Le cœur humain est constitué de quatre chambres – deux oreillettes et deux ventricules – qui se dilatent et se contractent afin de conduire le sang contenant de l’oxygène et des nutriments dans tout le corps. Les oreillettes, dont les parois sont relativement fines, se remplissent en premier, avant de comprimer le sang dans les ventricules, beaucoup plus solides, qui se contractent ensuite pour envoyer le sang dans nos artères. La plupart des reptiles ont deux oreillettes et un ventricule. Les seules exceptions sont les 23 espèces vivantes de crocodiliens (alligators, caïmans, crocodiles et gavials) qui, comme les oiseaux et les mammifères, ont un cœur à quatre chambres avec deux oreillettes et deux ventricules (Jones, 1996 ; Jensen et al., 2014).
Chez les vertébrés, chaque battement de cœur est initié lorsqu’une région pacemaker dans l’une des oreillettes génère un signal électrique. La structure et l’emplacement exact de la région pacemaker diffèrent selon les espèces (Jensen et al., 2017), mais elle est toujours innervée par le système nerveux autonome. Cela permet à l’organisme d’augmenter ou de diminuer la fréquence cardiaque en réponse aux demandes métaboliques (Wang, 2012).
Le signal électrique provenant de la région du pacemaker se propage rapidement à travers les cellules du muscle cardiaque des oreillettes via des structures appelées jonctions gap, et cela garantit que la totalité de la paroi de chaque oreillette se contracte presque simultanément. Des neurones appelés fibres de Purkinje sont également impliqués dans ce processus chez les oiseaux mais, en général, les mécanismes responsables de la contraction des oreillettes sont similaires chez la plupart des vertébrés. Cependant, la manière dont le signal électrique circule de l’oreillette au ventricule diffère chez les vertébrés, et l’évolution de cette voie fait l’objet d’une attention considérable depuis plusieurs décennies (Davies, 1942 ; Jensen et al., 2012, 2013). Aujourd’hui, dans eLife, Vincent Christoffels de l’Université d’Amsterdam et ses collègues – dont Bjarke Jensen et Bastiaan Boukens en tant que premiers auteurs conjoints – rapportent de nouvelles et surprenantes découvertes sur ce phénomène chez les alligators (Jensen et al., 2018).
Au 17e siècle, William Harvey avait déjà remarqué que les oreillettes se contractaient avant les ventricules chez un certain nombre d’animaux différents. Cela signifiait que le signal électrique généré dans la région du pacemaker devait, d’une manière ou d’une autre, être ralenti à la » frontière » entre les oreillettes et les ventricules. Chez les mammifères et les oiseaux, une couche de tissu graisseux fibreux – qui ne conduit pas l’électricité – isole les ventricules des oreillettes. La seule façon pour le signal électrique de passer des oreillettes aux ventricules est de passer par une petite structure appelée le nœud auriculo-ventriculaire, qui se trouve immédiatement au-dessus du septum qui sépare les ventricules gauche et droit. Lorsque le signal électrique atteint ce nœud, il active deux faisceaux de neurones (contenant des fibres de His et des fibres de Purkinje) qui relaient rapidement l’impulsion et provoquent la contraction simultanée des ventricules.
Cependant, chez les reptiles existants, l’ancêtre commun des oiseaux et des mammifères, il ne semble pas y avoir de couche isolante ou de nœud anatomiquement défini (Davies, 1942). Au contraire, le signal électrique est ralenti par un arrangement complexe de fibres myocardiques à la jonction entre les deux oreillettes et le ventricule. De plus, des études récentes n’ont pu fournir aucune preuve anatomique d’un système de conduction dans le ventricule des reptiles. Le signal électrique semble être véhiculé par la paroi interne du cœur, qui partage des signatures moléculaires avec le système de conduction présent chez les oiseaux et les mammifères (Jensen et al., 2012).
Alors que les reptiles dépendent de leur environnement pour maintenir leur température (c’est-à-dire qu’ils sont ectothermes), les mammifères produisent leur propre chaleur (ils sont donc endothermes). Les niveaux élevés de métabolisme nécessaires pour produire suffisamment de chaleur signifient que les taux métaboliques au repos et maximal des mammifères et des oiseaux sont environ 10 fois plus élevés que ceux des animaux ectothermes (Bennett et Ruben, 1979). Le système cardiovasculaire doit répondre à ces besoins accrus en fournissant davantage d’oxygène à l’organisme. Le cœur à quatre chambres offre une solution efficace en séparant le sang oxygéné du sang non oxygéné. L’apport d’oxygène à l’organisme peut également être amélioré en augmentant la fréquence des contractions cardiaques. Cela nécessite des structures cardiaques qui conduisent rapidement l’électricité, comme les nœuds auriculo-ventriculaires (Burggren et al., 2014).
Jensen et al – qui sont basés à Amsterdam et dans des laboratoires aux États-Unis et en République tchèque – combinent des techniques d’électrophysiologie et d’expression génétique pour identifier comment les impulsions électriques se propagent dans le cœur du crocodilien, et pour caractériser le phénotype moléculaire des différentes chambres. Les expériences ont fourni des preuves sans équivoque de l’existence d’un nœud auriculo-ventriculaire chez les crocodiliens. Parmi les reptiles existants, les crocodiliens sont le groupe frère vivant le plus proche des oiseaux. Cependant, malgré leur cœur à quatre chambres et un nœud auriculo-ventriculaire, tous les crocodiliens vivants sont clairement ectothermes et ont des fréquences cardiaques basses comme les autres reptiles (Hillman et Hedrick, 2015 ; Lillywhite et al., 1999 ; Joyce et al…, 2018).
Avec leur capacité à marcher le corps décollé du sol, leurs muscles respiratoires particuliers, leurs poumons de type aviaire et divers autres traits, les crocodiliens pourraient avoir été autrefois endothermes (Seymour et al., 2004 ; Hillenius et Ruben, 2004). Selon cette hypothèse, ils sont passés à l’ectothermie lorsqu’ils ont adopté un mode de vie entièrement aquatique et sont devenus des prédateurs assis et attentifs, avec des repas intermittents séparés par de longues périodes de jeûne. Cependant, si les crocodiliens du passé avaient du sang chaud et certaines des structures cardiaques associées, les espèces existantes ont-elles perdu leurs fibres de His et de Purkinje ? Ces cellules – qui prennent en charge les signaux électriques à grande vitesse – poseraient-elles des problèmes fonctionnels chez les animaux dont la fréquence cardiaque est très faible ?
Le fait que les crocodiliens possèdent un nœud auriculo-ventriculaire éclaire également l’évolution du cœur des vertébrés. Par exemple, la simple présence d’un nœud et d’une division entre les ventricules peut suffire à empêcher le signal électrique de » rentrer » dans les oreillettes (ce qui perturberait le fonctionnement du cœur). Ces résultats peuvent également suggérer qu’une structure nodale permet un meilleur réglage fin de la fréquence cardiaque par le système nerveux autonome.
La prochaine étape consiste à caractériser les propriétés électrophysiologiques des cellules du nœud auriculo-ventriculaire des crocodiliens. Des enregistrements d’électrocardiogrammes aideraient également à comprendre le timing exact des événements cardiaques, tandis que des mesures de débit et de pression permettraient de saisir la dynamique du flux sanguin. De délicieuses découvertes nous attendent peut-être encore à l’intérieur des quatre chambres du cœur du crocodilien.