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Les chocs des titans électriques

Electrogénération

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Les chocs des titans électriques
Erik Harvey-Girard

Le gymnote, appelé communément anguille électrique ou scientifiquement Electrophorus electricus, est un prédateur redoutable.
Le plus dangereux prédateur des aptéronotes, le gymnote (Electrophorus electricus) est mieux connu sous le nom d’anguille électrique, même si dans les faits, il fasse plutôt partie des gymnotiformes et non des anguilliformes. Pour les aptéronotes, ces cousins éloignés sont d’effroyables monstres. Adultes, ils mesurent plus de deux mètres de long et pèsent vingt kilogrammes. Mais le danger ne tient pas tant dans la grosseur que dans les capacités électriques du prédateur. Ils peuvent émettre et percevoir de petits courants à hautes fréquences semblables à ceux émis par les aptéronotes, ce qui permet de détecter la présence de petits poissons faiblement électriques. Mais plus encore, les anguilles électriques peuvent générer des pulses électriques de plus de 600 volts afin d’assommer leur proie. Bref, c’est un chasseur contre lequel les aptéronotes demeurent sans défense.

Mais au fait, comment une anguille électrique génère-t-elle un choc électrique? Et comment se fait-il qu’elle ne s’électrocute pas elle-même?

Commençons d’abord par un peu d’anatomie. Les organes vitaux du gymnote (cerveau, branchies, estomac, intestins, reins, cœur…) sont localisés dans le 1/5 antérieur formé principalement de la tête. Les intestins ne se rendent pas au bout de l’animal, mais plutôt se retournent vers le devant, ce qui donne une étrange position de l’anus juste derrière la tête. Par contre, la vessie natatoire se prolonge très loin dans la queue.

Anatomie du gymnote. A. Anatomie générale des organes électriques et des autres organes internes. B. Section proximale de la queue. C. Anatomie microscopique des électrocytes de l'organe principal. (réf: Gotter et al. Electrophorus electricus as a Model System for the Study of Membrane Excitability. Comp. Biochem. Physiol. Vol. 119A, No. 1, pp. 225–241, 1998)
Les anguilles électriques possèdent trois paires d’organes électriques : les organes principaux, les organes de Hunter et les organes de Sach. Tous ces organes électriques sont compris dans la longue queue du gymnote qui forme les 4/5 du corps du poisson. Ces organes sont faits d’empilements d’électrocytes qui à l’origine étaient des cellules musculaires qui se sont spécialisées.

Les organes de Sach et ceux de Hunter (nommé en l’honneur de John Hunter; voir Lumière) génèrent des pulses de faibles intensités d’environ 10 volts à une fréquence moyenne de 25 Herts. Ces pulses sont captés par les électrorécepteurs dans la peau et servent à l’électrolocation et l’électrocommunication (voir le vidéo Mélissa l’anguille). Le gymnote, comme la plupart des gymnotiformes à décharge pulsative, peut varier la fréquence des décharges de ses organes de Sach et de Hunter afin d’augmenter sa résolution sensorielle.

10 volts ! C’est quand même plus de voltage produit par une batterie carrée que l’on utilise dans les détecteurs de fumée et c’est de l’ordre de 1000 fois plus fort que ce que les autres gymnotiformes produisent. Dans un milieu, les champs électriques se propagent proportionnellement à l’intensité du courant émis (I), mais selon de l’inverse du cube de la distance (1/R3). Conséquemment, le champ électrique des gymnotes s’étend donc dix fois plus loin que celui des aptéronotes. Ça te change un équilibre entre le chasseur et la proie…

 

Comment une anguille électrique génère-t-elle un choc électrique?

Les organes électriques principaux produisent de fortes décharges électriques de plus de 600 volts. Les électrocytes sont organisés en empilements très précis de colonnes et de rangées. En moyenne un gymnote adulte présente 4000 électrocytes empilés dans une même colonne. Les électrocytes ont 80µm d’épaisseur, 1,5mm de hauteur et les plus grands font jusqu’à 4cm de long. Entre chaque colonne, une couche de tissu isolant empêche les fuites latérales de courant (court-circuit). Anatomiquement donc, les électrocytes d’une colonne sont organisés comme un circuit électrique en série.

Fonctionnement des électrocytes de l'organe principal d'un gymnote. A. Action des canaux ioniques et des pompes au repos. B. Action des canaux ioniques et des pompes lors d'une décharge. C. Sens du courant électrique lors d'une décharge. (réf: Gotter et al. Electrophorus electricus as a Model System for the Study of Membrane Excitability. Comp. Biochem. Physiol. Vol. 119A, No. 1, pp. 225–241, 1998)
Pour obtenir une sommation des voltages des électrocytes placés en série, il faut que leurs décharges soient synchronisées au même instant. Cette synchronisation de tous les électrocytes des organes principaux dépend fortement de la distance que l’influx nerveux a à parcourir du cerveau aux électrocytes (allant de 50cm à 2m). Un noyau médullaire du cerveau contrôle l’activité de décharge des organes électriques principaux. Ce noyau relaie des influx nerveux à des électromotoneurones placés tout le long de la moelle épinière. Finalement, les axones de ces mêmes électromotoneurones innervent les électrocytes dans la région où ils sont placés. Etant donné la différence de distances, les portions avant de l’organe électrique devraient décharger avant les portions arrière formant ainsi une vague de décharge plutôt qu’une forte décharge instantanée. Pour résoudre ce problème et créer une synchronisation de l’activité des électrocytes tout le long des organes principaux,l’évolution du gymnote a retenu trois solutions : 1- les électromotoneurones proximaux ont un plus petit diamètre que ceux distaux, ce qui ralentit la conduction de leur influx nerveux; 2- les axones des électromotoneurones proximaux prennent des chemins qui dévient beaucoup afin d’allonger le temps de parcours tandis que les axones électromotoneurones distaux prennent des parcours directs; 3- les neurones innervant la portion avant de l’organe électrique sont moins rapidement excitables car ils expriment moins de canaux ioniques au sodium et moins de récepteurs synaptiques.

Les électrocytes des gymnotes génèrent de l’électricité de la même façon que les cellules nerveuses et musculaires à l’aide de canaux ioniques dans leurs membranes cellulaires (voir Génie 101, Génie 102). Tous les électrocytes sont orientés de la même façon (figure 2-A « repos »). Vers l’arrière, la membrane plasmique est innervée par les fibres nerveuses cholinergiques des électromotoneurones. Elle contient des récepteurs à l’acétylcholine (Ach; voir Neurotransmetteurs), des canaux ioniques au sodium (INa+; voir Canaux Na+) et des canaux au calcium de type-L qui servent à dépolariser la membrane à +65mV lors de la stimulation des électromotoneurones. La membrane innervée contient aussi des canaux K+ (IK+; voir Canaux K+) qui servent à repolariser la membrane à -85mV au repos et des canaux de fuite. Vers l’avant, la membrane plasmique n’a pas de synapse et est fortement repliée pour augmenter sa surface. Elle contient des canaux au chlore (ICl-) et au potassium (IK+) qui gardent à membrane polarisée à -85mV en tout temps. Elle contient aussi des pompes échangeuses Na+/K+ (voir Génie 101) qui forment les gradients d’ions Na+ et K+  nécessaires à l’excitabilité cellulaire des électrocytes. Au repos, ces membranes sont à un potentiel membranaire de -85mV dû à l’activité des pompes Na+/K+ et de l’ouverture des canaux K+.

Lorsque le gymnote décide de produire une forte décharge (figure 2-A « stimulé »), les électromotoneurones relâchent tous en même temps de l’acétylcholine qui stimulent l’ouverture des récepteurs cholinergiques (nAch) qui laisse entrer des ions Na+ et sortir des ions K+, ce qui cause une petite dépolarisation de la membrane innervée. Cette légère dépolarisation est suffisante pour stimuler l’ouverture des canaux Na+, puis celle des canaux Ca++, ce qui cause une forte dépolarisation jusqu’à +65mV. Pendant ce temps, la membrane avant non-innervée demeure à -85mV car elle n’a pas de canaux Na+ ou Ca++ permettant la dépolarisation. Résultat des courses, alors que pendant le repos, la différence de potentiel entre l’avant et l’arrière de l’électrocyte est de 0mV, pendant la décharge, elle devient de 150mV durant une ou deux millisecondes (figure 2-B). Comme les 4000 électrocytes sont en série et qu’ils déchargent tous en même temps, le voltage total durant la décharge est de 600V (150mV X 4000). Le pistolet Teaser de la nature !

 

Comment se fait-il qu’elle ne s’électrocute pas elle-même?

Les organes électriques dans les flancs de la queue déchargent directement dans l’eau via des pores à la surface de la peau. Comme l’eau des rivières est un meilleur conducteur que les organes internes, les charges électriques voyagent préférentiellement dans l’eau. D’autre part, la décharge est très rapide (c’est une rafale de deux ou trois pics intenses durant au total moins d’une dizaine de millisecondes) et les organes vitaux situés dans la tête, sont assez loin pour être peu affectés. D’ailleurs, une bonne couche de tissu graisseux recouvre les organes vitaux ce qui les isole encore plus. Finalement, leur grosseur permet d’avoir une résistance plus élevée que leurs proies plus petites placées à proximité. Ainsi, il y a plus de courant qui traverse l’infortunée proie que le gros prédateur.

D’autres caractéristiques anatomiques pourraient contribuer à leur protection face à leur propre choc. Par exemple, la peau visqueuse a une grande résistance et protège des chocs électriques. L’absence d’écaille pourrait diminuer le passage du courant électrique. Un mucus huileux sécrété par la peau pourrait aussi augmenter la résistance de la peau. La position de l’anus très à l’avant pourrait servir à diminuer les possibles fuites de courant vers les organes vitaux.






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Références
Erik Harvey-Girard.  "Les chocs des titans électriques."  Apteronote. Ed. Erik Harvey-Girard. Ottawa: Avr 19, 2009. <  >
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