PERMÉABILITÉ DE LA MEMBRANE CELLULAIRE

1. Les recherches sur les propriétés osmotiques de la membrane cellulaire. Sa perméabilité relative pour différentes substances et pour différents ions ; les phénomènes électriques corrélatifs. La perméabilité dans l’excitation. — 2. Travaux de R. S. Lillie. Relation entre la perméabilité et l’activité cellulaire. — 3. Application à la parthénogénèse expérimentale. Hypothèse de Lillie sur la localisation en certaines régions de la membrane des variations de perméabilité et de la tension superflcielle. Difficultés que cette hypothèse rencontre. Expériences. — 4. Les autres auteurs qui se placent au même point de vue. J. F. Mac Clendon; ses expériences. — 5. E. Newton Harvey ; le point de vue chimique. — 6. Conclusion générale.

1. Les auteurs des travaux analysés dans les précédents chapitres avaient pour but principal de trouver des procédés plus perfectionnés de parthénogénèse expérimentale et leurs théories n’étaient que l’explication a 'posteriori des faits qu’ils avaientdécouverts. Toute autre est la pensée directrice de ceux dont il nous reste à parler : ici, point de procédés nouveaux opposés à ceux des théories rivales ; nul souci d’obtenir des larves plus

nombreuses, plus parfaites ou des stades plus avancés de développement. L’unique préoccupation est d’interpréter les faits connus de tous et de les éclairer à la lumière des théories physico-chimiques qui, seules, permettraient de les expliquer, en les rattachant à des phénomènes d’un ordre moins compliqué et mieux connu.

Au cours de la dernière décade, ont paru de nombreuses recherches sur les cellules vivantes, végétales et animales, au point de vue de leurs relations osmotiques avec les éléments constitutifs de leur milieu ambiant. Une question difficile et à première vue insoluble surgit ici. 11 semble que la cellule doive satisfaire à deux conditions opposées : premièrement, être fermée, de manière à conserver une constance de constitution chimique en dépit des variations du milieu extérieur ; d’autre part, être ouverte à l’action de ce milieu pour en recevoir les éléments de sa nutrition et y déverser ses produits d’excrétion, car ce sont là les conditions du métabolisme qui est luimême la condition de la vie. Pour résoudre cette question, les physiciens et les physiologistes se sont appliqués à l’étude de la membrane cellulaire et des possibilités d’échange, au travers de cette membrane, entre les substances intracellulaires et celles appartenant en propre ou artificiellement ajoutées à leur milieu ambiant. Overton, Hamburger, llœber, Ostwald, Kœppe, Hedin, Bernstein, de Yries et autres, mais surtout Overton, sont arrivés, à la suite de nombreuses expériences, à certains résul-

tats, constants pour les cellules animales et végétales. La perméabilité de la membrane cellulaire pour les diverses substances paraît être très inégale. Cette membrane est librement perméable à l’eau; certains auteurs (R. S. Lillie) supposent aussi qu’elle est perméable à l’oxygène et à l’acide carbonique, mais à un degré inégal aux différents moments de la vie cellulaire. Elle est, de même, perméable à toute une catégorie de substances (certains alcools, éthers, aldéhydes, hydrocarbures) qui ont la propriété commune de dissoudre les lipoïdes ; ce fait amène à penser que la membrane cellulaire doit renfermer des lipoïdes, associées de quelque façon aux matières protéiques, et que la pénétration de ces substances lipolytiques se fait par la dissolution de ces matières grasses. Dans les conditions naturelles, d’ailleurs, les susbtances lipolytiques ne font pas partie du milieu qui entoure la cellule et n’exercent, par conséquent, pas d’influence sur sa physiologie. — Par contre, la membrane cellulaire serait relativement imperméable à la plupart des substances qui se trouvent naturellement soit dans l’intérieur de la cellule, soit dans son milieu : sucre, aminoacides,sels métalliques neutres L

Les auteurs qui se sont occupés de l’action sur la cellule vivante des différents électrolytes, sur-

1. La plupart des physiologistes se rangent à ces conclusions; cependant Lœb, là où il parle du rôle des ions, admet la libre pénétration des sels neutres dans la cellule, quoique à un degré moindre que l’eau.

tout des sels neutres, admettent de plus une hypothèse, due à Ostwald : la perméabilité (ou plutôt l’imperméabilité) relative de la membrane cellulaire serait inégale pour les deux sortes d’ions: les cations, au moins en général, étant plus petits, sortiraient plus facilement de la cellule que les anions, ou même seraient les seuls capables de traverser la membrane dans l’état de repos de la cellule. La prépondérance dans l’intérieur de la cellule des anions portant une charge négative, tandis que la surface externe prend une charge positive, produit une différence de potentiel de part et d’autre de la membrane cellulaire et devient une source de phénomènes électriques. La théorie qui attribue cette origine à certains phénomènes électriques constatés par les physiologistes, tels que les décharges des poissons électriques ou les changements électriques brusques pendant l’état d’excitation ou d’inhibition, a pris le nom de « théorie de la membrane » L

