Karaté Frog

Par Maya Arnould, Fandilla-Marie Furlan, Amina Medyouf et Emma Torun

Mots clés : Billets de Blog, Bionum, MEG

Avez-vous déjà vu une grenouille faire du Karaté ? Wheel kick, high kick : à quoi donc peut servir ces cabrioles d’arts martiaux ? Karaté Frog n’a pas fini de vous surprendre ! Pourquoi cette petite grenouille de Bornéo a remplacé son “CROAA” par des mouvements dignes du Karaté Kid afin de communiquer avec ses congénères ? Venez vous installer tranquillement autour d’un feu de camp, une jeune scientifique va vous expliquer ce mystère…

Dans un petit village reculé d’Ardèche, un groupe d’enfants profite de leur été en camp scientifique pour les 10-15 ans. Doucement, les étoiles font une à une leur apparition et le groupe se rassemble autour d’un feu de camp, après une journée pleine d’aventures. Ils attendent avec impatience et les yeux pétillants le moment où leur animatrice, Lisa, va commencer le récit du soir. Lisa, jeune écologue, décide de leur organiser une veillée sur ses derniers travaux à Bornéo où elle a étudié le comportement particulier d’une petite grenouille.

Lisa : Bonsoir les enfants ! Comment s’est passée la journée ? Vous avez appris beaucoup de choses aujourd’hui ?

Les enfants, tous en coeur : Ouiiiiiiii !!

Jaden (11 ans) : On a fait une balade en canoës où on a réalisé une expérience de physique avec l’eau et on en a profité pour étudier la diversité du fleuve et des bois autour.

Lisa : Wow ! C’est une bonne journée ça, on va essayer de la finir en beauté ! Hier, je vous ai raconté la bataille de vos globules blancs pour vous défendre contre les microbes. Ce soir, je vous propose, pour clôturer la dernière veillée du camp, un autre récit de biologie. Je vais vous raconter mon voyage à Bornéo.

Devant le feu qui crépite, l’animatrice commence son récit.

Lisa : Il y a quelques années alors que j’étais étudiante en thèse, je travaillais sur le comportement animal. Je suis donc partie à Bornéo, en Asie, à la recherche de l’animal que mon labo allait étudier. Une fois sur place, on a décidé de commencer notre expédition en s’aventurant dans la forêt tropicale. Je marchais depuis des heures avec mon équipe, on commençait à fatiguer. Et tout à coup…

Baptiste (13 ans) : T’as vu une panthère qui voulait protéger ses petits et elle a commencé à rugir et à se préparer pour te sauter dessus…

Lisa : Pas tout à fait, Baptiste ! L’animal était un peu plus petit qu’une panthère… Je disais donc… Quand on pensait qu’on ne trouverait plus notre animal… J’ai trébuché et je suis tombée la tête la première dans la terre mouillée de la forêt. Au moment de me relever, j’ai aperçu, entre les fougères, une petite grenouille pas plus grande que mon pouce. Mais elle a disparu d’un bond dans la verdure épaisse.

Baptiste : Mais c’est nul une grenouille ! Je pensais que ton animal était plus intéressant que ça…

Lisa : Figure-toi, Baptiste, que cette grenouille est vachement intéressante ! Elle s’appelle Staurois parvus. Et elle a une façon très particulière de communiquer : elle ne produit pas de sons mais elle fait des mouvements. Le mouvement en question s’appelle un foot-flag. C’est de l’anglais, ça signifie “pied-drapeau”. Approchez les enfants, je vais vous le montrer sur mon téléphone mais attention, il s’agit d’une version ralentie.

Les enfants se rassemblent autour de l’animatrice et regardent attentivement la vidéo qu’elle présente.

Jaden : Oh ! Mais ça me rappelle le Karaté Kid ! Mon papa m’a montré ce film, je l’adore !

Jaden se lève pour imiter le célèbre mouvement du Karaté Kid.

Pierre (14 ans) : Ah mais c’est Karaté Frog, ta grenouille en fait !

Tous les enfants rient à la blague de Pierre.

Lisa : Je vois que ça vous plaît ce petit surnom de “Karaté Frog”, on va l’appeler comme ça à partir de maintenant.

