude a prouvé que l’on ne “s’ habitue” pas au jet-lag, en effet les pilotes et les hôtesses sur long-courrier sont aussi touchés par ce phénomène.

Ainsi tout le monde peut être victime de ce phénomène exception faite de certains enfants.

IV) Pourquoi est-on touché ?

A partir de 3 heures de décalage l’homme subit une désynchronisation de son horloge biologique, en effet le rythme circadien est alors décalé.
Cette désynchronisation a des conséquences externes sur les heures de repas, l’activité physique ou encore l’endormissement, ainsi que sur des facteurs internes tel que le changement d’horaire, le rythme de la température et le cycle hormonal.

La sécrétion de la mélatonine régulée par l’alternance lumière/obscurité ne se fait alors plus correctement.

Il y a en outre un problème de régulation du sommeil: l’alternance jour/nuit, éveil/repos est perturbée.

En résumé, l’organisme garde les rythmes biologiques de l’endroit d’origine qui ne concorde pas avec le fuseau horaire de la destination.
Voler d’est en ouest est plus simple que l’inverse car voler d’est en ouest revient à rallonger les journées ce qui permet aux synchronisateurs de mieux s’adapter que quand le voyage raccourcit les journées.

V)Comment combattre le jet lag?

Il existe des personnes sensibles au décalage horaire à qui on conseille de s’adapter au fuseau horaire de leur destination en décalant leurs horaires de lever et de coucher avant de s’envoler.
Pour les personnes qui ne sont pas spécialement sensibles au décalage horaire il est préférable de régler sa montre sur l’heure pendant le vol. En outre un bon sommeil avant et pendant le trajet est également essentiel pour mieux s’adapter au fuseau horaire de la destination.
Les médecins, eux, conseillent l’emploi de somnifère ou de sédatif à base de plantes naturelles et surtout d’éviter les excitants tel que l’alcool, le café ou même le tabac.
Les précautions à prendre pendant le vol sont de ne pas abuser de la nourriture et de bien se désaltérer avec de l’eau.
A l’arrivée, il faut essayer de s’exposer le plus possible à la lumière et de ne pas rester confiné dans son hôtel pour que le cycle de sécrétion de mélatonine se resynchronise.
De plus, il faut essayer de rester éveillé pour bien s’adapter au fuseau horaire.
Un médicament a été créé par des chercheurs. Il consiste à ingérer de la mélatonine aux heures ou elle devrait être sécrétée naturellement. Cependant ce type d’hormone n’est pas encore sur le marché en Europe car elle n’est pas sûre, en effet elle provient de la cervelle de bœuf.