Comment la nature peut-elle produire des structures si régulières?

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.

Zèbre

Léopard

Girafe

Comment la nature peut elle produire des structures si régulières?

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.

phénylalanine

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?

2) Un mécanisme de diffusion :

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.

(animation flash)

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) :

- un activateur A

qui est catalyseur de sa propre formation (autocatalyse)

qui diffuse lentement

- un inhibiteur B

dont la formation est catalysée par l'activateur

qui diffuse rapidement

qui ralentit la formation de l'activateur

Un infime excès de l'activateur peut se former à un endroit du milieu sous l'effet des mouvements aléatoires des molécules. Les mécanismes d'activation vont entraîner à cet endroit une production supplémentaire de A ainsi qu'une production de B. Un pic d'activateur A et de B va se former. L'inhibiteur diffuse plus vite que l'activateur et le pic de B s'étale plus largement que celui de A. Il y aura un déficit en inhibiteur au centre du pic et par contre un excès de celui-ci sur les "ailes" du pic. Ceci entraîne une localisation du pic d'activateur dans l'espace. A distance suffisamment grande du premier pic, l'influence de l'inhibiteur faiblit et d'autres pics d'activateur peuvent se former.

(animation Flash)

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).

La simulation rend compte de manière approximative d'un des trois motifs ci dessus. Lequel?

(animation Flash)

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