Sandra (11 ans) : Mais Lisa, pourquoi Karaté Frog ne fait pas juste “Crôa” comme les autres grenouilles ?

Lisa : Bonne question Sandra ! Ces grenouilles habitent dans un environnement bruyant à côté de cours d’eau qui masquent le son des coassements. Quand deux grenouilles veulent communiquer, par exemple deux mâles pour une question de territoire, ils vont utiliser des mouvements, comme le foot-flag que je vous ai montré [1, 2] au lieu de coasser.

Lisa : Mais attention les enfants, ce changement n’est pas arrivé du jour au lendemain ! Ces grenouilles sont un bon modèle pour vous introduire un nouveau concept qu’on utilise en évolution qui s’appelle l’adaptation. Leur ancêtres n’utilisaient probablement que les coassements mais à un moment donné, une grenouille a été capable de faire un foot-flag. Et, comme elle arrivait à mieux communiquer, le mouvement lui donnait un avantage par rapport à ses congénères qui ne faisaient que coasser. Cet avantage a fait qu’elle a eu plus de facilité à se reproduire et a donc eu plus d’enfants qui eux-mêmes ont eu des descendants. Ainsi, au cours des générations, toutes les grenouilles de cette espèce ont acquis cette caractéristique et ont pu mettre en place un nouveau mode de communication dans un environnement bruyant.

Les enfants prennent leur temps pour intégrer petit à petit les informations que Lisa vient de leur donner.

Lylia (13 ans) : Hmmm c’est marrant ton truc d’adaptation ! Mais qu’est-ce que tu entends par évolution, parce que tu ne l’as pas expliqué.

Lisa : L’évolution en biologie est le développement de caractères nouveaux en réponse à l’environnement. Elle peut se voir comme la transformation progressive d’une espèce vivante en une autre. Comme souvent en science, on ne sait pas pour l’instant l’origine moléculaire du mouvement de notre grenouille mais en se penchant plus sur la question, nous avons découvert quelque chose…

Lisa fait une pause pour marquer le suspense et reprendre le ton de son récit.

Lisa : Lors de mon séjour à Bornéo, on a fait une expérience. Chez notre grenouille, il n’y a que les mâles qui font des foot-flags. On a donc pris deux Karaté Frog mâles et on a injecté à l’une des deux de la testostérone.

Lylia : C’est quoi exactement la testostérone ?

Lisa : Ah oui Lylia ! Excuse-moi, je vais trop vite… La testostérone est une hormone, c’est à dire une substance circulante dans notre sang. Elle stimule et maintient les caractères sexuels mâle chez notre grenouille et chez tous les vertébrés. Dans l’espèce humaine, par exemple, c’est la testostérone qui est responsable de la pilosité et de la prise de masse musculaire chez les garçons à l’adolescence. On dit que la testostérone est un androgène.
Pour en revenir à mon expérience, on a pris deux Karaté Frog mâles et on a injecté de la testostérone à une seule des deux. La grenouille mâle injectée réalisait plus de foot-flag que celle qui n’en avait pas reçu. Avec cette expérience, on a pu voir que la testostérone agit directement sur le nombre de foot flag [3]. Plutôt sympa, nan ?

Lylia : Wow mais c’est trop cool !

Maude (13 ans) : Je suis pas très sûre d’avoir compris le lien entre la testostérone et le mouvement.

Lisa : Ce qu’il faut comprendre, c’est que la testostérone est une substance qui agit en se fixant sur un récepteur appelé récepteur aux androgènes. En fait, on avait déjà remarqué chez une autre espèce de grenouille qui s’appelle Xenopus laevis, qui ressemble à une grosse patate, qu’il y avait beaucoup plus de récepteurs aux androgènes au niveau des muscles du larynx [4, 5]. Il s’avère que les mâles réalisent des vocalisations pour attirer les femelles et que c’est donc en lien avec la testostérone. Avec l’expérience qu’on a réalisée, on a vu qu’une dose importante de testostérone générait plus de foot-flag chez notre grenouille [3]. Cependant, on ne sait pas vraiment ce qu’il se passe. En repensant à l’expérience faite chez X. laevis, on s’est demandé si les grenouilles faisaient plus de foot-flag parce que les muscles de leurs membres arrière contenaient plus de récepteurs. On a donc décidé de comparer les muscles des pattes arrière de trois espèces. Approchez, je vais vous dessiner l’arbre généalogique reliant ces trois espèces.

