Chaque automne, des papillons monarques à travers le Canada et les États-Unis tournent leurs ailes colorées vers le Rio Grande et migrent sur plus de 2,000 XNUMX milles vers la chaleur relative du centre du Mexique.
Le voyage, répété instinctivement par des générations de monarques, se poursuit même si leur nombre a chuté en raison de la perte de leur seule source alimentaire, l'asclépiade. Maintenant, les scientifiques pensent qu'ils ont brisé le secret de la boussole interne, codée génétiquement, les monarques utilisent pour déterminer la direction sud-ouest, ils devraient voler chaque automne.
"Leur boussole intègre deux informations - l'heure du jour et la position du soleil à l'horizon - pour trouver la direction du sud", explique Eli Shlizerman, professeur adjoint à l'Université de Washington, qui a des rendez-vous conjoints dans les mathématiques appliquées et départements d'ingénierie électrique.
Bien que la nature de la capacité du papillon monarque à intégrer l'heure du jour et l'emplacement du soleil dans le ciel soit connue par des recherches antérieures, les scientifiques n'ont jamais compris comment le cerveau du monarque reçoit et traite cette information. Pour l'étude, les chercheurs ont voulu modéliser la boussole du monarque est organisé dans son cerveau.
«Nous voulions comprendre comment le monarque traite ces différents types d'informations pour produire ce comportement constant - en volant vers le sud-ouest chaque automne», explique Shlizerman.
Les monarques utilisent leurs grands yeux complexes pour surveiller la position du soleil dans le ciel. Mais la position du soleil n'est pas suffisante pour déterminer la direction. Chaque papillon doit également combiner cette information avec l'heure de la journée pour savoir où aller. Heureusement, comme la plupart des animaux, y compris les humains, les monarques possèdent une horloge interne basée sur l'expression rythmique des gènes clés.
Cette horloge maintient un modèle quotidien de physiologie et de comportement. Chez le papillon monarque, l'horloge est centrée dans les antennes et ses informations transitent par les neurones vers le cerveau.
Les biologistes ont déjà étudié les modèles rythmiques des antennes du monarque qui contrôlent l'horloge interne, ainsi que la façon dont leurs yeux composés déchiffrent la position du soleil dans le ciel. Pour l'étude, publié dans la revue Cell Reports, les chercheurs ont enregistré des signaux provenant des nerfs des antennes chez les monarques, car ils transmettaient des informations d'horloge au cerveau ainsi que des informations lumineuses provenant des yeux.
La route la plus courte n'est pas la meilleure
"Nous avons créé un modèle qui incorpore cette information - comment les antennes et les yeux envoient cette information au cerveau", dit Shlizerman. "Notre objectif était de modéliser quel type de mécanisme de contrôle serait à l'œuvre dans le cerveau, puis nous avons demandé si notre modèle pouvait garantir une navigation soutenue dans la direction sud-ouest."
Dans leur modèle, deux mécanismes neuronaux - un inhibiteur et un excitateur - contrôlent les signaux des gènes d'horloge dans les antennes. Leur modèle avait un système similaire en place pour discerner la position du soleil basée sur les signaux des yeux. L'équilibre entre ces mécanismes de contrôle aiderait le cerveau du monarque à déchiffrer la direction sud-ouest.
Sur la base de leur modèle, il apparaît également que lors des corrections de trajectoire, les monarques ne prennent pas simplement le virage le plus court pour reprendre le chemin. Leur modèle comprend une caractéristique unique: un point de séparation qui contrôlerait si le monarque tournait à droite ou à gauche dans la direction sud-ouest.
"L'emplacement de ce point dans le champ visuel du monarque change tout au long de la journée", dit Shlizerman. "Et notre modèle prédit que le monarque ne franchira pas ce point quand il fera une correction de cap pour repartir vers le sud-ouest."
D'après leurs simulations, si un monarque s'éloigne de sa trajectoire en raison d'un coup de vent ou d'un objet sur son passage, il se tournera dans n'importe quelle direction pour ne pas devoir traverser le point de séparation.
Des études supplémentaires devraient confirmer si le modèle des chercheurs est compatible avec l'anatomie, la physiologie et le comportement du cerveau du papillon monarque. Jusqu'à présent, certains aspects de leur modèle, comme le point de séparation, semblent correspondre aux comportements observés.
"Dans les expériences avec les monarques à différents moments de la journée, vous voyez des occasions où leurs changements de trajectoire sont inhabituellement longs, lents ou méandres", dit Shlizerman. "Ce pourrait être des cas où ils ne peuvent pas faire un virage plus court parce qu'il faudrait traverser le point de séparation."
Leur modèle suggère également une explication simple pour laquelle les papillons monarques peuvent inverser leur cours au printemps et retourner vers le nord-est des États-Unis et du Canada. Les quatre mécanismes neuraux qui transmettent des informations sur l'horloge et la position du soleil auraient simplement besoin de changer de direction.
"Et quand cela arrive, leur boussole pointe vers le nord-est au lieu du sud-ouest", explique Shlizerman. "C'est un système simple et robuste pour expliquer comment ces papillons-génération après génération-font cette migration remarquable."
Daniel Forger à l'Université du Michigan et James Phillips-Portillo à l'Université du Massachusetts sont les co-auteurs de l'étude, qui a été financée par la National Science Foundation et le Washington Research Fund.
La source: Université de Washington
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