PROJET SCIENTIFIQUE COLLECTIF Ecologie chimique : sur la trace des fourmis

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1 1 X 2007 PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF Ecologie chimique : sur la trace des fourmis Yann BLUI Camille CARAUDEAU Thomas DI MAI Vincent MARTIEZ Lionel PAGES Caroline RUSSEAU Tuteur : M. Samir ZARD Coordinateur : M. Thierry GACI PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

2 2 Remerciements De nombreuses personnes nous ont apporté leur aide ainsi que leur soutien durant la conduite de notre projet. ous tenons en particulier à remercier : M. Samir ZARD, directeur du département de Chimie de l Ecole Polytechnique et tuteur de notre projet, notamment pour son aiguillage dans la synthèse chimique, M. Jean-Marc JALL, professeur émérite de l université d rsay, qui a su répondre à nos questions dans nos phases de recherche et nous mettre en contact avec un laboratoire spécialisé, M. Dominique FRESEAU, directeur du LEEC de Villetaneuse (Laboratoire d Ethologie Expérimentale et Comparée), ainsi que l ensemble de son équipe, qui nous ont guidés dans le choix de l espèce de fourmis et qui nous ont gracieusement fait don d une colonie, M. Philippe ERMAGE et M. William ERB, ainsi que M. icolas MEZAILLES, M. Fabien GAGSZ et Jean-François, encadrants et coordinateurs des Modex (Module expérimental) de chimie qui nous ont permis de réaliser notre synthèse phéromonale, Mmes Marie CAARD et Elodie DUCASSE, responsables du département de Biologie et de Sciences de la Vie au Palais de la Découverte, qui nous ont familiarisés avec les protocoles de tests et nous ont permis de réaliser des expériences à grande échelle, Et enfin la scolarité jaune ainsi que le bureau logement de l école et l adjudant Patrick CARR, qui nous ont donné les moyens matériels d installer une colonie de fourmis sur le site de l école. C est sans nul doute grâce au soutien de l ensemble de ces personnes que le projet a pu être mené à bien. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

3 3 Résumé Le methyl 4-methyl-1-pyrrole-2-carboxylate représente le constituant majoritaire du bouquet phéromonal des Acromyrmex Myrmidae, espèce de fourmis du Panama. ous nous sommes intéressés au cours du PSC à sa synthèse ainsi qu à ses applications, en parallèle de l élevage d une colonie de ces fourmis prêtée par le LEEC de Villetaneuse sur le site de l Ecole. ous avons synthétisé ce pyrrole, dans le Département de Chimie et de Synthèse rganique (DCS) de l Ecole Polytechnique, selon le procédé de BART-ZARD qui comprend trois étapes simples et relativement rapides. Par la même voie de synthèse, nous avons produit deux analogues en changeant les substituants de la phéromone : l ethyl 4-methyl-1-pyrrole-2-carboxylate et l ethyl 4-ethyl-3-methyl-1pyrrole-2-carboxylate. L'écologie chimique consiste en l'étude du rôle des médiateurs chimiques dans les interactions entre espèces vivantes. ous l'avons illustré au moyen d'une phase de tests expérimentaux, menée pour déterminer la réponse des fourmis face aux pyrroles. Diverses expériences ont donc été réalisées avec les composés en solution dans de l eau à la concentration de 0,1 mg/ml : suivi d une trace, gestion des croisements, sensibilité à la concentration Une modélisation informatique a également été réalisée afin de retranscrire les observations expérimentales et d élaborer un modèle comportemental de réaction des fourmis face aux phéromones. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