Lisa sort de sa poche une photo de chaque espèce et les pose au sol avant de relier les photos en fonction de leur lien de parenté.

Lisa : Vous pouvez voir ici, notre Karaté Frog (Staurois parvus), une grenouille assez proche d’elle (Rana pipiens) qui ne fait pas de foot-flag et une grenouille très éloignée (Xenopus laevis) qui elle non plus n’en fait pas. En effet, comme S. parvus fait des foot-flags mais pas les autres deux espèces, nous voulions savoir si la raison des foot-flags venait de la composition des muscles des membres arrière. Après analyse de leurs muscles, nous avons remarqué que les muscles de Staurois parvus avaient dix fois plus de récepteurs aux androgènes recevant de la testostérone que les deux autres espèces de grenouilles.

Tous les enfants font une tête bizarre.

Lisa : Je sais, les enfants, c’est un peu complexe ce que je vous raconte. Je vois qu’il y a quelque chose qui vous échappe. Est-ce que vous comprenez le concept de récepteur ?

Les enfants font tous non de la tête.

Lisa : Alors, voyons voir comment expliquer cela… Ah je sais ! Vous êtes un peu jeunes pour vous avoir connu les paraboles des télé ou les antennes des téléphones mais c’est un peu le même principe. Le téléphone va recevoir le signal grâce à l’antenne, ce qui va permettre d’avoir la connexion nécessaire pour appeler. Dans notre cas, l’antenne est le récepteur, le téléphone est la cellule et le signal représente la testostérone, qui fait partie de la famille des androgènes.

Sandrine (10 ans) : Lisaaaa…

Lisa : Oui, Sandrine ?

Sandrine : Il y a une chose que je ne comprends pas… Si tu mets trop de tosto.. testo… de signal… Le téléphone ne peut recevoir que quatre barres de signal, qu’est-ce qu’il se passe si elle en reçoit trop ?

Lisa : C’est une très bonne remarque ! Comme je disais, mon labo a montré que notre Karaté Frog, Staurois parvus, avait dix fois plus de récepteurs aux androgènes au niveau des muscles des membres arrière [3] ! Pour répondre à ta remarque, imagine si tu mets plus d’antennes à ton téléphone, il va pouvoir récupérer plus de signal. Pour cette grenouille, c’est exactement la même chose. Avec plus de récepteurs, la cellule peut recevoir plus de testostérone. Le muscle de la grenouille va alors pouvoir se contracter grâce au message obtenu via les récepteurs, cela va alors donner le mouvement de foot-flag que je vous ai montré plus tôt.

Pierre : Attends deux secondes Lisa… Donc plus de testostérone veut dire plus de mouvements ? Et les grenouilles ont plus de récepteurs aux androgènes… Mais je ne comprends pas vraiment comment ça se passe physiquement ?

Lisa : La réponse se trouve dans le système moteur de notre petite grenouille Staurois parvus.

Patrick (12 ans) : C’est quoi le système moteur ?

Lisa : Le système moteur, c’est l’ensemble des acteurs de ton organisme qui te permettent de réaliser un mouvement. Quand tu décides de bouger une main ou une jambe, qu’est-ce qui les fait bouger ?

Patrick : Hmmm… mes muscles ?

Lisa : Oui ! Tes muscles ! Et quelqu’un sait pourquoi les muscles bougent ?

Les enfants évitent tous le regard de Lisa.

Lisa : Les enfants ce n’est pas grave de ne pas savoir, je suis justement là pour vous expliquer. Karaté Frog voit un mâle au loin, par exemple, et il veut lui dire qu’ici c’est son territoire en l’intimidant avec ces mouvements de Karaté. Un stimulus visuel, c’est-à-dire le fait que Karaté Frog ait vu le mâle, va agir sur des cellules réceptrices. L’activation de ces cellules réceptrices va permettre la contraction des muscles via un grand relais à travers les neurones et alors induire un mouvement. Avec le stimulus visuel, il y a un relais de signal qui va passer par des interneurones, qui connectent deux neurones sur une courte distance. Ces interneurones vont finalement passer le message aux motoneurones qui eux vont donner le signal au muscle pour qu’il se contracte. Et c’est comme ça que tes muscles bougent !

