Tachée, rayée ou caméléon : quelle est la logique derrière la robe des animaux ?

Il y a une raison pour laquelle les créateurs de mode s’inspirent des imprimés animaliers. Les créatures animales ont développé une gamme vertigineuse de motifs : des rayures, des taches, des losanges, des chevrons, des hexagones et même des motifs labyrinthiques. Certains, comme les paons, veulent être vus, pour attirer un partenaire ou effrayer un rival ou un prédateur. D'autres, comme les tigres ou les canes, ont besoin de se fondre dans la masse, soit pour se faufiler sur leurs proies, soit pour éviter de devenir elles-mêmes des déjeuners.

Certains modèles apparaissent simplement ou aléatoirement, mais d’autres se développent via des interactions complexes et précises de systèmes générateurs de modèles. Leur beauté mise à part, la complexité de ces systèmes inspire les scientifiques qui souhaitent élucider comment le tigre a obtenu ses rayures, le guépard ses taches et bien plus encore.

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Les mammifères comme les chats et les chiens peuvent avoir le ventre blanc. Ils les obtiennent de manière simple : à mesure que l’embryon se développe, les cellules productrices de pigments naissent le long du site de la future colonne vertébrale et migrent vers le ventre. Mais parfois, ils n’arrivent pas jusqu’au bout. Là où les cellules pigmentaires s’essoufflent, le blanc commence.

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Les points noirs sur les Dalmatiens sont générés de manière aléatoire. Il en va de même pour les taches noires et oranges sur les chats calico.

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Mais les rayures des tamias et des tigres, les taches sur les poissons et les poulets, et bien d'autres caractéristiques d'animaux glorieux sont tracées avec une précision exquise. Dans un remarquable exploit d’auto-organisation, une surface uniforme devient structurée.

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La personne qui a compris comment cela se produit était Alan Turing. Vous le connaissez peut-être comme le mathématicien du XXe siècle qui a brisé les codes nazis pendant la Seconde Guerre mondiale et développé les premiers concepts de l'intelligence artificielle. Turing a également utilisé ses compétences en mathématiques pour comprendre comment des caractéristiques régulières pouvaient apparaître sur l'embryon en développement. Depuis lors, les scientifiques ont appliqué ses équations au développement de motifs tels que les crêtes d’empreintes digitales, les endroits où les poils vont pousser et les motifs de couleur comme les rayures et les taches. Et il s’avère qu’il avait vraiment raison : aujourd’hui, les scientifiques qui étudient les modèles des animaux trouvent toujours les idées de Turing remarquablement efficaces, surtout lorsqu’elles sont combinées avec d’autres facteurs qui élaborent davantage les modèles.

Voici un aperçu coloré de ce que les scientifiques apprennent aujourd’hui, en commençant par la théorie classique de Turing.

Le générateur de point est la version la plus basique de la modélisation de Turing. Cela implique deux substances clés, ou morphogènes, comme les appelle Turing, qui peuvent se déplacer à travers la peau en développement. Une substance, l’activateur, s’active d’elle-même et active également l’autre substance, l’inhibiteur. L'inhibiteur bloque l'activateur.

En soi, ce système ne fait pas grand-chose. Mais si les substances se diffusent à travers les tissus à des vitesses différentes et que des fluctuations aléatoires sont introduites, cela peut produire un motif de taches stables sur la fourrure, les plumes ou les écailles. Supposons que l'activateur soit activé de manière aléatoire à divers endroits : il se diffuse à partir de sa source, activant davantage lui-même et l'inhibiteur à mesure qu'il se déplace. Si l’inhibiteur diffuse plus rapidement que l’activateur, il n’y en aura pas localement suffisamment pour bloquer toute l’activité de l’activateur. Cela peut entraîner des taches d'activateur stables et régulièrement espacées, entourées de zones d'inhibiteur.

La modification des paramètres du système, tels que la rapidité avec laquelle les morphogènes sont générés ou se déplacent, ou la taille et la forme de l'espace dans lequel ils se déplacent, peut modifier le modèle final. Par exemple, la queue d’un guépard est longue et fine ; dans cet espace étroit, les taches fusionnent en rayures. "Un mécanisme simple peut créer une variété étonnante, diversifiée et riche de modèles", explique Seita Miyazawa, biologiste évolutionniste à l'Université d'Osaka au Japon.

Bravo, Alan.