4 4 Table des matieres Remerciements 2 Résumé 3 Introduction 5 Conduite du projet : démarche et structure 7 A. Suivre une démarche scientifique 7 B. Mettre à profit des compétences individuelles 8 Elevage d une colonie d Acromyrmex 12 A. Les prémices 12 B. De la nécessité de s informer sur Acromyrmex 13 C. Importance des données entomologiques lors de la phase de tests 16 Synthèse de la phéromone de trace 18 A. Les pyrroles en tant que phéromones de trace de fourmis 18 B. Synthèse de la phéromone de trace selon le procédé de BART-ZARD 20 Evaluation de l impact de la phéromone 24 A. Détermination du mode d utilisation de la phéromone 24 B. Expériences de suivi de trace à petite échelle 28 C. Expériences sur d autres fourmis 30 D. Séance au Palais de la Découverte 32 Modélisation informatique du comportement des fourmis 33 A. Description de la modélisation 33 B. Résultats de la simulation 35 C. Bilan 38 Conclusion 40 Bibliographie 42 Annexes 43 A. Synthèse chimique 43 B. Utilisation de la simulation 47 C. Code source de la simulation 49 PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

5 5 Introduction Qui n est jamais resté plusieurs minutes à observer des fourmis se déplaçant en file indienne pour collecter de la nourriture? Comment expliquer ces comportements curieux d'insectes dits sociaux? A quel type de communication chimique font-ils appel et comment la mettre en évidence? Ces questions constituent le cœur de notre Projet Scientifique Collectif. Partons donc sans plus attendre sur la trace des fourmis. La nature nous offre de nombreux exemples où des substances chimiques sont responsables d interactions variées entre des individus : ces substances peuvent par exemple induire des modifications du comportement sexuel. Certains papillons peuvent ainsi reconnaître leur partenaire grâce aux molécules que celui-ci libère à plusieurs kilomètres de distance. D autres molécules permettent un marquage du territoire, comme celles contenues dans les urines des canidés. Enfin, certaines substances chimiques sont responsables des déplacements collectifs des individus. Ainsi, les lamproies marines sont guidées vers leur rivière d'origine par des molécules émises par leurs larves à des centaines ou milliers de kilomètres en amont. Les fourmis utilisent le même type de substances chimiques pour créer sur le sol des traces entre la nourriture et le nid, afin de guider leurs congénères. L ensemble de ces substances chimiques, agissant comme des messagers entre les individus d'une même espèce en transmettant aux autres spécimens des informations, sont appelées phéromones. Dans le cadre de ce projet, nous allons nous intéresser plus particulièrement aux phéromones de trace sécrétées par des fourmis de l'espèce Acromyrmex Myrmidae. otre objectif est d étudier la réponse comportementale des individus d une telle colonie face à une phéromone de synthèse préparée par nos soins. Grâce à la collaboration des chercheurs du LEEC de Villetaneuse, du département Sciences de la Vie du Palais de la Découverte et du DCS de l Ecole Polytechnique, nous avons orienté notre démarche selon trois axes principaux : La synthèse de la phéromone de trace de ces fourmis originaires du Panama selon la réaction de BART-ZARD. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

6 6 L observation des réactions des différentes castes de fourmis confrontées à la molécule synthétisée : une phase de tests comportementaux variés a donc été mise en place. Une analyse et synthèse informatique des résultats obtenus dans le but d élaborer une simulation comportementale d une colonie de fourmis. Si les résultats de nos tests sont concluants, ce projet laisserait entrevoir de nombreuses applications pratiques, comme la déviation des fourmis de l espèce Formicidae eciton impliquées dans les «Marabunta» (migrations massives et destructrices de fourmis) en Amérique, ou plus généralement la gestion des nuisances diverses (sur les cultures, les habitations ) provoquées par d autres types d insectes dont les phéromones de trace sont répertoriées. otre projet impliquant, dans sa partie expérimentale, de suivre des fourmis le long de traces phéromonales, le présent rapport s accompagne d un DVD rassemblant les enregistrements des principaux tests effectués, de simples photos étant insuffisantes. Afin de parvenir à dégager des règles comportementales chez les fourmis, nous avons fait appel à des connaissances pluridisciplinaires (chimie, biologie et informatique) qui reflètent la diversité des membres du groupe. Tels sont les éléments clés qui seront développés dans la suite de ce rapport. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

