TPE Modelisation du comportement défensif de la seiche - David Monge

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TPE Série scientifique : Thème : Modèle, modélisation : Modélisation du comportement défensif de la seiche. Matéo Boyer, David Monge et Lucas Paoli.

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TPE fait par trois élèves de terminale S du lycée Sonia Delaunay (Mateo boyer, Lucas Paoli et David Monge) à propos du comportement défensif de la seiche (camouflage, jet d'encre, puis propulsion) (Notre nous a permis d'obtenir la note de 19 au baccalauréat S.)

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TPE Série scientifique :

Thème : Modèle, modélisation :

Modélisation du comportement défensif de la

seiche. Matéo Boyer, David Monge et Lucas Paoli.

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Quels sont les moyens de défense de la seiche ?

Sommaire :

Introduction :......................................................................................................................3

I – Un animal invisible dans son milieu… :...........................................................................6

L’homochromie :............................6

Le chemin de l’information :……….7

Les chromatophores :………………….8

Les couleurs :…………………………….11

II - … qui peut distraire son agresseur… :...........................................................................14

La mélanine :…………………….………15

L'hydroxyproline :……………………..17

La dopamine :……………………………20

III – … et s’enfuir. :............................................................................................................21

La propulsion à réaction :………….21

Aérodynamisme et flottabilité :…24

Conclusion :......................................................................................................................26

Bibliographie :.........................................................................................................................27

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Introduction :

La seiche est un des céphalopodes les plus connus avec le poulpe et le calamar. Son corps ovale, légèrement aplati, mesure en moyenne 30cm (tentacules comprises) mais il peut atteindre jusqu’à 1 mètre pour les plus grandes espèces.

Animal principalement benthique (vivant à proximité du fond), on la trouve jusqu’à une profondeur de 150m environ.

Ce que l’on appelle couramment « os de seiche » est la coquille interne du céphalopode (voir schéma), conçu pour résister à une pression de 25 bars, soit environ 240m de profondeur. Il explique pourquoi la seiche ne se trouve qu’à proximité des littoraux.

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Pour observer par nous même et comprendre cet animal, nous avons procédé à une dissection :

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Il existe plus d’une centaine d’espèce de seiche à travers le monde, depuis les côtes d’Europe occidentale jusqu’à l’océan Pacifique.

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Ses seuls prédateurs dangereux sont quelques gros poissons comme les requins, les dauphins ou encore les phoques... et l'homme qui est son principal ennemi, avec en moyenne 15.000 tonnes de seiches communes (donc sur une seule espèce) pêchées par an sur les vingt dernières années.

Quels sont donc les moyens de défense de la seiche ?

La seiche a un comportement assez particulier lorsqu’elle est attaquée : D’abord cachée dans son milieu, grâce au phénomène d’homochromie qui lui permet de changer la couleur de sa peau, elle va tenter d’effrayer son agresseur en prenant des teintes vives et des formes étranges quand elle se sent en danger. Si malgré tout, le subterfuge est inefficace, elle peut disparaitre derrière un nuage d’encre, puis fuir grâce à la propulsion à réaction, en expulsant l’eau contenue dans la cavité palléale (voir schéma).

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I – Un animal invisible dans son milieu… :

L’homochromie : Le meilleur moyen de survivre aux confrontations avec un prédateur, est de les éviter ! Pour cela, la seiche, comme d’autres animaux, parvient à se fondre dans son environnement en adaptant ses couleurs à celui-ci. Elle devient ainsi invisible aux yeux de ses prédateurs.

Ce mimétisme, appelé homochromie permet des modifications très rapide de la couleur de la peau et donc une imitation presque parfaite du support sur lequel se trouve l’animal.

Les prédateurs auxquels la seiche peut avoir affaire ne possèdent pas une très bonne vue (dauphins, requins), la seiche disparait donc facilement aux yeux de ses principaux ennemis.

La particularité de la seiche, est qu’elle parvient à s’adapter aux couleurs de son environnement, alors qu’elle voit en noir et blanc, et qu’elle ne distingue que la lumière polarisée.

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Le chemin de l’information : C’est le ganglion stellaire (équivalent du cerveau chez la seiche) qui contrôle les changements de couleurs. Lorsque que la seiche aperçoit un danger, l’œil envoie un message nerveux au « cerveau » :

Le cerveau retransmet alors l’information dans les zones concernées par la modification de couleur. Le message atteint alors les chromatophores (mini-organes), qui en s’étirant ou se rétractant, vont changer la teinte de l’animal :

Les cellules nerveuses, pour se transmettre un message, ont un prolongement appelé axone ou fibre nerveuse. Ceux-ci se regroupent et forme les nerfs, et parcourent tout le corps.

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Un message nerveux est un influx électrique, mais l’écart entre les terminaisons des cellules ne permet pas une transmission électrique, ces zones de « contact » sont appelés synapses.

La communication devient alors chimique : il y a libération de neurotransmetteurs dans la fosse synaptique. Ces neurotransmetteurs ont un rôle de messager intercellulaire. Ils seront captés par la membrane post-synaptique de l’autre cellule, puis retransmis en signal électrique si c’est un neurone, ou en action si c’est une cellule musculaire. (On dit d’une cellule musculaire qu’elle est effectrice, car elle effectue l’action)

Il existe des synapses excitatrices ou synapses inhibitrices en fonction de l’effet des neurotransmetteurs qu’elles contiennent.

Mais les neurones ne sont pas directement reliés aux cellules effectrices. Entre elles, se trouve un intermédiaire : le motoneurone. Un motoneurone est une cellule nerveuse qui va directement innerver les fibres musculaires.

Dans le cas de la seiche, le neurone transmet l’information au motoneurone qui va la faire circuler jusqu’aux muscles qui entourent les chromatophores :

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Les chromatophores : Chaque chromatophore comprend un sac élastique - qui contient le pigment – auquel sont attachés plusieurs muscles. Quand les muscles sont excités (par les neurotransmetteurs), il y a contraction, le chromatophore s’étale. Quand les muscles se relâchent, le chromatophore se rétracte :

Chaque muscle radial est innervé par trois fibres nerveuses en moyenne. Celles-ci suivent le muscle et forment des synapses sur toute sa longueur. Chaque fibre nerveuse forme alors une vingtaine de synapses sur un même muscle. Il peut donc y avoir jusqu’à cent synapses par muscle, ce qui permet une très grande rapidité de réaction.

Par exemple, Il faut approximativement 1 seconde à Sepia officinalis pour passer de l’état de la photo de gauche à celui de droite.

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Chaque axone ne va former qu’un seul type de synapse, il y a donc des axones impliqués dans la contractions du muscle et d’autres impliqués dans sa décontraction :

Schéma de l’expansion des chromatophores, en fonction du nombre d’axones stimulés :

Lors de notre dissection, nous avons également pu observer les chromatophores de la seiche :

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Il y a trois types de neurotransmetteurs utilisés par la seiche : le glutamate, la FMRFamide et la sérotonine 5-HT (5-hydroxytriptamine).

Le glutamate et la FMRFamide sont à l’origine de la contraction des muscles alors que la sérotonine a une fonction inhibitrice.

Le glutamate et la FMRFamide se complète à merveille, le premier a une action instantanée et permet des changements de couleurs fulgurants, alors que l’autre agit plus lentement mais a une durée d’efficacité plus longue et permet de maintenir une couleur pendant des heures.

Les couleurs : Le pigment des chromatophores est la mélanine. Mais il existe deux type de mélanine : l’eumélanine à l’origine du brun et du noir et la phaeomélanine, qui varie du jaune au rouge. On distingue donc des chromatophores de différentes couleurs : noirs, bruns, jaunes et rouges. Ils peuvent également être élargis individuellement, ce qui permet un large panel de couleur.

Ils ont également pour fonction de gérer la quantité de lumière arrivant sur les cellules réflectrices, qui se trouvent plus bas dans la peau.

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Les chromatophores se trouvent dans la partie supérieure du derme, et en dessous se trouvent d’autres cellules capables de produire des tons verts et bleus (iridophores) ou blancs (leucophores) :

Les iridophores et les leucophores sont différents des chromatophores, parce qu’ils ne possèdent pas de pigment mais reflètent différentes longueurs d’ondes de lumière.

Les iridophores reflètent les bleus et les verts, soit des longueurs d’onde de 430 à 530 nm environ.

Spectre de la lumière visible

Ces cellules parviennent à renvoyer ces longueurs d’ondes au moyen de lames de guanine cristallisée, alternées avec des couches de cytoplasme, alors qu’elles sont elles-mêmes incolores. (La guanine est une base azotée, présente dans l’ADN sous forme de nucléotides.)

Dans l’eau, on retrouve beaucoup de bleus et de cyans, les iridophores ont donc une grande importance dans le mimétisme : ils permettent à la seiche de reproduire les reflets de l’eau.

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Les leucophores sont des cellules aplaties, elles reflètent la lumière à l’aide de purine cristallisée, sous forme de « boutons » appelés leucosomes. (La purine est une molécule azotée, précurseur de la guanine.)

Les leucophores sont incolores mais peuvent renvoyer fidèlement les ondes lumineuses en provenance du milieu, et donc sa couleur. Lorsqu’il s’agit de la lumière incidente (Provenant directement de la source.) ils servent à obtenir des teintes blanches, en réfléchissant la lumière dite « blanche ».

Les leucophores apparaissent donc blanc et peuvent, de plus, permettre à la seiche de reproduire la luminosité de l’arrière plan.

Différentes proportions de chromatophores, iridophores et leucophores permettent donc à la seiche de reproduire la quasi-totalité des couleurs et des luminosités de son environnement.

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De plus la seiche a également la possibilité de modifier la « texture » de sa peau grâce à de multiples muscles, placés juste sous l’épiderme. Ces muscles appelés papilles peuvent faire des pointes de plus de 1 cm de hauteur. Elle peut ainsi briser les contours de son corps et donc optimiser la discrétion procurée par les changements de couleurs.

Par ailleurs, la seiche prend parfois des teintes vives et des formes effrayantes pour tenter d’effrayer son prédateur, mais comment choisit-elle de fuir ou d’effrayer ? Et retient-elle les motifs qu’elle utilise ? Autant de questions sur lesquelles des chercheurs travaillent encore…

Mais malheureusement le camouflage n’est pas une technique infaillible !

II - … qui peut distraire son agresseur… :

Lorsque l’homochromie est inefficace, la seiche n’est pas démunie pour autant ! Elle peut disparaître derrière un nuage d’encre :

Cette encre part de la poche du noir et est expulsée par les contractions du manteau, en même temps que l’eau contenue dans la cavité palléale :

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La poche à encre, aussi appelée poche de noir, est un organe constitué d’une glande sécrétant de la mélanine et d’un réservoir.

Cette encre est principalement composée de mélanine, de dopamine, (qui est un neurotransmetteur pouvant affecter le sens olfactif et la perception des formes du prédateur) et de mucus. Le mucus est une sécrétion visqueuse et translucide, entre autre présente sur les écailles des poissons et la peau des céphalopodes, il leur permet de mieux glisser dans l’eau et de se protéger des parasites et maladies présentes dans son environnement. Celui-ci contient par ailleurs de l’hydroxyproline, un acide aminé qui est certainement l’épaississant de l’encre.

En plus de masquer la seiche, le nuage occupe le prédateur car ce dernier le prend pour sa proie à cause des effets de la dopamine.

La mélanine :

La mélanine est issue de la réaction chimique entre la tyrosine et la tyrosinase.

La tyrosine est un acide aminé de formule brute C9H11NO3 :

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Sous l’action de l’enzyme tyrosinase, celle-ci catalyse l’oxydation de la tyrosine et donne de la mélanine :

Détails de l’action de l’enzyme sur le substrat :

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Cette réaction a lieu dans des organites appelés mélanosomes, eux-mêmes à l’intérieur de cellules nommées mélanophores. Ces cellules, sont quant à elles, présentes dans la glande sécrétrice de mélanine dans la poche d’encre:

L'hydroxyproline :

L'hydroxyproline est un acide aminé, de formule brute C5H9NO3. On peut supposer que c’est cet acide aminé qui est à la base de l’épaisseur de l’encre car il est fortement présent dans le collagène et dans le mucus. (Le collagène est la protéine qui confère la résistance à l’étirement des tissus organiques.)

Structure de l’hydroxyproline :

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Ces suppositions sont étayées par le fait que lorsque la seiche éjecte une grande quantité d’encre, la proportion de mucus est faible et le nuage se diffuse très vite dans l’eau.

Alors que si la quantité d’encre est plus faible, la proportion de mucus est plus grande et le nuage, plus épais ne se diffuse pas dans l’eau.

Pour confirmer notre hypothèse, nous avons réalisé une expérience :

On a comparé l’évolution d’un nuage d’encre de seiche avec celle d’un nuage de peinture (composée de pigment broyés et de gomme arabique, produit liant facilement soluble dans l’eau) dans un saladier d’eau.

Avec la peinture :

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Photographie prise après une dizaine de secondes.

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Et avec l’encre :

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Photographie prise après quelques secondes.

Photographie prise après quelques minutes.

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Cette expérience montre bien que l’encre de seiche a la particularité de former un nuage compacte qui ne se diffuse pas dans l’eau, contrairement à la peinture, qui, elle, se diffuse très rapidement.

Le mucus permet donc à l’encre de rester en nuage compacte mais volumineux, pour optimiser son efficacité.

La dopamine : La dopamine est un neurotransmetteur présent dans l’encre. Lorsqu’il atteint le cerveau du prédateur, il va perturber son sens olfactif et sa perception des formes. Le prédateur confond donc le nuage avec la proie.

La dopamine, neurotransmetteur dit excitateur, va supplanter les messages olfactifs en provenance des organes sensitifs et donc les empêcher d’aboutir.

Schéma de l’action du trajet de la dopamine :

Pour plus de précision sur le fonctionnement des synapses, se référer à la première partie, qui en détaille le fonctionnement.

Mais la dopamine n’étant pas présente en très grande quantité, elle n’a que peu d’effets sur les grands prédateurs, comme le dauphin ou l’homme. Mais face à un adversaire de plus petite taille, il permet à la seiche de disparaître derrière le nuage d’encre, et de s’enfuir en exploitant le phénomène de propulsion à réaction.

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III – … et s’enfuir. :

La propulsion à réaction : Lorsqu’elle expulse l’encre, la seiche vide également l’eau qui est dans sa cavité palléale, ce qui lui permet de se propulser en arrière.

L’eau ainsi expulsée par les contractions du manteau, permet à une seiche d’une trentaine de centimètres d’atteindre 10 km/h. Les plus grandes espèces parviennent à dépasser les 30km/h.

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Pour cela la seiche aspire l’eau par les ouvertures entre la tête et le manteau :

Avec l’arrivée d’eau le corps s’élargit, lorsque que la taille maximale est atteinte, le corps est 60% plus gros. Lors de l’expulsion les ouvertures se ferment, le manteau se contracte et l’eau est violemment éjectée par le siphon :

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Organes internes

Muscles du manteau

Eau

Contraction

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Le manteau de la seiche est la partie la plus musclée de l’animal, il est composé de muscles circulaires, alternés avec des muscles radiaux sur toute sa longueur (différents de ceux des chromatophores), qui en se contractant permettent au manteau de s’épaissir :

Après l’expulsion de l’eau, les muscles se décontractent, et la cavité palléale peut à nouveau se remplir d’eau.

Cette opération peut être répétée 6 à 10 fois avant que la seiche ne s’épuise.

D’après la loi de conservation de la quantité de mouvement, on peut en déduire que la masse du volume d’eau expulsée, multipliée par sa vitesse, sera égale à la masse de la seiche, multipliée par sa vitesse :

m(eau propulsée)*v(eau propulsée)=m(seiche)*v(seiche)

Donc, la vitesse de la seiche sera égale à la masse du volume d’eau expulsée, multipliée par sa vitesse et divisée par la masse de la seiche :

V(seiche) = [m(eau propulsée)*v(eau propulsée)] / m(seiche)

La force exercée sur la seiche est une force de réaction entre le support, l’eau, et la seiche, d’où le nom de propulsion à réaction.

C’est le même phénomène qu’emploient les fusées ou les avions à réaction.

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Aérodynamisme et flottabilité :

La coquille interne de la seiche est la seule partie dure de la seiche, située juste sous la peau du dos, c’est elle qui « tient » tout le corps et qui lui donne sa forme.

Sa forme aérodynamique se répercute donc sur le reste du corps. Et couplée au mucus présent sur la peau de la seiche, il permet de limiter au maximum la force de frottement avec l’eau lors de la propulsion et d’ainsi d’optimiser sa vitesse.

Mais l'utilité de l’os de seiche ne s’arrête pas là. Il lui permet également de modifier sa flottabilité.

Dans un liquide (en l'occurrence l’eau de mer), tous les corps sont soumis à la poussée d'Archimède qui stipule que tout corps plongé dans un fluide subit une force verticale, dirigée de bas en haut et égale au poids du volume de fluide déplacé par le corps immergé.

La flottabilité d’un corps est en fait la différence entre la poussée d’Archimède (π) et le poids (P).

* Si π – P > 0 alors la flottabilité est positive : le corps remonte à la surface.

* Si π – P < 0 alors la flottabilité est négative : le corps coule

* Si π – P = 0 alors la flottabilité est nulle : le corps reste entre deux eaux.

Revenons-en à la seiche. Son os, composé de plusieurs couches de calcaire (À mesure qu’une seiche grandit et prend du poids, d’autres couches viennent s’ajouter à l’os), entre chaque couche se trouve une grande quantité de cavités isolées. Elles peuvent être remplie de gaz ou d’eau, par un phénomène d’osmose, la seiche pompe l’eau hors des cavités, ou la laisse entrer.

Le rapport gaz/liquide permet à la seiche d’ajuster son poids à la poussée d’Archimède, pour pouvoir descendre, monter, ou se maintenir à une certaine profondeur sans efforts.

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x

En faisant varier son poids, la seiche peut optimiser la propulsion : lorsque π + P = 0 ; la résultante des forces (vecteur vitesse) est égale à la force de réaction (la force de frottement est comprise dans celle de réaction.), ce qui lui permet d’être parfaitement horizontale.

Donc en faisant varier son poids, la seiche peut arriver à une flottabilité nulle, de façon a optimiser la vitesse gagnée par la propulsion à réaction.

Elle peut ainsi faire des « bonds » de 10 mètres avant que la force de frottement ne l’arrête. Ce qui lui suffit tout de même pour s’échapper et se mettre à l’abri !

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R

π

P

Bilan des forces :

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Conclusion :La seiche est un animal à corps mou, qui ne possède pas d’épines, de crocs, de venin capables de lui assurer la survie lors d’un combat contre un de ses prédateurs, elle doit donc à tout prix éviter ces rencontres. Si cela arrive quand même, elle doit réussir à tromper le prédateur.

Elle compense donc sa vulnérabilité par son homochromie, qui lui permet de se cacher, son encre, qui lui permet de distraire les prédateurs et le phénomène de propulsion à réaction, qui lui permet de s’enfuir.

Et c’est grâce à cela qu’elle maintient depuis 80 millions d’années sa place dans le règne animal.

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Nous avons réalisé la quasi-totalité des schémas. (Le dessin de la 1ère page est réalisé à l’encre de seiche).

Bibliographie :

Sites et documents internet :

Cephalopod chromatophores: neurobiology and natural history - J. B. MESSENGER:

http://clem.sch.free.fr/SEP/Messenger2001.pdf

Monographie sur Sepia Officinalis – Denis Poignonec, Corinne Delance :

http://denis.poignonec.free.fr/commun/rapports/seiche/Seiche.html

Des céphalopodes – Aquarium Museum de Nancy :

https://docs.google.com/viewer?a=v&pid=gmail&attid=0.3&thid=12cf5f3b6c7fbc09&mt=application/pdf&url=https://mail.google.com/mail/?ui%3D2%26ik%3D96c4c5c980%26view%3Datt%26th%3D12cf5f3b6c7fbc09%26attid%3D0.3%26disp%3Dattd%26zw&sig=AHIEtbTtSSX7gAs7F0wBogRrPsCEShdJRQ

Site de la FAO :

http://www.fao.org/fishery/species/2711/en

Site de la commission de l’environnement de la biologie subaquatique :

http://doris.ffessm.fr/fiche2.asp?fiche_numero=230

Étude préliminaire du traitement d’effluents contenant de l’encre de seiche par centrifugation et procédés à membranes – Imen Aloulou, Khaled Walha, Raja Ben Amar, Francis Quemeneur, Pascal Jaouen :

http://id.erudit.org/iderudit/014422ar

Encyclopédie en ligne wikipédia :

http://fr.wikipedia.org/wiki

Site de l’aquarium du golfe du Morbihan :

http://www.aquarium-du-golfe.com/golfe-morbihan-environnement/seiche.php

Site du CNS :

http://www.cns.fr/spip/Collection-d-ESTs-d-embryons-de.html

Livres :

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La grande encyclopédie du monde animal – éditions sedes

Images et références

Photo seiche position normale: http://www.pescofi.com/IMG/jpg/seiche2.jpg

photo seiche intimidation: http://www.google.fr/imgres?imgurl=http://lh5.ggpht.com/_cmLMxwOqXk/

RnAHjgDWjRI/AAAAAAAAAgM/YbEr7pEilGE/%252356-Seiche%2B

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