Les vers noirs (Lumbriculus variegatus) sont des parents éloignés des vers de pluie, mesurant jusqu'à 10 cm de long. Ils vivent dans des marais peu profonds, étangs, et les marécages en Europe et en Amérique du Nord, où ils se nourrissent de micro-organismes et de débris. Pour se protéger de la sécheresse, les vers noirs peuvent se regrouper comme enchevêtrés, « blobs » à changement de forme composés de quelques à des centaines d’individus. Tout comme des essaims d'abeilles, radeaux de fourmis de feu, ou des troupeaux d'étourneaux, Les blobs de vers noirs peuvent montrer un mouvement collectif "intelligent".

Maintenant, les scientifiques montrent qu'un mouvement collectif efficace ne peut émerger dans les blobs de vers noirs que lorsque les conditions sont idéales, en particulier, lorsqu'il existe un équilibre entre l'activité et l'« adhérence » des vers noirs individuels. Ils ont récemment publié leurs résultats en libre accès dans la revue Frontières en physique.

"Alors que les vers individuels à l'intérieur du blob doivent s'accrocher les uns aux autres, ils doivent également être accessibles à l'extérieur pour continuer à recevoir des informations de l'environnement au sens large, " a déclaré la première auteure Dr Chantal Nguyen, chercheur postdoctoral au BioFrontiers Institute de l'Université du Colorado à Boulder, NOUS.

« Quel est le meilleur équilibre entre ces exigences opposées, qui permettrait aux vers un niveau optimal de détection et de réponse à l'environnement dans son ensemble ? Pour trouver cet équilibre, nous avons fait une série d'expériences sur de vrais vers noirs pour créer un modèle réaliste d'une goutte de ver."

Trouver la bonne température

Pourquoi les blobs de vers sont-ils importants à étudier ? La raison réside précisément dans leur organisation sociale à plusieurs niveaux.

Les interactions entre les vers noirs individuels peuvent donner des résultats inattendus, propriétés nouvelles lorsqu'elles se déplacent comme une goutte. Ces propriétés « émergentes » sont une caractéristique des systèmes biologiques, des protéines aux organismes multicellulaires en passant par les écosystèmes. Par conséquent, les blobs ne sont pas seulement fascinants en eux-mêmes, mais peut aussi servir de modèle pour des systèmes similaires trop petits ou trop grands pour être facilement observés, par exemple les filaments d'actine semi-flexibles dans le cytosquelette, cils, et flagelles des cellules.

« Les biopolymères actifs et les filaments d'actine sont d'excellents exemples de ce qu'on appelle des « collectifs de matière active enchevêtrés », ' qui sont un sujet brûlant en robotique et en science des matériaux, " a déclaré le co-auteur Dr M. Saad Bhamla, professeur assistant au Georgia Institute of Technology, à Atlanta, NOUS.

Pour étudier la réponse des vers noirs aux changements environnementaux, Nguyen et d'autres chercheurs ont enregistré le mouvement de vers noirs individuels dans des bains-marie dont la température a progressivement augmenté de 12 à 34 ºC. Jusqu'à 30 ºC, les vers avaient tendance à explorer le bain, cherchant ses murs, puis se déplaçant le long d'eux. A des températures plus élevées, dommageable pour leur physiologie, les vers sont restés pour la plupart immobiles.

Tester un blob de ver numérique

Les chercheurs ont ensuite simulé le comportement individuel et collectif des vers noirs dans un modèle informatique, restreindre les blobs à seulement deux dimensions pour plus de simplicité. Ils ont programmé les vers pour qu'ils se comportent comme des molécules :se repousser contre s'attirer à des distances très proches contre des distances modérées, et ne pas interagir à de plus grandes distances. Des vers isolés ont été programmés pour explorer davantage à basse température. La flexibilité entre leurs segments corporels a été réglée sur modérée, les vers modèles s'étirent à basse température mais s'enroulent à des températures plus élevées.

Les chercheurs montrent qu'un mouvement collectif soutenu des vers noirs ne peut émerger que lorsqu'il existe un juste équilibre entre l'"adhérence" des vers et leur mouvement individuel, de sorte que les gouttes restent ensemble lorsqu'elles se déplacent pour rechercher des endroits plus froids. Autour de cet équilibre optimal, les blobs modèles se sont déplacés à une vitesse de 1 mm/s en moyenne, mais plus lentement pour les gros blobs.

"Quand nous avons changé les paramètres, en particulier l'attraction entre les vers et la force de l'autopropulsion individuelle, nous avons observé trois grands états comportementaux :un où la locomotion collective se produit systématiquement, un autre où les taches s'effondrent, et enfin un où les vers s'accrochent si fortement les uns aux autres que les taches ne peuvent pas bouger, " a déclaré le co-auteur Dr Orit Peleg, professeur assistant d'informatique à l'Institut BioFrontiers.

"Les vrais vers noirs les montrent aussi, ce qui signifie que notre modèle, malgré sa simplicité, capture une grande partie de la complexité de l'organisme réel."

« Nous espérons que nos résultats actuels pourront être appliqués à la conception de nouveaux systèmes robotiques où des robots individuels souples et flexibles peuvent s'emmêler et se déplacer comme une unité. Une autre application possible serait dans les « matériaux vivants modifiés », ' tels que des matériaux de construction ou des tissus, qui sont composées d'unités autonomes pouvant se réorganiser pour réparer ou répondre à l'environnement, " conclut Bhamla.