Telles sont, dans cette conception, les conditions de la cellule au repos. Comment les concilier avec les nécessités de sa nutrition ? Deux suppositions peuvent être et ont été formulées à cet égard. Ou bien on peut supposer que l’entrée des différentes substances dans la cellule et leur sortie se font par un processus actif qui serait autre qu’une simple diffusion; telle est l’opinion d’Overton. Un autre physiologiste, R. S. Lillie, admet également

1. Elle se rattache surtout aux noms de Bernstein, llœber, Brunnings.

la possibilité d’un processus actif qui serait quelque chose d’analogue à la sécrétion, mais il penche pour une autre explication, plus simple et qu’il appuie sur un grand nombre de preuves expérimentales. L’imperméabilité ordinaire de la membrane cellulaire serait fréquemment diminuée, peut-être sous l’influence du CO^, lors de la respiration, ou peut-être à la suite d’autres excitations, et l’échange de matériaux nutritifs entre la cellule et son milieu aurait lieu précisément dans ces moments de perméabilité accrue. Certains faits établis par l’expérience viennent à l’appui de cette idée et indiquent, de plus, que ce changement porte non sur le passage des cations, qui était dans une certaine mesure possible à l’état de repos, mais sur celui des anions. R. S. Lillie invoque, entre autres, les expériences de Hamburger, de Hoeber, de Kœppe, qui ont montré que les globules rouges du sang devenaient, sous l’influence de GO^ ou d’autres acides faibles, plus perméables aux anions des divers sels (Cl, Br,S04, HGO^, etc.). Une autre indication en faveur d’un changement de perméabilité de la membrane à certains moments de la vie cellulaire est tirée des phénomènes électriques dont la membrane cellulaire est le siège. A l’état de repos, en présence de la différence de potentiel dont nous avons parlé plus haut, il se produit, dans le sein de la membrane, un phénomène électrique auquel les physiologistes ont donné le nom de courant de démarcation : au moment où la cellule subit

une excitation, on constate un changement électrique qui indique une chute de potentiel, une dépolarisation de la membrane cellulaire ; ce phénomène électrique nouveau qui indique un état d’activité est désigné sous le nom de courant d’action. Ou a pu dans certains cas le constater et même le mesurer directement. L’expérience n’est pas facile à réaliser sur une cellule isolée. Cependant, Miss Hyde l’a réussie sur l’œuf en voie de segmentation d’un poisson, le Fundulus., en plaçant l’une des électrodes sur le disque formé par les cellules en division, et l’autre sur le pôle opposé de l’œuf: elle a pu voir, à l’aide d’un électromètre capillaire, que la surface extérieure du disque devenait, pendant la segmentation, négative relativement àla surface générale de l’œuf. De même, R. S. Lillie a pu voir les mêmes changements intervenir dans le muscle gastrocnémien de la Grenouille, dont il provoquait expérimentalement la contraction, et mesurer le voltage du courant d’action (0,05 à 0,08 de volt environ). Or, si l’on admet que l’état d’excitation est lié à un passage plus libre des allions à travers la paroi cellulaire, la chute de potentiel prévue devra se produire : en effet, des allions chargés négativement devront, en traversant la membrane, saturer une partie des charges positives des cathions accumulés à sa surface externe, laquelle deviendrait ainsi moins chargée positivement et la différence de potentiel entre les deux faces de la membrane diminuerait.

Lorsque la cellule meurt, son état normal de semi-perméabilité fait place à une perméabilité totale pour tous les ions : une des preuves en est fournie par la perte de turgescence et par la sortie du pigment qu’on observe dans les cellules mortes. Une modification corrélative est la chute totale de la différence de potentiel entre les surfaces externe et 'interne de la cellule.

2. C’est en partant de toutes ces données, tant expérimentales qu’hypothétiques, que R. -S. Lillie arrive à sa conception de l’excitation liée à une modification de la perméabilité de la membrane cellulaire; il réserve, d’ailleurs, la question de savoir s’il y a, entre ces deux phénomènes, uuo relation de cause à effet ou si les deux dépendent d’autres changements, plus importants encore. Provisoirement, il envisage les modifications de perméabilité comme le fait initial, mais dans son argumentation il s’attache surtout à montrer l’existence d’un lien étroit entre ces deux phénomènes. Nous ne reproduirons pas ici tous les arguments de fait qu’il invoque; n’en retenons que quelques-uns, pour montrer sur quelle sorte de faits et d’expériences s’appuient ses conclusions.

