Mots Clés : activateur, inhibiteur, réaction-diffusion, Turing, mélanine, phénylalanine, zèbre, léopard, girafe, embryon.

Parmi les manifestations les plus spectaculaires de la nature se trouvent les rayures du zèbre, les polygones de la girafe ou les tâches du léopard.

On voit sur les photos l'existence d'un pigment foncé : la mélanine.

1) La mélanine :

La mélanine est une molécule de couleur brune donnant sa couleur aux cellules appelées mélanocytes. Cette couleur peut aller du brun au noir.
Cette molécule est synthétisée à partir d'un acide aminé la phénylalanine qui sous l'action d'enzymes donne la mélanine.

(Faire tourner les images des molécules ci dessus à la souris)

A quelles formules développées (a), (b), (c) ou (d) correspondent la phénylalanine et la mélanine?

La mélanine est elle un acide aminé? Pourquoi?

La phénylalanine est elle un acide aminé? Pourquoi?

Le passage de la phénylalanine à la mélanine se fait sous l'action d'enzymes.

Choisir parmi les propositions ci dessous celles qui sont correctes :
Les enzymes :
(a) sont des catalyseurs des réactions biochimiques
(b) inhibent les réactions biochimiques
(c) sont des organismes vivants capables de se reproduire
(d) sont des protéines
(e) ont un nom comportant un suffixe en -ase
(f) augmentent la vitesse des réactions biochimiques
(g) ont un nom comportant un suffixe en -yme
(h) sont consommées par la réaction biochimique

La mélanine est responsable de la coloration de la peau, des cheveux, de la couleur de l'iris (couleur des yeux). Une anomalie génétique peut entraîner l'absence de tyrosinase essentielle à la formation de mélanine.

Comment s'appelle la maladie associée à cette absence de tyrosinase? Quels sont les signes apparents de cette pathologie?

Il s'agit ici de la diffusion d'une espèce chimique. Celle par exemple que l'on peut observer en déposant délicatement une goutte d'encre dans un milieu aqueux.

Cliquer sur le compte-goutte. L'encre s'étale progressivement jusqu'à occuper tout le milieu. Ce phénomène s'explique par le mouvement brownien.

3) Le modèle de Turing de réaction-diffusion :

Hypothèse : un milieu vivant au départ homogène et amorphe contient deux substances concurrentes (dont la nature chimique importe peu) :

Pourquoi appelle-t-on ce mécanisme réaction-diffusion?

Peut on voir apparaître un nouveau pic d'activateur entre deux pics déjà existants? A quelle condition?

Changeons les couleurs et le point de vue (la surface du milieu où se produit la réaction-diffusion est vue de dessus).

Que représentent les deux constantes de diffusion?

Les images ci dessous ont été obtenues avec les couples de constantes de diffusion ci dessus. Retrouver pour chaque image le couple utilisé.

Pourquoi la première valeur du couple est-elle toujours inférieure à la deuxième?
Que se passe-t-il si on inverse les deux valeurs d'un couple?

4) De la souris à l'éléphant :

Les équations de réaction-diffusion de Turing montrent que le motif obtenu dépend :
- de la forme
- de la taille de la surface
sur laquelle il se développe.

De la taille de la surface :

Un embryon très petit comme celui d'une souris n'offre pas de surface convenable : pas de motif. Des souris grises, des souris blanches mais pas de souris blanches tachetées de gris.
Un embryon très gros comme celui de l'éléphant ne donne pas de motifs : couleur unie. Des éléphants gris … ou roses -) Mais pas d'éléphant rayé.

Entre les deux, la taille de l'embryon au moment de la production de mélanine détermine si le motif du pelage sera des rayures ou des taches.

De la forme de la surface :

A surface égale permettant la formation de taches, la forme fait la différence. Si on donne à une surface assez grande qui permet la formation de taches la forme d'un cylindre, les taches deviennent des rayures.
C'est le cas sur la queue de forme cylindrique du guépard qui est rayée alors que le corps est tacheté.

L'inverse n'est pas possible : un animal au pelage rayé ne peut pas avoir de queue tachetée.

Trouver les intrus :
un éléphant gris à queue grise
une souris tachetée
un zèbre à queue rayée
une souris grise à queue tachetée de blanc
un zèbre à queue tachetée
un guépard à queue rayée
un léopard à queue tachetée

5) Les limites du modèle de Turing :
Pour l'instant, aucune mise en évidence expérimentale des phénomènes de réaction-diffusion dans la morphogénèse n'a été effectuée. Cependant, les résultats théoriques sont si troublants que le modèle de Turing reste prometteur.

6) Anneaux de Liesegang :

            Les anneaux de Liesegang sont un exemple de structure périodique obtenue par une réaction chimique de diffusion/précipitation.

Matériel : peau de zèbre, de léopard, de girafe, bécher rempli d'une solution gélifiée, encrier, compte goutte, le matériel pour une expérience d'autocatalyse, ordinateur avec Java 5 installé.