7 7 Conduite du projet : démarche et structure A. Suivre une démarche scientifique Mettre en place un Projet Scientifique Collectif, c est avant tout rassembler : Rassembler un groupe de personnes motivées et capables de s investir fortement dans la conduite d un projet n est pas chose aisée. Cela implique en premier lieu de choisir un sujet intéressant pour l ensemble du groupe, afin d éviter des déséquilibres ou des formes d inintérêt qui se manifesteraient avec le temps. De ce fait, notre groupe s est progressivement constitué autour d un sujet, l étude comportementale de fourmis en réaction à des phéromones de trace, et ses membres ont chacun apporté une compétence nécessaire à la réalisation du projet. C est ce qui fait d eux des éléments indispensables au travail collectif. En effet, notre projet fait appel à des connaissances en chimie, en biologie et en informatique. Cela implique également de favoriser les échanges entre les membres du groupe, afin d assurer la cohésion du projet et de définir ensemble les directions à prendre pour remplir les objectifs initiaux. Il ne s agit en aucun cas de cloisonner les domaines de compétences. Rassembler, c est aussi collecter les informations nécessaires à la compréhension et à la maîtrise des enjeux inhérents au sujet, notamment par une recherche bibliographique. C est également s entourer de partenaires et de spécialistes reconnus : il en est ainsi de Jean-Marc JALL, chercheur en écologie chimique à l université d rsay, de Dominique FRESEAU, directeur du Laboratoire d Ethologie Expérimentale et Comparée de Villetaneuse, de Samir ZARD, directeur du Département de Chimie de l'ecole, ou des membres du département Sciences de la Vie au Palais de la Découverte. Grâce à ces contacts, nous avons pu recueillir des informations, du matériel, des spécimens de fourmis sur lesquelles effectuer les tests et un savoir-faire propre à la conduite de telles manipulations. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

8 8 Rassembler, c est enfin mettre en commun les travaux de chacun afin de construire un modèle informatique reproduisant le comportement observé chez les fourmis. Il a donc fallu synthétiser le travail effectué et retranscrire dans une simulation nos données expérimentales. L outil informatique nous a semblé particulièrement adapté car il permet d illustrer en temps réel l intelligence collective des fourmis en recherche de nourriture. Le schéma suivant permet de résumer la démarche scientifique que nous avons suivie : Chimie Biologie Informatique Synthèse B. Mettre à profit des compétences individuelles La réalisation du projet a demandé d assigner à chaque membre du groupe une tâche précise, correspondant à son domaine de compétences. Le travail a ainsi été réparti de la façon suivante : Yann BLUI, passionné d entomologie, s est occupé non sans mal de mettre en place les conditions appropriées à l élevage d une colonie de fourmis sur le campus de l Ecole et a fait profiter le groupe de ses connaissances myrmécologiques. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

9 9 Caroline RUSSEAU a concentré ses efforts sur la synthèse chimique de la phéromone de trace. Elle a préparé la molécule dans le cadre de son MDEX de chimie de janvier à avril. C est également à Caroline que revenait la charge régulière de collecter les différents travaux des membres du groupe pour les mettre en forme et à disposition de tous. Lionel PAGES a réalisé la synthèse en laboratoire de la molécule avec Caroline RUSSEAU. Membre de l association vidéo de l Ecole, il s est également chargé de l aspect audio-visuel du projet, en filmant les expériences effectuées, en les montant et en les assemblant sur le DVD fourni avec le présent rapport. Thomas DI MAI a mis en place les protocoles expérimentaux des tests de la phéromone de synthèse sur les fourmis. C est par son intermédiaire que les partenariats avec le Palais de la Découverte et le LEEC ont pu être établis, et grâce à sa ténacité que les différentes manipulations ont pu être réalisées dans des conditions optimales. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