Les enfants se regardent entre eux pour voir si quelqu’un a compris.

Lisa : Ok, je sais c’est pas évident à comprendre. Tiens, tiens… on a un paquet de chamallows.

Lisa prend un chamallow et se met à le griller sur le feu qui crépite suivie du regard pétillant des enfants.

Lisa : Vous sentez la bonne odeur ? Ça c’est le stimulus qui arrive à votre nez. Le message est transmis par des neurones sensoriels à votre cerveau qui envoie à son tour plusieurs messages par exemple à vos glandes salivaires ! Qui est en train de saliver ?

Tous les enfants lèvent la main.

Lisa : Un deuxième message est envoyé vers vos muscles pour vous redresser, vous ne l’avez peut-être pas remarqué mais vous vous êtes tous avancés vers le feu ! Vous comprenez un peu ? Bon, vous avez assez souffert, allez prenez un chamallow !

Les enfants se ruent sur les chamallows, en salivant.

Lisa : Je vais avoir besoin de volontaires mais, d’abord, profitez de vos chamallows. Je vais vous expliquer l’activité qu’on va faire pour simplifier et expliquer tout ce mécanisme qui se passe dans le corps de la grenouille !

Pierre, Sandra, Sandrine, Patrick et Jaden finissent vite de manger pour se porter volontaires.

Lisa : Alors, Pierre tu vas être la cellule réceptrice. Ta mission va être de recevoir le stimulus que je vais donner et de le faire passer au neurone sensoriel qui sera… Sandra ! Sandra, ton rôle est donc de recevoir le signal de Pierre et de le faire passer à un interneurone ! Sandrine, tu seras cet interneurone, d’accord ? Et toi, tu vas faire passer le message à un motoneurone qui sera Patrick et Patrick est donc chargé de passer le message à Jaden, qui a le rôle du muscle et qui au final de ce relais va nous faire un magnifique foot-flag comme il sait si bien le faire !

Lylia : Oh mais c’est trop bien ! Et tout ça, ça se passe dans la grenouille ?

Lisa : Oui oui tout se passe très rapidement dans le corps de la grenouille et dans le vôtre aussi d’ailleurs.

Lylia : Mais du coup pourquoi elle est différente des autres grenouilles ?

Lisa : Alors, c’est bien ça le mystère… On ne sait pas vraiment. Une des hypothèses de mon ancien laboratoire était que cette grenouille est capable d’effectuer ce foot-flag grâce à une caractéristique spécifique. En effet, elle aurait un plus grand nombre d’interneurones que les grenouilles qui ne font pas de foot flag.

Yannis (15 ans) : Oulaaa, c’est compliqué ton truc… Mais quel est le lien entre la quantité d’interneurones et le foot-flag ?

Lisa : J’y venais justement ! Donc si on reprend notre activité et qu’on fait plutôt un système à plusieurs interneurones. Pour cette fois, gardez tous vos rôles et on va rajouter Lylia et Yannis qui vont faire de nouveaux interneurones en plus de Sandrine.

Les enfants se lèvent tous et se précipitent à leur place. Ceux qui n’avaient pas pu participer à la première activité sont ravis de pouvoir être mobilisés dans ce jeu.

Lisa : L’hypothèse de mon laboratoire était donc qu’il existe de nombreux interneurones dans cette Karaté Frog, ce qui va faire en sorte qu’il y ait plus de message qui va pouvoir passer. Cela veut dire qu’il y a un plus grand nombre de connexions ! Comme Karate Frog a plus de récepteurs aux androgènes que les autres espèces que nous avons étudié, cela va créer une amplification du signal, puisque ce signal sera détecté par plus de récepteurs. En plus de ça, on va avoir plus d’interneurones, et donc plus d’influx moteur, c’est-à-dire que les muscles qui permettent de faire ce mouvement vont recevoir plus d’informations et donc se contracter davantage. Le mouvement dépend alors de la quantité de récepteurs aux androgènes et donc de la testostérone, mais aussi de la quantité d’interneurones. Maintenant que vous êtes trois interneurones au lieu d’un seul, Patrick le motoneurone reçoit beaucoup plus d’informations qu’il va pouvoir transmettre au muscle Jaden.

