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Les rayures sont courantes dans nos vies. C’est un modèle assez simple et facile à prendre pour acquis.
En tant que mathématicien appliqué qui étudie la formation des motifs dans la nature, je suis impressionné par les motifs rayés que le poisson zèbre porte sur son corps et ses nageoires.
Examinez de plus près les bandes noires et dorées du poisson-zèbre et vous verrez des cellules pigmentaires de différentes couleurs, des dizaines de milliers. J'aime imaginer ces cellules comme des personnes se promenant dans une pièce bondée: tout comme nous, les cellules se déplacent et interagissent avec leurs voisins. Les bandes apparaissent parce que les cellules s’instruisent et se signalent très soigneusement comment se comporter. Ils se «même serrent la main» en quelque sorte en se dirigeant vers des cellules distantes.
D'un point de vue mathématique, les bandes de poisson zèbre tombent dans le champ de l'auto-organisation, un phénomène dans lequel les individus interagissent pour produire un motif beaucoup plus grand que tout individu, sans direction externe. Les troupeaux d'oiseaux et les poissons pêchant sont également des exemples d'auto-organisation dans la nature. Personne ne se trouve sur un mégaphone appelant des instructions pour que les oiseaux s'assemblent ou que les cellules pigmentaires produisent des stries de poisson. Cependant, remarquablement, ils s'organisent tous deux pour créer des motifs.
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Jusqu'à récemment, la communauté des chercheurs pensait que seuls deux types de cellules étaient impliqués dans les rayures du poisson zèbre: les rayures noires et dorées, donc les cellules noires et dorées. Toutefois, des expériences ont montré qu'un troisième type de cellules pigmentaires - les iridophores bleu et argenté - était essentiel à la formation de motifs. Retirez-le de la peau, et le poisson zèbre ont des taches!
Alors, comment des milliers de cellules de couleurs différentes sur un poisson-zèbre en croissance travaillent-elles ensemble pour former des bandes de manière cohérente? Pour répondre à cette question, j'ai développé un modèle mathématique en collaboration avec le professeur de mathématiques appliquées Bjorn Sandstede. Dans notre modèle, les cellules pigmentaires sont des points colorés qui respectent les règles et les équations prescrites concernant la manière dont elles se déplacent, interagissent et changent de couleur. Les cellules de couleurs différentes se comportent de différentes manières. Il y a beaucoup de questions sur le poisson zèbre, nous avons donc décidé de nous concentrer sur les nouveaux arrivants: ces cellules bleues et argentées.
Math offre une perspective différente des expériences biologiques typiques sur les poissons. Les biologistes peuvent observer le comportement des cellules, mais il est plus difficile de déduire les signaux derrière leur comportement. À l'aide de modèles mathématiques, nous pouvons tester de nombreuses interactions cellulaires possibles et suggérer celles qui sont réellement capables d'expliquer les comportements observés par les biologistes. Les biologistes peuvent ensuite tester nos prévisions sur de vrais poissons.
Notre modèle suggère qu'il existe plusieurs signaux au travail qui indiquent aux cellules argentées et bleues sur la peau du poisson. Tous ces signaux sont redondants. Quelques indications sont toutes les instructions dont une cellule peut avoir besoin dans un monde parfait, mais le monde n’est pas parfait. Par exemple, nous pensons que les cellules noires proches signalent aux iridophores de modifier leur densité et leur couleur. Mais s'il n'y a pas de cellules noires autour pour transmettre ce signal, des cellules dorées distantes peuvent remplir et fournir les mêmes instructions.
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Vous pouvez considérer ces signaux redondants comme un ensemble de différents réveils. Si vous avez une réunion importante le matin, vous pouvez définir un réveil, émettre une notification sur votre téléphone et demander un appel de réveil. Toute cette redondance signifie que vous aurez probablement beaucoup de repères pour vous réveiller. Mais si votre téléphone meurt ou si la réception oublie d’appeler, cela signifie également que vous aurez toujours votre réunion à temps. La redondance garantit le résultat souhaité, même en cas d'échec d'un signal.
La même idée peut être à l'œuvre chez le poisson zèbre. Notre modèle suggère que des cellules de couleurs différentes s'instruisent constamment. Cela garantit que les iridophores bleus et argentés sont soumis aux indications de tous les côtés sur la façon de se comporter. En raison des signaux multiples, les échecs occasionnels ne perturbent pas trop les schémas. Le résultat: des rayures fiables.
Pourquoi est-ce important? Les gènes du poisson zèbre sont étonnamment similaires aux gènes humains. En comprenant comment les cellules pigmentaires interagissent dans le poisson zèbre normal et muté, les chercheurs pourront peut-être commencer à lier des gènes à leur fonction.
L’histoire de la formation de motifs de poisson zèbre n’est pas encore terminée. Pour l'instant, cependant, la prochaine fois que vous verrez un poisson rayé, pensez à vous arrêter un instant pour reconnaître tout le travail des cellules pigmentaires dans la création de ce motif. Ces bandes fiables sont sacrément étonnantes.
Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation par Alexandria Volkening. Lisez l'article original ici.
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