10 10 Camille CARAUDEAU s est chargé avec Thomas DI MAI de la phase de test de la phéromone sur les fourmis. Il s est par ailleurs occupé de la communication au sein du groupe, de la communication interne à l Ecole ou avec les chercheurs qui nous ont soutenu. Enfin, Vincent MARTIEZ a fait bénéficier le groupe de ses talents en informatique pour élaborer le logiciel de simulation comportementale des fourmis. Il a donc permis l exploitation de l ensemble des résultats obtenus pendant la durée du PSC. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

11 11 Si à chacun était attribué un domaine particulier du projet, nous devions tous également nous occuper de la colonie de fourmis que nous élevions. Cette dernière nécessitant des soins quotidiens, nous avons établi un planning indiquant qui en était responsable à quel moment. ous sommes ainsi parvenus à conserver la colonie en vie jusqu à la phase de tests expérimentaux du projet. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

12 12 Elevage d une colonie d Acromyrmex A. Les prémices Après avoir décidé de nous intéresser aux phéromones de trace de fourmis, il a fallu décider de la forme qu allait prendre cette étude. Initialement nous n étions pas certains qu il soit utile d élever une colonie de fourmis sur le campus, mais très rapidement cette solution s est imposée à nous. C était en effet le moyen le plus efficace pour pouvoir réaliser Figure 1 Mediae Acromyrmex les tests nécessaires à l évaluation de la phéromone synthétisée, mais aussi pour observer de manière détaillée le comportement des fourmis au bénéfice de la simulation informatique. Une fois prise la décision d élever notre colonie sur le plateau, nous avons dû nous occuper des modalités pratiques d une telle décision ; en effet il n est pas si simple de se procurer une colonie de fourmis viable, et nous devions aussi prendre en compte des contraintes telles que la taille des individus, mais aussi, bien sûr, l utilisation de phéromones de piste, objet de notre étude. Lors des discussions préliminaires que nous avons menées, nous avions mentionné diverses espèces, dont par exemple les «fourmis rousses», Formica Rufa. Dans le but de nous procurer des fourmis, nous avons pris contact avec divers spécialistes dans ce domaine, ce qui nous a amené à faire la connaissance de MM. Jean-Marc JALL (professeur émérite en écologie chimique) et Dominique FRESEAU. Après plusieurs réunions avec ces spécialistes, dont une au laboratoire de Villetaneuse, nous nous sommes orientés vers le choix d une souche de fourmis du genre Acromyrmex, qui correspondaient le mieux aux critères que nous nous étions fixés. En effet, ces fourmis sont d une taille convenable pour mener des expériences individuelles et espérer les filmer. De plus, chaque colonie est polygyne (elle comporte plusieurs reines), ce qui, dans notre optique, devait faciliter la survie de la PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

13 13 colonie dans les conditions un peu frustres que nous savions être celles de notre installation à Palaiseau. B. De la nécessité de s informer sur Acromyrmex Après avoir choisi d élever cette colonie de fourmis, nous avons dû nous renseigner à son sujet, afin de permettre son développement dans les meilleures conditions possibles. Cela a débuté avec une recherche myrmécologique sur le genre Acromyrmex, qui nous a amenés à acquérir des informations sur le sujet nécessaires au bon déroulement de la vie de notre colonie, comme nous allons le voir par la suite. Les fourmis du genre Acromyrmex forment une sous-famille d une catégorie plus vaste, la tribu des Attini, à laquelle appartient par exemple le genre Atta, plus connu et plus souvent étudié qu Acromyrmex. Ces fourmis sont des insectes tropicaux que l on trouve principalement dans les pays d Amérique du Sud, ce qui nous imposait de maintenir des conditions de température et d humidité convenables dans la pièce où nous allions élever notre colonie : 24 C, 70% d humidité. Mais avant toute chose se posait la question du local, puisque nous devions être en mesure de laisser notre élevage plusieurs mois, dans une pièce pouvant aussi accueillir nos expériences ultérieures. otre choix s est porté sur une chambre inoccupée que les services du logement ont bien voulu nous prêter pour la durée de notre PSC. Pour ce qui est du maintien d une température correcte, un chauffage électrique en supplément du système de chauffage central suffisait. Les principales difficultés sont venues du degré d humidité nécessaire pour recréer des conditions «tropicales» dans une chambre de Palaiseau. Après diverses tentatives (mettant notamment en jeu l usage répété d une bouilloire pour produire de la vapeur) nous nous sommes procuré un humidificateur d air par vapeur chaude. La tribu des Attini, auquel appartient le genre Acromyrmex, est composée d espèces dites champignonnistes, en référence à leur manière de se nourrir. En anglais, ces espèces sont connues sous le nom de «leaf-cutter ants». n a longtemps cru que ces insectes se nourrissaient des feuilles des végétaux qu ils découpent à l aide de leurs mandibules. En réalité, ces espèces vivent en symbiose PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