Yannis : Tout ça ça montre que l’interneurone est le messager qui amène le signal au neurone moteur, et donc plus d’interneurones signifie une amplification du signal, c’est à dire une augmentation du signal et donc la contraction rapide du muscle de la grenouille ?

Lisa : Oui c’est ça. Tu vois t’as tout compris ! Donc comme tu as l’air sûr de toi, je te laisse la parole pour nous faire un petit résumé de ce que tu as appris ce soir !

Yannis : Alors… Si j’ai bien compris, cette grenouille est pas pareille que les autres car elle a plus de récepteurs aux androgènes au niveau de ses muscles des pattes arrière et elle a plus d’interneurones, par rapport à d’autres espèces. Comme elle a plus d’interneurones, il y a plus de connexions entre les neurones sensoriels et les motoneurones, le signal passe plus et on a donc plus de mouvements ! Et d’un autre côté, ton équipe et toi, vous avez vu qu’il y a plus de foot-flag quand il y a plus de testostérone. Cela est dû au fait qu’il y a plus de récepteurs aux androgènes au niveau des membres arrière de la grenouille.
Par contre, vous ne connaissez pas vraiment encore le lien entre ces récepteurs aux androgènes et le mouvement du foot-flag…

Lisa : C’est un sans faute Yannis ! Vous pouvez l’applaudir les autres…

En entendant les quelques “clap”, Lisa se retourne vers le reste des enfants, qui commencent à somnoler… Leurs paupières sont lourdes après cette longue journée de découvertes et d’apprentissage sur le monde vivant qui les entoure.

Lisa : Bon les enfants, il se fait tard. Mon histoire de grenouilles est terminée, il est temps d’aller dormir. Demain, vos parents viennent vous chercher après ces 10 jours passés ici et je tenais à vous remercier d’avoir été si nombreux à être curieux, patients et aventuriers au point de venir dans ce camp scientifique. Vous êtes encore jeunes pour le comprendre mais c’est grâce à votre curiosité que les recherches continuent et qu’on apprend chaque jour de choses incroyables. Ça a été un réel plaisir pour moi de vous enseigner quelques notions de sciences ! Bonne nuit les enfants et à demain.

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Bibliographie :

[1] Grafe, T.U., Preininger, D., Sztatecsny, M., Kasah, R., Dehling, J.M., Proksch, S., Hödl, W., 2012. Multimodal Communication in a Noisy Environment: A Case Study of the Bornean Rock Frog Staurois parvus. PLoS ONE 7, e37965. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0037965

[2] Hödl, W. and Amezquita, A. 2001. Visual signaling in anuran amphibians. In: Anuran communication, (M.J. Ryan, ed.). Smithsonian lust. Press, Washington. Pp. 121-141.

[3] Mangiamele, L.A., Fuxjager, M.J., Schuppe, E.R., Taylor, R.S., Hödl, W., Preininger, D., 2016. Increased androgenic sensitivity in the hind limb muscular system marks the evolution of a derived gestural display. Proc Natl Acad Sci USA 113, 5664–5669. https://doi.org/10.1073/pnas.1603329113

[4] Sassoon, D., Gray, G., Kelley, D.B., 1987. Androgen regulation of muscle fiber type in the sexually dimorphic larynx of Xenopus laevis. J. Neurosci. 7, 3198–3206. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.07-10-03198.1987

[5] Fischer, L.M., Kelley, D.B., 1991. Androgen receptor expression and sexual differentiation of effectors for courtship song in Xenopus laevis. Seminars in Neuroscience 3, 469–480. https://doi.org/10.1016/1044-5765(91)90056-T

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Webographie :

Etienne Petitjean – Susanne Salmon-Alt, Adaptation, subst. fem. [en ligne]. CNTRL . Disponible sur : https://www.cnrtl.fr/definition/adaptation

Etienne Petitjean – Susanne Salmon-Alt, Évolution, subst. fem. [en ligne]. CNTRL. Disponible sur : https://www.cnrtl.fr/definition/évolution