Mais parfois, les idées de Turing ne suffisent pas à elles seules à expliquer les magnifiques schémas de la nature. Les scientifiques doivent faire appel à des acteurs supplémentaires. Plutôt que de simples diffuseurs de produits chimiques, les cellules elles-mêmes peuvent intervenir. Les animaux peuvent également avoir besoin d'astuces supplémentaires pour transporter les morphogènes à travers les tissus ou pour créer des motifs nets et précis. Les scientifiques voient également des cas d’une complexité vertigineuse dans lesquels les modèles de Turing se chevauchent avec des mécanismes de structuration supplémentaires ou qui comportent plus de deux morphogènes en interaction.

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Le poisson zèbre, l’un des chevaux de trait préférés des biologistes du développement, arbore des rayures noires et jaunes nettes de la tête à la queue. Dans ce cas, ce ne sont pas tant les substances diffusantes qui créent ce motif, mais des interactions plus complexes entre les cellules pigmentaires elles-mêmes. Les cellules se déclinent en deux types principaux : les mélanophores noirs et les xanthophores jaunes. À courte distance, elles s'entretuent ou se repoussent, une rivalité qui les sépare en bandes distinctes le long du corps du poisson. Mais en même temps, les cellules noires mourront si elles ne reçoivent pas une substance, encore non identifiée, provenant des cellules jaunes. Ainsi, elles s’attardent à une distance sûre.

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Selon la théorie de Turing, la substance dont les cellules noires ont besoin provenant des cellules jaunes arriverait par diffusion, mais il y a un problème, explique Cheng-Ming Chuong, biologiste à l'Université de Californie du Sud. Les cellules jaunes devraient traverser de vastes distances moléculaires – plus de 200 micromètres, soit la longueur d’environ 20 cellules – pour atteindre les cellules noires. C’est tout simplement trop loin pour que la diffusion soit efficace. Les scientifiques ont découvert la solution du poisson zèbre dans de longs appendices maigres que les cellules noires s’étendent jusqu’aux zones jaunes, comme des bras cherchant cette substance nécessaire. Et il s’avère que lorsque les rayures se forment pour la première fois, les cellules jaunes en développement font également des projections vers les cellules noires, produisant ainsi un autre facteur mystérieux qui rapproche les cellules noires en bandes.

C’est bien beau, mais cela explique seulement comment les cellules minimisent les distances que ces substances spéciales doivent parcourir, et non comment les marchandises passent d’une cellule à l’autre.

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Cet étrange poisson zèbre a suggéré une réponse. Il s’agit d’une version mutante du poisson, appelée « léopard » car elle a des taches au lieu de rayures. Le gène cassé chez le mutant est impliqué dans la création de petits canaux, appelés jonctions lacunaires, entre les cellules. Il se peut donc que le poisson ait besoin non seulement de longs membres cellulaires, mais également de jonctions lacunaires pour déplacer les substances qui créent les rayures.

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Certains oiseaux semblent également utiliser de fines projections cellulaires et des jonctions lacunaires dans leurs motifs. Chuong et ses collègues ont découvert que les deux caractéristiques sont impliquées dans les rayures de la tête à la queue des cailles japonaises. Lorsque les chercheurs ont fait pousser de la peau de caille dans un plat, des rayures jaunes et noires visibles se sont formées, mais les rayures jaunes sont devenues très maigres lorsque les jonctions lacunaires ont été fermées avec un inhibiteur chimique. Les jonctions lacunaires contribuent également à la mutation complexe des rayures de plumes connue sous le nom de mélanotique chez les poulets. Leif Andersson, généticien à l'Université d'Uppsala en Suède et co-auteur de l'étude sur les poulets, pense qu'il pourrait y avoir un morphogène inconnu qui voyage – ou ne parvient pas à voyager – à travers les jonctions pour créer les motifs de plumes.

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Le poisson-coffre orné avec ses hexagones nets semble avoir sa propre solution au problème de diffusion. Vraisemblablement, si les morphogènes qui contrôlent son motif devaient se diffuser à travers les tissus, ils ne pourraient pas créer des lignes aussi nettes et angulaires. Pensez à un colorant qui se répand dans un liquide épais : des gouttelettes de différentes couleurs finiraient par devenir des taches floues.

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Les motifs flous sont exactement ce qui s'est produit lorsque l'ingénieur chimiste et biologique Ankur Gupta de l'Université du Colorado à Boulder, et son assistant de recherche de l'époque, Ben Alessio, ont tenté de simuler des motifs hexagonaux dans un modèle informatique de Turing. Ils ne ressemblaient en rien à ce que la nature produit. Mais les scientifiques ont trouvé une solution dans un concept appelé diffusiophorèse, dans lequel les petites molécules poussent ou tirent les plus grosses ; c'est la façon dont les petites molécules de savon extraient de gros morceaux de saleté de vos vêtements dans la machine à laver. Lorsque les chercheurs ont ajouté la diffusiophorèse à leurs modèles, les motifs ressemblaient beaucoup plus aux écailles du poisson-coffre, même s’ils étaient encore loin d’être parfaits.