14 14 avec un fongus, une espèce de champignon qui constitue la base de leur alimentation. Elles ne se nourrissent directement du champignon mais d excroissances produites périodiquement par le fongus, les gongylidia. Le champignon lui-même se nourrit des débris végétaux que les fourmis lui apportent pour le «cultiver». Figure 2 Photographie d'une partie du champignon de notre colonie Cela nous a imposé un certain nombre de contraintes en termes d approvisionnement, car nous devions pourvoir aux besoins en nourriture de la colonie, besoins qui reposent en temps normal sur d importantes quantités de végétaux. ous leur avons récolté des feuilles, non traitées, afin que les fourmis puissent les découper pour les transformer en substrat pour le champignon. Les fragments de plantes et de feuilles fraiches sont apportés dans le nid, puis soumis à un processus de dégradation avant d être incorporés dans ce qui sert de substrat au champignon. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

15 15 Figure 3 Fourmis de la tribu des Attini ramenant des feuilles à leur nid Pour différencier les zones où nous introduisions de la nourriture et le cylindre contenant la fourmilière, nous avons dû rajouter des bacs, reliés au «lieu de vie» des fourmis par des tubes en plastique. ous avons été amenés à faire évoluer notre installation, notamment en nous procurant des bacs avec des rebords plus élevés que ceux que nous avions installés initialement. Les fourmis parvenaient en effet à sortir des récipients malgré les parois recouvertes de fluon (téflon liquide qui polymérise en séchant, sur lequel les fourmis glissent). Figure 4 Photographie de notre «installation» PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

16 16 C. Importance des données entomologiques lors de la phase de tests n peut distinguer différentes castes d individus en fonction de leur taille et de quelques-uns de leurs critères morphologiques. n peut ainsi classifier les fourmis entre les individus sexués ailés (mis à part les reines, non ailés, qui pondent) et les individus asexués, que l on peut diviser en minims, minors, mediae et majors. Ces distinctions nous sont apparues encore plus clairement lors de nos expériences : les individus qui répondaient le mieux à notre phéromone de synthèse appartenaient aux Figure 5 Différentes tailles de fourmis dans la colonie classes intermédiaires, les deux autres classes semblant bien moins sensibles à notre molécule. otre travail sur les phéromones de piste a également nécessité une étude bibliographique préliminaire du fonctionnement de ces phéromones ainsi que du comportement des fourmis à leur égard. ous avons ainsi appris que les récepteurs de ces phéromones sont situés chez les fourmis au niveau des segments terminaux des antennes. Le suivi d une trace se matérialise en conséquence chez les individus par un «tapotement» alternatif de la piste avec chacune de leurs antennes, comme illustré sur le schéma ci-dessous, tiré de l ouvrage d'edward. WILS. A plus grande distance, le repérage d une trace se fait en captant les vapeurs volatiles de phéromones, qui conduisent ensuite rapidement les fourmis à la trace elle-même. Le dépôt des phéromones par les individus se fait en général par l intermédiaire d une glande située à l extrémité de l abdomen de la fourmi. Figure 6 Principe du suivi d une piste phéromonale par une fourmi PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

