Dans tout étang apparemment calme, les eaux calmes regorgent en réalité de minuscules habitants de l'étang appelés Euglena gracilis. Invisible à l'œil nu, l'organisme unicellulaire serpente dans l'eau, tiré le long d'un chemin relativement droit par un appendice en forme de fouet à la recherche du bon niveau de lumière.

Mais un nouvel article publié le 24 septembre dans Physique de la nature décrit comment, dans certaines circonstances, Euglena arrête sa progression et commence à tracer des polygones élaborés dans le sens inverse des aiguilles d'une montre - triangles, carrés, pentagones - dans un effort défini mathématiquement pour trouver un meilleur environnement.

La découverte, dirigé par Ingmar Riedel-Kruse, professeur assistant de bio-ingénierie à l'Université de Stanford, pourrait aider les scientifiques à concevoir de minuscules robots nageurs du futur pour qu'ils soient plus efficaces et plus efficaces pour manœuvrer dans la circulation sanguine, par exemple, ou naviguer dans des environnements aquatiques.

"Nous essayons de comprendre les systèmes biologiques d'une manière mathématique, " a déclaré Riedel-Kruse. " Des boucles de rétroaction apparemment simples dans des cellules individuelles peuvent en fait générer des comportements plutôt complexes afin d'accomplir diverses tâches. "

Organisme bien étudié

Les scientifiques des années 1800 se sont un jour émerveillés de trouver Euglena - un oblong verdâtre avec un ocelle rouge et long, flagelle en forme de fouet pour la natation – sous un microscope. Depuis, l'organisme a été observé par d'innombrables générations d'étudiants en biologie. Avec une telle histoire d'être regardé, Cela a été une surprise lorsque le boursier postdoctoral Alan Tsang a remarqué pour la première fois le nouveau comportement d'Euglena dans un modèle informatique qu'il avait développé pour étudier comment il se déplace par rapport à la lumière. Dans son modèle, quand il a simulé une augmentation de la lumière, l'organisme a commencé à tracer des polygones.

Riedel-Kruse se souvient avoir été sceptique lorsque Tsang a décrit pour la première fois ce que son modèle prédit.

"C'était difficile de croire que c'est vrai, " a déclaré Riedel-Kruse. " Je pensais qu'il y avait quelque chose qui n'allait pas avec le code. " Mais quand la paire a vérifié au microscope - en augmentant les niveaux de lumière comme dans la simulation - il y avait les polygones.

Les formes sont le résultat de la façon dont Euglena navigue dans le monde. Parce que l'organisme roule normalement dans l'eau sur son grand axe, l'ocelle pivote pour observer 360 degrés de lumière. Dans des conditions de lumière constante - ce qui est normal au microscope - il serpente dans un chemin relativement droit.

Cependant, Tsang a dit, si l'ocelle détecte une augmentation de l'intensité lumineuse, l'Euglena prend un virage difficile.

« Ensuite, ils ne voient pas la lumière et ils nagent à nouveau tout droit, " dit Riedel-Kruse. " Mais comme ils continuent de rouler, puis après un cycle complet, ils voient à nouveau la forte lumière et font donc un autre virage latéral fort."

Assez de lignes droites suivies de virages serrés et un triangle est né.

Tsang a remarqué qu'en environ 30 secondes, Euglena s'est adaptée à la lumière plus forte et les virages sont devenus moins nets, créer des polygones en constante expansion - carrés, puis pentagones - jusqu'à ce que, finalement, l'Euglena se dirigeait sur une ligne relativement droite.

Quant à savoir pourquoi personne n'avait vu ça avant, Riedel-Kruse a déclaré que les gens modifient rarement les niveaux de lumière lorsqu'ils observent Euglena au microscope. Mais puisque Tsang essayait spécifiquement de modéliser comment l'organisme se déplace par rapport à la lumière, il a fait quelque chose d'inhabituel et le comportement est apparu.

Un nouveau comportement

Riedel-Kruse a fait valoir que le comportement est logique pour une Euglena nageant dans un étang sous une source d'ombre confortable. Lorsqu'il rencontre soudainement la lumière du soleil, il peut se tourner rapidement pour chercher une zone d'ombre. En tournant lentement vers l'extérieur si les premiers virages n'ont pas fonctionné, l'Euglena augmente ses chances de finir par s'abriter du soleil.

Le laboratoire de Riedel-Kruse étudie Euglena en partie pour mieux comprendre comment les micro-organismes naviguent dans leurs mondes aquatiques. Les chercheurs intègrent également ce qu'ils apprennent sur Euglena dans des configurations de biologie interactives pour l'éducation. Euglena est un organisme inhabituel qui peut à la fois faire sa propre nourriture et manger ce qu'il trouve dans l'eau. Il est lié aux plantes, les animaux et les champignons - tous connus sous le nom d'eucaryotes - mais constituent un groupe distinct avec des caractéristiques uniques.

"Parce qu'il fait partie d'un groupe externe à la plupart des vies eucaryotes, vous pourriez apprendre quelque chose de général, et vous pouvez également découvrir à quel point la vie eucaryote peut être diversifiée, " a déclaré Riedel-Kruse. " Cela rend Euglena vraiment intéressante pour moi. "

Quoi de plus, Riedel-Kruse et Tsang ont déclaré que ce qu'ils apprenaient – ​​et les modèles mathématiques qu'ils avaient développés – pourraient être utiles pour la robotique à micro-échelle.

"Il existe un domaine émergent où les gens essaient de concevoir et de programmer une robotique d'essaim microscopique pour des choses comme la microchirurgie ou l'administration de médicaments, " a déclaré Tsang. "Je vois vraiment des gens à la recherche de mécanismes de contrôle efficaces à l'échelle microscopique."