Les chercheurs soupçonnent qu’un petit morphogène de Turing entraîne les cellules pigmentaires du poisson et que le poisson utilise également d’autres méthodes de structuration. « Absolument, d’autres facteurs pourraient entrer en jeu », déclare Gupta.

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Les anoles brunes trouvées dans les Caraïbes ont créé un autre type de puzzle de Turing pour Nathalie Feiner, biologiste évolutionniste à l'Université de Lund en Suède. Tous les mâles semblent utiliser le même tailleur : ils ont des chevrons sombres sur tout le dos. Mais les femelles se présentent sous deux modes : des chevrons comme les mâles, ou un motif de losanges clairs flanqués de triangles plus foncés. Feiner pense qu'un motif de type Turing pourrait facilement expliquer les diamants, avec des cellules de différentes couleurs migrant vers l'extérieur du site où la colonne vertébrale finira par se former. Mais avec les chevrons, on dirait que ces diamants s'étalent vers la queue. Pourquoi ?

La génétique fournit souvent des indices sur les mécanismes de structuration, et Feiner a découvert les racines de la mode anole dans un gène appelé CCDC170. Une version du gène CCDC170 génère des diamants et une autre des chevrons. Les diamants dominent, donc toute femelle possédant au moins une version en diamant sera une dos de diamant. Mais il arrive que les femelles produisent globalement plus de protéines CCDC170 que les mâles. Ainsi, même si les mâles possèdent la version diamant du gène, ils ne semblent pas capables de créer un motif en diamant.

La fonction de la protéine CCDC170 a également fourni un indice : elle affecte la façon dont les cellules se déplacent. Les scientifiques ne comprennent pas exactement comment les différentes versions du gène modifient la structure, mais ils spéculent que CCDC170 pourrait gérer la direction que prennent les cellules pigmentaires lors de leur migration à partir de la future lignée vertébrale – celles qui se déplacent latéralement produisant des diamants et celles qui se déplacent vers l'extérieur et vers l'arrière en créant en même temps des chevrons.

En fin de compte, les anoles utilisent la périodicité de Turing ainsi qu'un mécanisme supplémentaire : la possibilité de propager les cellules pigmentaires vers l'arrière et de créer quelque chose de différent. Au lieu d’un simple modèle de Turing, c’est Turing-plus.

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Certains poissons ont trouvé une autre façon de complexifier le repérage de Turing, en mélangeant deux versions du même type de motif de Turing – appelez-le Turing-au carré. Les modèles informatiques prédisent qu’un mélange de points noirs sur fond blanc et de points blancs sur fond noir devrait créer une distribution labyrinthique de lignes et de fioritures en noir et blanc.

En fait, de nombreux poissons labyrinthiques existent dans la nature. Miyazawa, au Japon, a analysé des milliers d'espèces de poissons à la recherche de motifs tachetés et labyrinthiques. Dans les familles de poissons où l’on trouve des espèces présentant les deux types de motifs tachetés, il existe souvent aussi une version labyrinthique. Vraisemblablement, ces poissons portant des modes de labyrinthe reflètent ce que prédisent les mathématiques, un croisement entre des taches sombres sur la lumière et des taches claires sur l'obscurité.

Les scientifiques étudient également comment le modèle d’une créature se définit au début du développement. Dans de nombreux cas, les animaux en développement établissent d’abord un pré-modèle incolore, comme les lignes d’un livre de coloriage. Plus tard, des cellules pigmentaires viennent remplir les couleurs. Les chats peuvent servir d’exemple, grâce aux travaux de Greg Barsh, généticien du développement à l’Université de Stanford, et de ses collègues. L'élevage de chats par l'homme a créé une étonnante variété de looks : tabby rayés et tachetés, siamois à points de couleur, abyssins « cochés » avec des bandes de couleur alternées sur chaque brin de fourrure, etc. En 2012, en examinant la peau de félins en développement tels que les chats domestiques tigrés et le guépard royal aux taches audacieuses, les chercheurs ont commencé à analyser les éléments du pré-modèle. Ils ont rapporté qu’un pré-modèle est établi chez les félins bien avant que les cellules pigmentaires n’arrivent sur les lieux.

