Pourquoi les zèbres arborent-ils des rayures distinctives? Comment les léopards acquièrent-ils leurs taches emblématiques? Pourquoi les girafes présentent-elles ces motifs géométriques complexes? Et pourquoi les éléphants restent-ils d'une couleur uniforme? Les réponses à ces questions fascinantes résident dans le domaine de la morphogenèse, le processus par lequel les organismes vivants développent leurs formes caractéristiques.
L'héritage d'Alan Turing : des ordinateurs aux motifs animaux
Alors qu'Alan Turing est surtout connu pour ses contributions révolutionnaires à l'informatique théorique, à la cryptanalyse et à l'intelligence artificielle, ses dernières années ont été consacrées à un nouveau domaine d'étude : la biochimie. Dans les années 1950, Turing s'est passionné pour les hydres, des animaux de la famille des anémones qui ont la capacité de se régénérer lorsqu'un membre est coupé. Cette fascination pour les cnidaires remontait à l'enfance de Turing, inspirée par le livre "Natural Wonders Every Child Should Know" qui a éveillé sa vocation scientifique.
En observant la régénération des hydres, Turing a fini par écrire "The Chemical Basis of Morphogenesis" en 1951. Dans cet article novateur, il s'est attaqué mathématiquement à la question de l'origine des motifs présents chez certains animaux. Turing a postulé que ces motifs ne sont pas simplement mémorisés dans le génome, mais plutôt le résultat d'un mélange complexe de déterminisme et d'aléatoire.
Le modèle de réaction-diffusion de Turing : un activateur et un inhibiteur
Pour expliquer la formation de ces motifs, Turing a proposé un modèle de "réaction-diffusion". Ce modèle nécessite deux substances, appelées morphogènes : un activateur (A) et un inhibiteur (I). Au départ, A et I sont répartis uniformément dans le tissu, mais le mouvement aléatoire des molécules perturbe cet équilibre, entraînant de légers excès de A en certains points.
C'est à ce moment-là que le système dynamique s'emballe. En ces points, la production de A et de I s'intensifie, formant des pics de concentration qui se diffusent. Puisque I se propage plus rapidement que A, la production de A n'est inhibée que sur les bords de ces pics. Les équations mathématiques qui décrivent ce processus peuvent être visualisées à l'aide d'ordinateurs, révélant comment elles peuvent expliquer les rayures des zèbres, les taches des léopards et les motifs des guépards.
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Variations des paramètres : des zèbres aux guépards
Les différents motifs observés dans le règne animal peuvent être attribués à des variations des paramètres impliqués dans les équations de Turing. Ces constantes peuvent varier en fonction de la taille de l'embryon au moment de la formation des motifs, ce qui explique les différences entre les zèbres et les guépards.
Défis et validations du modèle de Turing
Jusqu'à présent, les morphogènes n'ont pas été mis en évidence expérimentalement, de sorte que le modèle de Turing reste un modèle théorique. Cependant, des simulations ont montré qu'un motif en taches peut se transformer en motif en bandes lorsque le rapport d'aspect entre la longueur et la largeur change, comme on l'observe chez les animaux tachetés qui présentent des rayures à l'extrémité de leur queue, plus étroite.
Une difficulté de la validation est que le mécanisme de Turing peut n'être présent que pendant une courte phase du développement. Pour illustrer son modèle, Alan Turing cite deux exemples de morphogenèse : le positionnement des tentacules de l’hydre et celui, en rosette, des feuilles de l’aspérule.
Turing souligne que le modèle est une « simplification » et une « idéalisation » et par conséquent, une « falsification », mais il fait la pétition de principe que les quelques mécanismes retenus sont effectivement les mécanismes dominants.
Brisure spontanée de symétrie et résonance
Alan Turing donne tout de suite l’explication de base : les différentes perturbations que peut subir l’état homogène vont évoluer différemment. Certaines vont être amorties, d’autres amplifiées : ces dernières présentent des caractéristiques particulières qui se refléteront dans la solution, alors que les premières n’auront aucun effet. Ceci n’est rien d’autre qu’un phénomène de résonance, bien connu dans l’étude des pendules et autres oscillateurs. Une conséquence notable en est que la perturbation ne détermine pas les caractéristiques des motifs mais seulement la possibilité de leur émergence.
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Structures de Turing observées dans un réacteur chimique
Il a fallu attendre quarante ans et un concours de circonstances pour obtenir la première mise en évidence expérimentale d’une « structure de Turing », c’est-à-dire d’un motif en bandes ou en taches régulièrement espacées, observé dans un système alimenté en continu, et résultant du mécanisme de réaction-diffusion proposé par Turing. En effet, les conditions expérimentales favorables sont difficiles à réunir.
Limites et alternatives au modèle de Turing
Il est possible que le mécanisme proposé par Alan Turing ne fournisse qu’un principe directeur de la formation des motifs observés chez les êtres vivants et que d’autres mécanismes plus fins et plus spécifiques s’y ajoutent. En effet, la similitude des motifs observés ne fournit pas la preuve que le mécanisme proposé par Alan Turing est réellement à l’œuvre.
Variation naturelle et formation de motifs
L’étude de la coloration des plumes à tous les endroits de la peau dorsale chez des spécimens à peau plate de 10 espèces d’oiseaux galliformes (5 sont présentés ici) a montré que les bandes longitudinales médianes ont conservé leur emplacement absolu mais varient en largeur. Ces deux attributs sont préfigurés par l’expression précoce, spécifique à l’espèce, de l’agouti dans l’embryon, avant la production de pigments.
La greffe hétéro-spécifique caille-faon a montré que les somites indiquent l’emplacement des rayures. Les tissus des donneurs de cailles japonais ont été transférés dans des faisans hôtes. Lors de la transplantation de somites, les chimères présentaient un profil d’expression de type donneur d’agouti et, plus tard, de plumage, au niveau de la greffe (c’est-à-dire la région de l’aile droite, en pointe de flèche à E6, en vert à E14). Les deux sont restés inchangés après la transplantation des moitiés du tube neural. Ces résultats ont démontré que les signaux de position contrôlant l’établissement du pré-modèle et du motif rayé d’agouti émanent du somite.
Conclusion
Le modèle de réaction-diffusion de Turing offre un cadre théorique puissant pour comprendre la formation de motifs dans le règne animal. Bien que des preuves expérimentales directes des morphogènes restent insaisissables, le modèle continue d'inspirer la recherche et de fournir des informations précieuses sur les mécanismes complexes qui régissent le développement des formes et des motifs dans la nature.
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Autres mécanismes de brisure de symétrie
Outre les systèmes de Turing, d'autres mécanismes de production de motifs de couleur répétés ont été découverts par les scientifiques. Ces mécanismes peuvent être regroupés en plusieurs familles, chacune présentant des caractéristiques distinctes. Par exemple, les mécanismes d'induction mécanochimiques, où des forces mécaniques génèrent la brisure de symétrie et les motifs, en jouant le même rôle que les morphogènes du modèle initial de Turing.
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