Dynamic topology of the cephalochordate to amniote morphological transition: A self-organized system of Russian dolls

This note presents a mechanistic explanation of the transition between the morphology of cephalochordates to that of amniotes. By a careful study of the morphogenetic movements which occur during the early stages of development of a typical amniote (a chicken embryo), we are able to show that the formation of a vertebrate body follows a sequence: first, formation of dorsal folds, then head and heart as dorsal and ventral folds, and finally another dorsal fold, which eventually builds up the chorion. This order has a physical origin linked to the velocity field of the tissue flow. These folds form at right angles to the flow direction, and the topology of the chordates flow is hyperbolic. This mechanism explains the differences between the successive bauplans, by the cumulate forward and backward movement of the flow. Eventually, the entire phenomenon can be described as a self-organized system of Russian dolls, by which the heart finds itself inside the embryo, and the embryo itself inside the chorion. In addition, the phenomenon has a mirror symmetry in the anterior and in the posterior part, thereby explaining naturally the existence of animals having a caudal heart.

RésuméCette note présente une explication mécaniste de la transition de morphologie entre les céphalochordés et les amniotes. En étudiant en détail les mouvements morphogénétiques ayant lieu au cours de premiers jours de développement d’un amniote typique (le poulet), on constate que la formation du dos, de la tête et du cœur, puis du sac amniotique, obéissent à une logique physique, liée au sens dans lequel avance l’écoulement des tissus, en formant une succession de plis perpendiculaires au sens de l’écoulement. Les premiers plis créés par cet écoulement forment la région dorsale de l’embryon, et correspondent à un embryon sans tête. Les seconds plis sont dorsaux–ventraux et créent le cœur et la tête. Le troisième pli est dorsal et façonne en se contractant le sac amniotique (chorion). Les différences entre les plans d’organisation des chordés résulteraient en partie, des avancées relatives cumulées vers l’avant, ou vers l’arrière, de ces écoulements tissulaires. L’ensemble du phénomène aboutit à un emboîtement auto-organisé analogue à une succession de poupées russes: le cœur dans l’embryon, et l’embryon dans le sac amniotique formant trois « poupées » emboitées. Il existe également une symétrie miroir entre la partie antérieure et la partie postérieure, en sorte que les plis se forment aux deux extrémités, ce qui explique naturellement l’existence d’animaux ayant un cœur caudal.