17 17 Malgré des moments parfois difficiles, durant lesquels la survie de la colonie a pu paraître particulièrement compromise, nous sommes néanmoins parvenus à faire perdurer notre élevage jusqu en mars, soit pendant près de cinq mois sur le plateau. La cause principale de nos problèmes fut la difficulté à procurer une nourriture acceptée par les fourmis pendant les mois d hiver, où nous étions dans l impossibilité de leur apporter des feuilles d arbres ou des fleurs. A noter qu il est dommage que nous n ayons pas rendu visite plus tôt au Palais de la Découverte, où travaillait un spécialiste de l élevage d Acromyrmex prêt à nous prodiguer ses conseils. Lui non plus ne travaillant pas dans un laboratoire aux conditions environnementales parfaitement maîtrisées, ses avis étaient complémentaires de ceux de M. FRESEAU. Il avait en effet dû faire face à un certain nombre de difficultés semblables aux nôtres. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

18 18 Synthese de la phéromone de trace A. Les pyrroles en tant que phéromones de trace de fourmis 1. Le composant majoritaire du bouquet phéromonal : la methyl 4-methyl-1pyrrole-2-carboxylate Indispensables au bon fonctionnement du groupe, les phéromones jouent un rôle fondamental dans nombre de comportements sociaux. La diversité de ces substances chimiques s explique par le large éventail de leurs applications. Elles peuvent ainsi être très volatiles (et donc être formées de composés légers), ou bien être transmises par contact. Comme décrit précédemment, dans le cas précis des fourmis, les phéromones sont généralement présentes sous la forme d un «bouquet phéromonal», comme dans le cas des phéromones de trace des Acromyrmex Myrmidae, espèce étudiée ici. Il se compose le plus souvent d un cocktail d hydrocarbures ou d'autres molécules organiques. Ainsi, le composant majoritaire de la phéromone de piste des Acromyrmex appartient à la classe des pyrroles, composés hétérocycliques aromatiques qui offrent un large spectre de réactivité grâce à la nature de leurs substituants de cycle. ous nous intéresserons donc ici à la methyl 4-methyl-1-pyrrole-2-carboxylate, que nous noterons P par la suite. Figure 7 methyl 4-methyl-1-pyrrole-2-carboxylate PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

19 19 C est dans le cadre d un MDEX (CI 441 A), encadré par M. Philippe ERMAGE que nous avons entrepris la synthèse de cette molécule ainsi que de deux de ses analogues, qui diffèrent par des changements des substituants de cycle : P1 P2 Ethyl 4-éthyl-3-méthyl-1-pyrrole-2-carboxylate Ethyl 4-méthyl-1-pyrrole-2-carboxylate Figure 8 Analogues de la phéromone P ous avons également synthétisé une seconde fois la phéromone, afin d en obtenir une plus grande quantité, par nos propres moyens quelques temps plus tard (au mois d avril afin de préparer des interventions à Villetaneuse et au Palais de la Découverte). 2. Synthèse et impact d une phéromone de trace des fourmis Atta, travaux de P. SET Dans les années 1970, Philip SET, chercheur en entomologie à Beltsville dans le Maryland, a développé un procédé de synthèse de pyrroles substitués, en particulier du composé P qui se trouve être le composé majoritaire du bouquet phéromonal d une autre espèce de fourmis : les Atta texana, offrant un rendement supérieur à 60% : 1. TFAA-,-DMA 1. C Pd/C Cl 2 CC 3. AlCl 3 P Figure 9 Schéma de synthèse d un pyrrole substitué En parallèle et en collaboration avec John MSER, P. SET mène des expériences de test sur une colonie d Atta, visant à déterminer l impact de la nature des substituants d analogue de P sur le comportement des fourmis. En jouant sur la concentration des composés en solution dans le chloroforme et sur le type de PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

20 20 substituants (position, type, chaîne carbonée ), ils ont pu dégager les principaux résultats suivants : Composé 40ng/µl 0.4ng/µl 0.004ng/µl C 2 Me R C 2 Me Me 2 C C 2 Me Me C C Tableau 1 Résultats des tests de P. SET (R=répulsif, + =résultats positif, - =absence de résultats) n comprend donc au vu de ces résultats l importance des substituants de cycle et la précision avec laquelle ils jouent sur l impact de la phéromone. Dans cette optique, mais par une autre voie de synthèse, nous tenterons de reproduire et d'approfondir ces expériences sur des Acromyrmex Myrmidae. B. Synthèse de la phéromone de trace selon le procédé de BART-ZARD 1. Schéma de synthèse de BART-ZARD Comme énoncé plus haut, nous avons entrepris la synthèse de la phéromone P selon un schéma de synthèse qui diffère de celui de P. SET : la réaction de PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

21 21 BART-ZARD. Le schéma de synthèse se compose de trois étapes majeures, comprenant majoritairement des additions-éliminations, des substitutions et des réarrangements sigmatropiques. KF 2 2 Ac 2 DMAP 2 Ac DBU C Figure 9 Schéma de la synthèse de BART-ZARD Publiée au début des années 1990 par D. BART (département de chimie de l université du Texas), J. KERVAGRET et S. ZARD (laboratoire de synthèse organique de l Ecole Polytechnique), cette nouvelle voie de synthèse offre la possibilité de produire des pyrroles substitués en quelques étapes simples et rapides. 2. Description des mécanismes des différentes étapes Il est intéressant de se pencher sur le détail de la synthèse de la phéromone et de ses analogues (les précisions du mode opératoire sont disponibles en annexe). Etape 1 : Du nitroéthane est ajouté goutte à goutte pendant plusieurs heures à du paraformaldéhyde et du fluorure de calcium dans de l isopropanol. Le fluorure de calcium est ici utilisé pour déprotoner le nitroéthane afin d en former un nucléophile puissant. n notera également que le choix d un solvant protique facilite la solubilisation du catalyseur. K F A 2 Figure 10 Mécanisme de l étape 1 de la synthèse PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

22 22 Le déroulement de la réaction est suivi par chromatographie sur couche mince. n prendra garde avant de passer à la suite de purifier le produit A par extraction, séchage et évaporation. Etape 2 : Dans une deuxième étape, on utilise le produit A comme nucléophile attaquant de l anhydride acétique activé par de la diméthylaminopyridine (DMAP). La DMAP est ici utilisée afin de créer un meilleur nucléofuge lors de l attaque de A. + A B 2 2 Figure 11 Mécanisme de l étape 2 de la synthèse La réaction terminée, on utilise du méthanol que l on ajoute pendant une heure dans le but de neutraliser l excès d anhydride acétique. Etape 3 : Au cours de la troisième et dernière étape, l ajout d une base permet d éliminer le groupement acétyl du composé A et de déprotoner l isonitrile qui pourra alors l attaquer. S ensuivent des attaques nucléophiles intramoléculaires et des réarrangements sigmatropiques qui mènent à la phéromone P. C DBU C - Addition de Michael 2 B' C - 2 P Transposition sigmatropique [1,3] DBU Figure 12 Mécanisme de l étape 3 de la synthèse 2-2 PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

23 23 Les mêmes étapes sont utilisées afin de produire les analogues de la phéromone précédemment cités, dans le but de tester sur une colonie de fourmis l impact des substituants. Les détails de la synthèse de ces composés sont décrits en annexe. Figure 13 Illustrations de la phase de synthèse PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

24 24 Evaluation de l impact de la phéromone A. Détermination du mode d utilisation de la phéromone 1. Une méthode à la fois réfléchie et empirique Suite à la synthèse chimique, nous avions à notre disposition 1 gramme de phéromone pure. Il s agissait ensuite de déterminer sous quelle forme l utiliser. D après Jim TUMLIS, professeur entomologiste à l Université d'etat de Pennsylvanie, ce gramme de phéromone permet chez une espèce proche de celle que l on étudie (Atta Texana) de réaliser une trace viable faisant trois fois le tour de la Terre. La quantité n était donc pas a priori un problème. Il nous a donc fallu déterminer le solvant et la concentration adéquats. Pour ce qui est des solvants, notre choix s est porté sur l eau pour sa biocompatibilité parfaite, l éthanol car il est plus volatil et permet donc de sécher la trace plus rapidement, l acétone encore plus volatil mais peut être moins naturel et finalement le dichlorométhane comme cité dans la publication de TUMLIS. En ce qui concerne les concentrations, nos recherches bibliographiques nous ont amenés à découvrir que chez une fourmi d une famille proche de celle de notre colonie (Acromyrmex Subterraneus Subterraneus), la glande sécrétant la phéromone de trace contient en moyenne 1,2 ng du composé que nous avions synthétisé. La longueur moyenne des pistes tracées par une autre espèce d Acromyrmex (Acromyrmex Laticeps igrosetosus) est estimée à 5 mètres par une équipe de chercheurs brésiliens. ous avons alors fait un essai avec de l eau dans notre bac d expérimentation en métal et avons déterminé qu il fallait approximativement 1 ml d eau déposé au coton-tige pour faire 5 mètres de piste. Partant de là, nous avons donc décidé de tester les concentrations suivantes : 1ng/mL, soit 1µg/L et des concentrations 10, 100 et 1000 fois plus importantes soit 10µg/L, 100µg/L et 1mg/L. ous avons décidé de tester des solutions a priori plus concentrées que ce qui aurait été nécessaire, car les fourmis utilisent en réalité un bouquet phéromonal composé de plusieurs molécules, et celle que nous avons synthétisée n'en est que le composant majoritaire. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

25 25 Pour tester nos phéromones, nous avons procédé de la manière suivante : nous avons prélevé une fourmi de la colonie, l avons placée dans le bac à expérience et l avons encerclée avec une trace de phéromone faite au coton-tige. L expérience a été répétée pour chaque concentration et chaque solvant. Malheureusement, certainement à cause du stress causé par leur capture, soit les fourmis étaient indifférentes à la trace, soit elles avaient une réaction de rejet et reculaient dès qu elles entraient en contact avec elle. Figure 14 Fourmi entourée d'une trace 2. A la recherche du savoir-faire Lors de la réalisation de ces expériences nous avons appris que le Palais de la Découverte avait organisé une exposition intitulée «Le termite et la fourmi, deux sociétés, deux mondes» du 14 février au 31 août ous avons alors décidé de contacter Mme Marie CAARD, du Palais de la Découverte, en charge de cette exposition. Elle a accepté de nous recevoir, ce qui nous a permis d apprendre que des expériences comparables à celles que nous envisagions avaient fait l objet de démonstrations avec des termites durant cette période. Mlle Elodie DUCASSE, qui s occupait de ces démonstrations, nous a fait le plaisir d en réaliser une pour nous. Ceci nous a énormément appris sur le plan de la méthodologie. D une part, Mlle DUCASSE commençait par prendre le temps de calmer le termite prélevé pour l expérience dans une cage de plexiglas. Ensuite, la trace à suivre était déposée sur du papier-filtre absorbant et l expérience commençait une fois que celle-ci était sèche. Cette méthode donne d excellents résultats visibles dans la vidéo de la première séance au Palais de la Découverte. Cependant cette expérience comporte quelques différences avec celle que nous envisagions. D une part, les termites ont une vitesse de déplacement plus faible que les fourmis, ce qui facilite la PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF