Il y a des livres qui ont marqué votre enfance. Je me souviens surtout d’un roman de Mark Twain, beaucoup moins connu que les fameuses aventures de Tom Sawyer et Huckleberry Finn. Il était intitulé le détective distrait. Son protagoniste était un avocat quelque peu farfelu qui avait parmi ses hobbies la collecte, sur des feuilles de verre, des empreintes digitales de ses connaissances. Cette pratique, peu répandue à l’époque dans l’enquête policière, lui a finalement permis de résoudre une affaire d’échange de bébé et d’homicide.
Cette histoire a attiré mon attention sur un fait étonnant. Nos empreintes digitales sont déjà présentes dès notre naissance, elles ne changent pas tout au long de notre vie, et elles sont différentes de celles de tout autre être humain. Si nous regardons les doigts de nos mains, nous verrons que les deux phalanges les plus proches de la paume sont traversées par des arêtes transversales ou obliques. Mais dans la phalange la plus distale, ces crêtes se courbent et forment des motifs compliqués. Les stries digitales améliorent la préhension de nos doigts et interviennent dans la sensibilité aux différentes textures. Mais, comment se forment les dermatoglyphes, ces figures complexes caractéristiques et propres à chaque être humain ?
Cela a été un mystère complet jusqu’à très récemment. Un groupe de recherche de l’Université d’Edimbourg et du Roslin Institute vient de publier dans la revue Cellule un article proposant que le développement des dermatoglyphes soit dû à un mécanisme de réaction-diffusion. Sur le plan théorique, ce mécanisme avait déjà été proposé en 1952 par Alan Turing comme base chimique pour expliquer la morphogenèse, la formation de motifs réguliers au cours du développement embryonnaire.
Un système de réaction-diffusion explique l’émergence de motifs réguliers dans l’espace essentiellement sous l’influence de deux molécules, un activateur, qui s’active lui aussi, et un inhibiteur qui diffuse dans les tissus plus rapidement que l’activateur (Figure 1). Des modèles mathématiques montrent que, dans ces conditions, le système évolue vers la formation de schémas réguliers de concentration de ces substances, qui peuvent prendre la forme de bandes ou de taches.
Pendant longtemps, il a été avancé que les systèmes de réaction-diffusion étaient à l’origine de la formation de motifs bidimensionnels complexes, tels que les couleurs des poissons tropicaux ou les taches des félins. Ces études étaient basées sur des comparaisons entre les modèles observés et ceux prédits par des modèles mathématiques, mais n’ont pas précisé les mécanismes moléculaires réellement impliqués. Plus récemment, des cas de processus de réaction-diffusion ont été proposés avec plus de preuves empiriques. C’est le cas de entraînement des doigts o les bandes colorées du poisson zèbre. Un exemple curieux sont les quatre crêtes transversales que nous avons dans la partie avant du palais et qui facilitent la manipulation des aliments par notre langue. Les souris ont sept peignes et les cochons et les vaches en ont environ 20. Ce nombre semble être déterminé par un mécanisme de réaction-diffusion..
Revenant aux empreintes digitales, le groupe de recherche de l’Université d’Edimbourg a montré que leur développement présente de nombreuses similitudes avec celui des follicules pileux. Dans les deux cas, une prolifération de cellules épidermiques se produit, bien que dans le cas des follicules pileux, cette prolifération attire et recrute des cellules du derme. L’interaction de ces groupes de cellules donne naissance au follicule dans lequel se développent les poils (Figure 2). L’espacement régulier des poils sur la peau répond également à un processus dans lequel les mécanismes de réaction-diffusion et la capacité d’auto-organisation des cellules dermiques se chevauchent, comme a montré le même groupe de recherche il y a quelques années. Soit dit en passant, que ce groupe a révélé plus récemment un autre mécanisme de réaction-diffusion participant à l’espacement régulier des plumes d’oiseaux.
Les crêtes digitales se produisent dans une zone de la peau où les follicules pileux ne se forment pas. Les proliférations de cellules épidermiques forment donc des crêtes à la surface de la peau sans recruter de cellules dermiques. La formation de ces proliférations est régulée par deux molécules de signalisation, appartenant respectivement aux familles Wnt et BMP (Figure 2). Wnt agit comme un activateur de lui-même et d’autres molécules, telles que la BMP elle-même et le récepteur EDAR ou ectodysplasine, une protéine essentielle au bon développement de la peau et de ses structures dérivées. Wnt stimule également la prolifération de l’épiderme. Dans le même temps, la BMP agit comme un inhibiteur de Wnt. Le processus commence dans trois zones du bout du doigt embryonnaire, la marge, la base et le centre (Figure 2). A partir de là, se forment des vagues de prolifération qui convergent et interfèrent, donnant naissance à des formes nécessairement aléatoires du fait de l’imprévisibilité du processus. C’est la raison pour laquelle deux empreintes digitales ne peuvent pas être identiques.
Alan Turing a aidé à déchiffrer le code Enigma et ses contributions visionnaires continuent de nous permettre de percer des mystères aujourd’hui. Au fait, si vous voulez jouer à créer des motifs aléatoires basés sur les équations mathématiques définies par Turing, vous pouvez accéder à VisualPDEun site web développé dans le Centre de développement universitaire de Durham. Vous pourrez voir comment chaque fois que vous proposez des origines différentes pour le processus, vous obtenez des modèles différents. (Figure 3).
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Cet article nous est envoyé Ramon Muñoz-Chapuli (Grenade, 1956) a été professeur de biologie animale à l’Université de Malaga jusqu’à sa récente retraite. Il a publié une centaine d’articles scientifiques sur la biologie du développement et de l’évolution animale dans des revues nationales et internationales, ainsi que de nombreux articles informatifs. Son enseignement s’est concentré principalement sur ces sujets, bien qu’il ait également enseigné l’histoire de la biologie et la philosophie des sciences au niveau postuniversitaire. Il a été vice-doyen de la Faculté des sciences et directeur de l’École doctorale de l’UMA. Il est l’auteur de plusieurs nouvelles primées dans des concours littéraires et de deux romans Le rêve de l’Antéchrist y Zugwang.
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