La rapidité des échanges gazeux dans la cellule est pour elle d’une importance primordiale : c’est le dégagement de GO^ qui permet dans son sein les oxydations qui sont la source de son énergie'. Or, lorsque la paroi cellulaire devient plus perméable, la sortie de CO^ est facilitée, les oxydations

sont accélérées et l’activité cellulaire devient plus énergique. Le lien entre ces phénomènes devient apparent, dans certains cas, là où l’activité de la cellule se manifeste d’une façon rythmique. Ainsi, pendant la segmentation de l’œuf, le dégagement de GO^ subit des variations correspondant aux divisions successives, et la sensibilité que manifestent à ces moments les cellules aux divers agents chimiques suit la même marche — preuve des variations concomitantes de la perméabilité de la paroi cellulaire L

Les changements électriques dont nous avons parlé plus haut fournissent aussi un argument en faveur de la même idée, puisque ces changements sont tels qu’on serait en droit de les prévoir si on admet une modification de perméabilité pour les anions lors de l’excitation de la cellule. Dans les tissus qui fonctionnent toujours d’une façon rythmique, comme, par exemple, le muscle cardiaque, on voit directement ce lien entre les modifications électriques et l’état d’activité ou de repos des cellules.

On sait, d’autre part, que les substances capables d’agir comme excitants sont en même temps celles qui augmentent la perméabilité de la m'embrane cellulaire. C’est ainsi que les expériences de Fischer et de J. -B. Mac Gallum ont montré que les agents qui augmentent la perméabilité de la paroi des cellules rénales et de celles de l’épithélium

1. Pour ces variations rythmiques, Lillie s’appuie sur les travaux de Lyon (1902 et 1904) et de Spalding (1904).

intestinal (les sels de Na, par exemple) sont en même temps capables de provoquer la contraction musculaire.

Certains organismes animaux, tels que les larves d’Arénicole, montrent bien ce lien entre l’état d’excitation et l’accroissement de perméabilité. En transportant ces larves dans des solutions isotoniques pures des différents sels métalliques, on voit qu’elles se contractent considérablement; en même temps, le pigment jaune que leurs tissus contiennent sort au dehors et colore la solution dans laquelle elles se trouvent.

Si l’état d’excitation est lié à une augmentation de la perméabilité de la membrane cellulaire, l’inhibition se rattache, dans l’hypothèse de Lillie, au phénomène opposé : les anesthésiques, par exemple, la produiraient en diminuant la perméabilité de la membrane cellulaire et en ralentissant les échanges gazeux à. l’intérieur de la cellule.

3. Quelle est maintenant l’application de ces conceptions physiologiques au problème de la parthénogénèse expérimentale? Elle dérive d’une façon très simple de tout ce qui vient d’être dit sur la vie de la cellule en général. R. -S. Lillie, qui a le plus complètement élaboré les idées qui nous occupent actuellement, part de deux considérations. Il fait remarquer d’abord que, parmi les substances qui sont capables de provoquer des changements de perméabilité dans la membrane cellulaire, se trouvent toutes celles qu’on a em-

ployées comme agents de la parthénogénèse artificielle : les substances capables de dissoudre les graisses, les sels métalliques neutres, différents poisons et toxines, etc. L’élévation de température peut également agir dans le même sens. Lillie en conclut que le mode d’action commun à ces divers facteurs est précisément une augmentation de perméabilité de la membrane cellulaire, et comme c’est là un phénomène qu’un grand nombre de causes différentes peuvent provoquer, on comprend pourquoi les agents les plus divers ont pu être employés avec succès pour déterminer le développement des œufs non fécondés.

La seconde des raisons sur lesquelles Lillie fonde ses idées sur la parthénogénèse expérimentale se rattache au phénomène de la cytolyse. Les réactifs parthénogénisants étant capables de produire, à dose plus forte ou par une action plus prolongée, la cytolyse, il doit y avoir, dit-il (et c’est aussi, comme nous l’avons vu, l’opinion de Lœb), une communauté de nature entre ces deux phénomènes. Or, les recherches récentes sur la cytolyse ont amené les physiologistes^ à considérer celle-ci comme une conséquence de l’augmentation de la perméabilité de la membrane cellulaire, allant jusqu’à un degré où la vie normale de la cellule est anéantie. Dans la parthénogénèse expérimentale, le même phénomène aurait lieu, mais à un degré où il arrive à provoquer la division cellulaire et non pas la mort.