Comment les animaux obtiennent leurs rayures et leurs taches

La nature ne manque pas de motifs, des taches sur les léopards aux rayures sur les zèbres et aux hexagones sur les poissons-coffres. Mais une explication complète de la manière dont ces modèles se forment reste insaisissable.

Aujourd’hui, des ingénieurs de l’Université du Colorado à Boulder ont montré que le même processus physique qui aide à éliminer la saleté du linge pourrait jouer un rôle dans la façon dont les poissons tropicaux obtiennent leurs rayures et leurs taches colorées. Leurs conclusions ont été publiées le 8 novembre dans la revue Avancées scientifiques.

“De nombreuses questions biologiques sont fondamentalement la même : comment les organismes développent-ils des modèles et des formes complexes alors que tout part d’un amas sphérique de cellules”, a déclaré Benjamin Alessio, premier auteur de l’article et chercheur de premier cycle au Département de génie chimique et biologique. . “Notre travail utilise un mécanisme physique et chimique simple pour expliquer un phénomène biologique complexe.”

Les biologistes ont déjà montré que de nombreux animaux ont évolué pour avoir des motifs de pelage pour se camoufler ou attirer des partenaires. Alors que les gènes codent des informations sur les motifs comme la couleur des taches d’un léopard, la génétique à elle seule n’explique pas exactement où les taches se développeront, par exemple.

En 1952, avant que les biologistes ne découvrent la structure en double hélice de l’ADN, Alan Turing, le mathématicien qui a inventé l’informatique moderne, a proposé une théorie audacieuse sur la manière dont les animaux obtenaient leurs schémas.

Turing a émis l’hypothèse qu’à mesure que les tissus se développent, ils produisent des agents chimiques. Ces agents se diffusent à travers les tissus selon un processus similaire à l’ajout de lait au café. Certains agents réagissent les uns avec les autres en formant des taches. D’autres inhibent la propagation et la réaction des agents, formant un espace entre les taches. La théorie de Turing suggérait qu’au lieu de processus génétiques complexes, ce simple modèle de réaction-diffusion pourrait suffire à expliquer les bases de la formation des modèles biologiques.

“Le mécanisme de Turing peut certes produire des modèles, mais la diffusion ne produit pas de modèles nets”, a déclaré l’auteur correspondant Ankur Gupta, professeur adjoint au Département de génie chimique et biologique. Par exemple, lorsque le lait se diffuse dans le café, il s’écoule dans toutes les directions avec un contour flou.

Lorsqu’Alessio a visité le Birch Aquarium de San Diego, il a été impressionné par la netteté du motif complexe du poisson-coffre : il est constitué d’un point violet entouré d’un contour jaune hexagonal distinct avec un épais espacement noir entre les deux. La théorie de Turing ne suffirait pas à elle seule à expliquer les contours nets de ces hexagones, pensait-il. Mais le motif rappelle à Alessio les simulations informatiques qu’il avait menées, dans lesquelles les particules forment des rayures bien définies.

Alessio, membre du groupe de recherche Gupta, s’est demandé si le processus connu sous le nom de diffusiophorèse jouait un rôle dans la formation des modèles naturels.

La diffusiophorèse se produit lorsqu’une molécule se déplace dans un liquide en réponse à des changements, tels que des différences de concentrations, et accélère le mouvement d’autres types de molécules dans le même environnement. Bien que cela puisse sembler un concept obscur aux non-scientifiques, il s’agit en réalité de la façon dont le linge devient propre.

Une étude récente a montré que rincer les vêtements imbibés de savon à l’eau claire élimine la saleté plus rapidement que rincer les vêtements imbibés de savon à l’eau savonneuse. En effet, lorsque le savon se diffuse hors du tissu dans de l’eau avec une concentration de savon plus faible, le mouvement des molécules de savon élimine la saleté. Lorsque les vêtements sont mis dans de l’eau savonneuse, l’absence de différence dans la concentration du savon fait que la saleté reste en place.

Le mouvement des molécules au cours de la diffusiophorèse, comme l’ont observé Gupta et Alessio dans leurs simulations, suit toujours une trajectoire claire et donne naissance à des motifs aux contours nets.

Pour voir si cela peut jouer un rôle en donnant aux animaux leurs motifs vifs, Gupta et Alessio ont effectué une simulation du motif hexagonal violet et noir observé sur la peau ornée du poisson-coffre en utilisant uniquement les équations de Turing. L’ordinateur a produit une image de points violets flous avec un léger contour noir. L’équipe a ensuite modifié les équations pour intégrer la diffusiophorèse. Le résultat s’est avéré beaucoup plus similaire au motif hexagonal bicolore brillant et net observé sur le poisson.

La théorie de l’équipe suggère que lorsque des agents chimiques se diffusent à travers les tissus, comme Turing l’a décrit, ils entraînent également avec eux les cellules productrices de pigments par diffusiophorèse, tout comme le savon retire la saleté du linge. Ces cellules pigmentaires forment des taches et des rayures au contour beaucoup plus net.

Des décennies après que Turing ait proposé sa théorie fondamentale, les scientifiques ont utilisé ce mécanisme pour expliquer de nombreux autres modèles en biologie, tels que la disposition des follicules pileux chez la souris et les crêtes du toit de la bouche des mammifères.

Gupta espère que leur étude, ainsi que d’autres recherches en cours par son groupe de recherche, pourront également améliorer la compréhension de la formation des modèles, inspirant les scientifiques à développer des matériaux innovants et même des médicaments.

“Nos résultats soulignent que la diffusiophorèse a peut-être été sous-estimée dans le domaine de la formation de modèles. Ce travail a non seulement un potentiel d’application dans les domaines de l’ingénierie et de la science des matériaux, mais ouvre également la possibilité d’étudier le rôle de la diffusiophorèse dans les processus biologiques, tels que comme la formation d’embryons et la formation de tumeurs”, a déclaré Gupta.