Lorsque ces cellules pigmentaires arrivent enfin, il n’y en a qu’un seul type – un « crayon » – qui apparaît chez les mammifères. C’est ce qu’on appelle le mélanocyte et il dépose des pigments dans les cellules de la peau ou des cheveux. En fonction de facteurs tels que les signaux reçus par le mélanocyte, celui-ci peut produire deux types de pigments qui donnent soit des nuances de noir/brun, soit de jaune/rouge. Un manque de pigment produit du blanc.

L'équipe a récemment poussé plus loin ses travaux en identifiant un gène appelé Dkk4 qui semble produire un inhibiteur de Turing ; il est activé dans la peau des chats fœtaux avant toute coloration.

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Des études génétiques sur des chats adultes de modèles variés suggèrent que Dkk4 agit normalement pour promouvoir de larges rayures. Voici la preuve : les servals sauvages, trouvés en Afrique, possèdent deux copies normales du gène Dkk4, et ils ont de grandes rayures et des taches claires, comme un tabby. Les félins avec un gène Dkk4 normal et un mutant Dkk4 – et donc une dose de 50 pour cent – ​​ont de petites et nombreuses taches. Et les chats domestiques avec deux versions cassées de Dkk4, comme les Abyssins, ont une fourrure cochée. Ainsi, Barsh et ses collègues suggèrent que les tiques de l’Abyssinie sont en réalité de très fines rayures tigrées étroitement serrées les unes contre les autres sur chaque brin de fourrure.

La protéine produite à partir de Dkk4 et les protéines apparentées fonctionnent souvent en conjonction avec un autre groupe de protéines, celles de la famille Wnt. La paire a été liée à la structuration de Turing dans un système non directement lié à la couleur : chez la souris, les interactions entre les Wnts en tant qu'activateurs et les Dkks en tant qu'inhibiteurs conduisent à des follicules pileux uniformément espacés dans la peau en développement.

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La souris rayée africaine semble également s'appuyer sur les protéines Wnt et Dkk, ainsi que sur d'autres acteurs, pour dessiner ses rayures de course en forme de tamia. Le biologiste du développement Ricardo Mallarino et ses collègues de l'Université de Princeton ont découvert que le pré-modèle de la souris rayée - et celui du tamia également - est le résultat d'un système de Turing superposé à autre chose : dans ce cas, un simple gradient de molécules présentes en grande quantité à la colonne vertébrale et les montants inférieurs vers le ventre.

Les mathématiciens prédisaient depuis longtemps que la superposition d’un simple dégradé sur les repérages de Turing générerait des bandes alternées de points denses ou clairsemés. Imaginez un étang avec des nénuphars régulièrement espacés (les taches), puis déposez une pierre au milieu. La seule vague (le gradient) sortant du rocher créerait des ondulations, la plupart, mais pas la totalité, des nénuphars s'installant dans les vallées des ondulations. Dans les systèmes biologiques, les calculs prédisent que les repérages de Turing plus un gradient généreraient, de la même manière, des rayures avec de nombreuses taches alternant avec des rayures comportant peu de taches.

Dans la peau des souris rayées africaines en développement, ces nénuphars sont comme les taches où apparaîtront les follicules pileux – grâce aux protéines Wnt. Les taches apparaissent d'abord dans les zones qui deviendront des rayures claires, et deux jours plus tard, dans les zones destinées à être sombres. Cette distribution n'est pas créée par une chute de pierre mais par ce gradient supplémentaire, une concentration décroissante de plusieurs protéines régulant Wnt, de la colonne vertébrale au ventre. La découverte chez les souris rayées a été le premier exemple vivant de ce modèle Turing-plus-gradient que les mathématiciens prédisaient depuis longtemps, explique Mallarino.

C’est ainsi que la souris rayée crée le pré-modèle : les lignes du livre de coloriage. Les couleurs elles-mêmes sont le résultat d’un autre gène qui gère la maturation des mélanocytes : certains restent coincés dans un développement arrêté et ne sont pas capables de fabriquer des pigments, ils créent donc des rayures claires. Ceux qui mûrissent remplissent les rayures sombres.

Les idées de Turing perdurent, même des décennies après qu’il les ait proposées. Mais il ne disposait pas de toutes les informations, et l’évolution a superposé la complexité à ses simples activateurs et inhibiteurs.

"Le modèle de Turing est définitivement important", déclare Yipeng Liang, biologiste à l'Université de Virginie à Charlottesville. Mais, ajoute-t-il, « la nature est plus compliquée qu’on ne le pensait ».

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI.