Jetez un coup d'œil dans un bassin de marée le long du rivage et vous verrez peut-être une étoile de mer s'accrocher tranquillement à un rocher. Mais cet âge adulte sûr se fait au détriment d'un voyage larvaire déchirant. De minuscules larves d'étoiles de mer - chacune plus petite qu'un grain de riz - passent 60 jours et 60 nuits à pagayer en pleine mer, nourrir pour accumuler l'énergie nécessaire pour se métamorphoser en la forme d'étoile familière.

En chemin, les larves doivent faire des compromis entre pagayer à la recherche de nourriture et s'épuiser par le voyage. Maintenant dans un Physique de la nature papier, une équipe dirigée par Manu Prakash, bio-ingénieur de Stanford, a révélé le mécanisme magnifique et efficace qui permet à ces humbles créatures de survivre jusqu'à l'âge adulte.

"Nous avons montré que la nature équipe ces larves pour remuer l'eau de manière à créer des tourbillons qui servent à deux fins évolutives :déplacer les organismes tout en rapprochant suffisamment la nourriture pour qu'elle puisse la saisir, " dit Prakash, professeur adjoint de bio-ingénierie et récent lauréat d'une bourse « génie » de la Fondation MacArthur.

En utilisant des techniques expérimentales qui capturent la beauté visuelle et les fondements mathématiques de ce mécanisme, les chercheurs montrent comment la forme et la forme des larves d'étoiles de mer permettent les fonctions nécessaires au maintien de la vie.

"Lorsque nous voyons des formes étranges et belles dans la nature, nous les ramenons au laboratoire et demandons pourquoi elles ont évolué de cette façon, " a déclaré Prakash. " C'est la perspective que nous apportons à la biologie :comprendre mathématiquement comment la physique façonne la vie. "

Guillaume Gilpin, premier auteur de l'article et étudiant diplômé du Prakash Lab, a déclaré que ces résultats mettent en lumière des défis évolutifs similaires impliquant des dizaines d'invertébrés marins qui sont liés aux larves d'étoiles de mer d'une manière clé.

"L'évolution cherche à satisfaire des contraintes de base, " a déclaré Gilpin. " La première solution qui fonctionne très souvent gagne. "

Tourbillons complexes

Ces expériences ont commencé à l'été 2015 à la station marine Hopkins de Stanford à Pacific Grove, Californie. Les chercheurs suivaient un cours d'embryologie lorsqu'ils ont commencé à s'interroger sur les fondements évolutifs de la forme de la larve d'étoile de mer – pourquoi a-t-elle fini par ressembler à cela.

Ramener cette curiosité au labo, le groupe a étudié les organismes de manière systématique, nourrir les larves d'algues nutritives et observer leurs mouvements avec des microscopes vidéo.

"Notre premier moment eurêka est venu lorsque nous avons vu les tourbillons complexes s'écouler autour de ces animaux, " a déclaré Vivek Prakash (aucun rapport), un chercheur postdoctoral en bio-ingénierie et troisième membre de l'équipe. "C'était beau, inattendu et nous a tous accrochés. Nous voulions découvrir comment et pourquoi ces animaux produisaient ces flux complexes."

Gilpin a déclaré que les tourbillons étaient déroutants car ils semblaient n'avoir aucun sens évolutif. Il a fallu beaucoup d'énergie pour créer des écoulements d'eau en spirale; donc une larve avec seulement trois impératifs - se nourrir, bouger et grandir - devait avoir une raison de déployer un tel effort.

Orchestre de cils

Une fois que les chercheurs ont compris comment les larves faisaient tourbillonner l'eau, cette compréhension les a conduits au pourquoi, et l'expérience s'est concentrée sur l'une des structures les plus répandues de l'évolution, les cils, du mot latin pour cils.

Imaginez que les cils d'une larve d'étoile de mer soient comme les rames qui pourraient être utilisées pour ramer une ancienne galère - sauf que chaque larve en a environ 100, 000 rames, disposés dans ce que les chercheurs appellent des bandes ciliaires qui ceignent l'organisme selon un motif beaucoup plus complexe que les rames de n'importe quelle galère.

La métaphore de l'aviron fait allusion à la complexité que les chercheurs ont trouvée en étudiant comment ces 100, 000 cils ont pagayé la larve dans l'eau.

Comme des rames, les cils avaient trois actions potentielles :vers l'avant, reculer et s'arrêter. Et comme pour les rames, les cils se sont déplacés selon différents modèles synchronisés pour créer différents mouvements. Vraisemblablement orchestré par son système nerveux, la larve bat ses 100, 000 cils dans certains motifs quand il veut se nourrir, afin de faire tourbillonner l'eau de manière à rapprocher suffisamment les algues pour les saisir. Puis, avec un battement de cils différent, la larve crée un nouveau motif de verticilles et accélère.

Les chercheurs ont réalisé qu'ils observaient un mécanisme actif et jusqu'alors inconnu qui améliorait les chances de survie de la larve. La structure physique de la larve d'étoile de mer, contrôlé par ses nerfs, lui permet de faire des compromis entre l'alimentation et la vitesse - s'attarder chaque fois que les algues sont abondantes, puis s'élancer si les nutriments se raréfient.

Considérant les implications de ces découvertes, les chercheurs ont émis l'hypothèse que ce mécanisme d'alimentation par rapport à la vitesse s'appliquait probablement à d'autres larves d'invertébrés qui, bien que de forme différente des larves d'étoiles de mer, sont néanmoins connues pour avoir des bandes ciliaires similaires. Dans de futures expériences, les chercheurs de Stanford prévoient d'utiliser les mêmes techniques pour étudier ces autres formes larvaires. Ce qu'ils espèrent apprendre, c'est comment l'évolution a pris un certain mécanisme, la bande ciliaire, et résolu le même compromis alimentation/vitesse dans des dizaines de formes et de formes différentes.

"C'est ce que nous faisons dans mon laboratoire, " Prakash a dit, "rechercher des principes fondamentaux que nous pouvons exprimer dans des équations pour décrire la beauté, diversité et fonctions des différentes formes de vie.

Prakash est également membre de Stanford Bio-X et de Stanford ChEM-H et affilié au Stanford Woods Institute for the Environment.