TPE : Les poissons électriques 1S2/1S3 LES POISSONS ELE

TPE : Les poissons électriques
1S2/1S3
LES POISSONS ELECTRIQUES
INTRODUCTION :
L’Homme s’intéresse depuis des milliers d’années aux poissons électriques. Cet intérêt se
manifeste dès l’Antiquité, avec notamment la plus ancienne représentation de poissons
électriques, vieille de 5000 ans, sur le tombeau du Grand roi Ti de l’Ancien Empire Egyptien à
Saqqarah. Le Malaptérure, ou poisson-chat électrique, qui y est représenté, était considéré par
les Egyptiens comme le protecteur des poissons. Chez les grecs, la torpille était considérée
comme un narcotique. Ils l’utilisaient pour calmer certaines douleurs et tenter de soigner des
maladies. Au Moyen-Âge, les extraits, onguents et décoctions de Torpille étaient également
utilisés pour leur valeur médicinale. Jusqu’à la deuxième moitié du XVIIIème siècle avec
l’invention de la bouteille de Leiden, les origines du « pouvoir » des poissons électriques
demeurent inexpliquées malgré la formulation de plusieurs hypothèses erronées (pouvoir
frigorifique, explication mécanique ou poison). Au XIXème siècle, la découverte du premier
neurotransmetteur, l’acétylcholine, permet un grand pas en avant dans ‘étude des poissons
électriques, mais aussi dans l’étude du fonctionnement nerveux en général. Ainsi, au fil des
siècles, les poissons électriques ont passionné l’Homme.
Problème :
Comment fonctionnent et à quoi servent les interactions électriques à différente intensité
chez les poissons dits « électriques »?
I.
Électrogénération
Hypothèse 1 :
Les poissons électriques ont des organes électriques, ils peuvent réguler l’intensité de leurs
décharges.
Conséquence vérifiable :
Ils peuvent communiquer ou attaquer.
Résultat attendu / Objectifs :
Matériel :
- 1 aquarium
- 1 poisson éléphant
- 2 oscilloscopes enregistreurs en µV (BECA)
Protocole expérimental :
Poisson dans aqua + oscillo
BENBERNOU Abdelhamid – BLAIN Fred – GARCIA Antoine – LOSZKA Mickaël
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Conclusion de l’expérience 1 :
Les poissons électriques sont des organismes capables de générer des décharges électriques
par un organe spécialisé, appelé EOD en anglais (Electric Organ Discharges). Pour produire
de l’électricité, les poissons utilisent des « organes électriques » situés à la surface de
l’épiderme et composés de centaines de cellules spécialisées appelées « electrocytes ». Il
s’agit de cellules syncytiales (possédant plusieurs noyaux) qui peuvent dériver de cellules
nerveuses ou musculaires selon les espèces.
Ces électrocytes possèdent la faculté de produire des potentiels d’action, à l’instar des
neurones. Là où les électrocytes diffèrent des neurones c’est qu’ils s’organisent pour agir en
série ou en parallèle. L’arrangement en série permet l’addition de toutes les tensions des
potentiels d’action produits par l’organe et l’envoi d’une décharge électrique. Même si lors
de la production d’un seul potentiel d’action par un seul électrocyte la variation d’amplitude
n’est que de +100mV, la production de centaines de potentiels d’action simultanés peuvent
produire des tensions dépassant la centaine de volts pour le poisson chat ou l’anguille
électrique. L’arrangement en parallèle, lui, additionne les courants, permettant ainsi la
création d’un champ électrique autour du corps de l’animal. Ce champ électrique lui permet
de se localiser et de « scanner » son environnement.
Il existe deux sortes de poissons électriques. Les poissons électriques "à fortes décharges",
comme la torpille (poisson-guitare Torpédo panthera.), le gymnote (anguille électrique,
Electrophorus electricus) ou le malaptérure (poisson-chat électrique Malapterurus
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electricus). Ils génèrent des chocs de centaines de volts capables d'étourdir une proie ou de
chasser un prédateur.
Le secret de l’activité des électrocytes réside dans leur membrane cytoplasmique. Celle-ci
est excitable, c’est-à-dire qu’un influx nerveux peut être déclenché suite à une stimulation
électrique, chimique ou mécanique.
La membrane cytoplasmique agit comme un circuit électrique microscopique. Premièrement,
elle agit comme un condensateur qui peut être chargé électriquement de part et d’autre, et
ce avec une répartition des charges hétérogène. La source de cette différence de répartition
des charges électriques provient des pompes échangeuses d’ions, qui a le même rôle qu’un
générateur de courant. Deuxièmement, les canaux ioniques qui percent la membrane
agissent comme des résistances variables. Ces trois composants sont les principaux acteurs
de l’électrogénération au niveau moléculaire.
Le circuit électronique de la membrane cellulaire des neurones. La surface de la
membrane cellulaire de lipides agit comme un condensateur qui peut être chargé
selon les besoins du neurone. Les canaux ioniques agissent comme des résistances
variables, tandis que les pompes échangeuses d'ions agissent comme des chargeurs
de batterie.
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Les pompes échangeuses d’ions : chargeurs de batteries membranaires :
A l’instar des neurones, les
électrocytes génèrent une différence
de concentration d’ions entre
l’intérieur et l’extérieur de la cellule à
l’aide de protéines insérées dans la
membrane cellulaire que l’on nomme
« pompes échangeuses d’ions». La
pompe Na+/K+ sort des ions sodium
(Na+) et fait entrer des ions
potassium (K+). Ainsi, les ions sodium
(Na+) sont concentrés dans le milieu
externe du neurone, tandis que les
ions potassium (K+) sont concentrés à
l'intérieur des cellules. De manière
similaire, les ions calcium (Ca++) sont
concentrés hors des cellules. Pour
chaque type d’ions, il y a donc une
différence de concentration qui est
créée de part et autre de la
Les pompes échangeuses d'ions, comme la pompe
Na+/K+, échangent des ions de différentes espèces et
génèrent des gradients électrochimiques pour divers
types d’ions.
membrane.
Puisque la membrane cellulaire est faite de
lipides, elle agit alors comme une barrière
imperméable aux ions, ce qui les empêche de
retourner du côté moins concentré. En
conséquence, si on ouvrait une brèche dans
la membrane de lipides, les ions seraient
alors libres de passer de l’autre côté par
diffusion simple, ce qui se traduirait par un
petit courant électrique à travers la
membrane. Chaque différence de
concentrations ioniques générées par les
pompes est donc une pile électrique
microscopique de part en part de la
Les gradients électrochimiques de chaque
membrane cellulaire et peut produire un
type d'ion forment des batteries (des sources
petit courant électrique spécifique pour l’ion d'électricité) qui permettent le passage de
qui le compose. Ainsi, les gradients aux ions petits courants électriques lorsque des pores
sodium (Na+) et calciques (Ca++) peuvent
s'ouvrent dans la membrane cellulaire.
produire des petits courants entrants, tandis
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que le gradient aux ions potassium (K+) forme un petit courant sortant.
Les canaux ioniques : senseurs, interrupteurs et conducteurs moléculaires
Les canaux ioniques sont à la base de
la génération et la propagation de
l’influx nerveux. Ils se retrouvent
partout à la surface des électrocytes.
Les canaux ioniques sont des
protéines transmembranaires qui
forment un pore dans la membrane
cellulaire. Lorsque les canaux ioniques
sont fermés, les ions ne peuvent pas
passer de part et d’autre de la
membrane. Mais lorsqu’ils sont
ouverts, chaque canal ionique devient
un passage ouvert par où les ions
Les canaux ioniques dépendants du voltage peuvent être traversent la membrane cellulaire. Ce
sous trois états distincts: fermé, ouvert et inactivé. Seule la passage d’ions, qui est en fait un petit
forme ouverte est conductrice d'ions. Des senseurs de
courant électrique traversant la
voltage membranaire permet aux canaux ioniques de
membrane cellulaire, se fait dans le
sentir le voltage et de s'ouvrir. Le pore est sélectif et laisse
sens du gradient électrochimique de
passer un type d'ions. Les canaux ioniques peuvent
s'inactiver après un certain temps suite à des
l’ion concerné, comme on l’a vu plus
changements de forme, ce qui les force à se refermer.
haut.
Des segments spécialisés de ces
protéines agissent comme des
senseurs et détectent la différence de
tension électrique de part et d’autre
de la membrane cellulaire, ce qui
permet de contrôler l’ouverture des
canaux ioniques.
Les canaux ioniques sont spécifiques
à chaque ion. Chaque type de canal
ionique laisse passer un type d’ion
particulier.
En résumé, les canaux ioniques sont
des protéines transmembranaires qui
perçoivent les différences de voltage
membranaire. En fonction desquelles
ils laissent passer des courants d’ions.
C'est-à-dire en fonction des gradients
électrochimiques d'ions établis par les
pompes échangeuses d'ions.
Plusieurs types de canaux ioniques dépendants du voltage
existent selon leur capacité de sélection ionique. Le sens
du courant qui traverse chaque type de canaux ioniques
dépend du sens du grandient électrochimique de chaque
ion sélectionné. Les principaux types de canaux ioniques
dépendants du voltage sont au sodium (Na+), au
potassium (K+) et au calcium (Ca++).
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II.
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Électroréception
Prenons l’exemple des Gymnotiformes. Leur peau est lisse au toucher.
Les poissons capables d’électroréception ont développé des électrorécepteurs pour capter
les champs électriques, ainsi, le requin, l’esturgeon, ou tout simplement les poissons
électriques peuvent détecter les champs électriques proches.
Les récepteurs des poissons électriques tels que les gymnotiformes sont sensibles aux
champs électriques de basses fréquences, entre 0,1Hz et 50Hz, et de l’ordre de quelques
centaines de microvolts par centimètre (µV/cm). Les récepteurs tubéreux sont des
électrorécepteurs spécifiques aux gymnotiformes et mormyriformes. Plus le poisson émet
des décharges rapides, plus la proportion de récepteurs tubéreux est grande. Dans le cas des
poissons-couteaux bruns, qui déchargent à une fréquence allant jusqu’à 1300Hz, on en
retrouve environ 15000 répartis sur toute la surface de la peau de l’animal dont la moitié
dans la région de la tête, ce qui en fait la région la plus sensible aux courants électriques de
tout l’animal.
Densité des électrorécepteurs sur la peau du poisson-couteau brun, un
gymnotiforme. Chaque point représente un électrorécepteur. Leur densité
est plus élevée à la tête.
Leur peau est lisse au toucher. Des cellules disposées à la surface de la peau de l’animal
sécrètent un mucus conducteur sur l’épiderme. On peut également y observer, au
microscope, une série d’organes « ancrés » au travers des cellules de peau. Ces corpuscules
ampullaires sont les récepteurs électriques tubéreux de l’animal. Chaque récepteur est
formé d’un canal qui perce l’épiderme du poisson et s’élargit au fond en une capsule
couverte de cellules réceptrices sensibles aux champs électriques.
La capsule et les murs du canal sont composés de plusieurs couches (de 10 à 50) de cellules
de peau. Plus il y a de couches de cellules, plus les récepteurs tubéreux sont sensibles aux
hautes fréquences du champ électrique. En effet, les membranes de ces cellules épithéliales
ont une résistance importante étant donné qu’elles sont formées par une double couche de
lipides qui agit comme un isolant. Plus il y a de couches de cellules empilées, ou comme on le
dirait en électronique « placées en série », plus la résistance totale diminue, ce qui laisse
mieux passer les hautes fréquences à travers les murs de la capsule.
Le canal des récepteurs tubéreux est rempli d’un bouchon de cellules épithéliales. Les
espaces extracellulaires entre les cellules du bouchon sont inondés avec l’eau autour du
poisson, formant une voie de faible résistance à l’intérieur du bouchon.
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Au fond de l’électrorécepteur, la surface de la capsule est couverte des cellules réceptrices
sensibles aux champs électriques. La surface de ces cellules électrosensibles est formée
d’innombrables microvillosités.
Les cellules réceptrices, sont toutes connectées à une seule fibre nerveuse. Ces fibres
nerveuses se prolongent ensuite vers l’aire primaire électrosensorielle du cerveau du
poisson, le lobe électrique de la ligne latérale (Voir ELL) où elles délivrent l’information
électrosensorielle.
La face apicale des cellules électroréceptrices est en continuité électrique avec l’eau externe,
tandis que la face basale est en continuité avec le milieu interne. Entre les deux, une zone
étanche, la zonulae occludentes, scelle électriquement les deux sections. Dans les récepteurs
tubéreux, la membrane apicale agit comme un condensateur en série avec une résistance
assez élevée (les ions passent très peu à travers la membrane apicale qui ne semble pas
avoir de canaux ioniques), diminuant la sensibilité aux basses fréquences. La membrane
basale est excitée par les changements de voltage et est perméable aux ions Ca++ et aux
ions K+. Possiblement, des canaux ioniques laissent entrer les ions Ca++ qui initient le
processus de libération de neurotransmetteur à la synapse, tandis que d’autres canaux
ioniques perméables aux ions K+ ramènent rapidement la membrane à son niveau initial
d’excitabilité.
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Arbre montrant la diversité des espèces capables d’électroréception :
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III.
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Électrolocalisation
Hypothèse 2 :
Les poissons électriques ont des organes électriques, ils s’en servent pour chasser et se
repérer.
Conséquence vérifiable :
Les caractéristiques des décharges électriques des poissons varient de manière similaires, et
ce, même lorsque les poissons sont dans une obscurité complète.
Résultat attendu / Objectifs :
Matériel :
- 1 aquarium
- 1 poisson éléphant
- 2 oscilloscopes enregistreurs en µV (BECA)
- (carton)
Protocole expérimental :
Poisson dans aqua + oscillo + carton + bouffe
Conclusion de l’expérience 2 :
Voir documents de Mick
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Électrocommunication
Voir documents
d’Abdelhamid
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Bilan général
Ouverture :
Quelles sont les utilités des interactions électriques chez les poissons dits électriques
pour l’homme ?
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