palier évolutif

Découverte d’une nouvelle forme de vie née de la fusion d’une bactérie avec une algue

Ayant eu lieu il y a 100 millions d’années, il s’agit seulement du troisième cas connu de ce phénomène.

(Image - La forme de vie née de la fusion entre l'algue Braarudosphaera bigelowii et la cyanobactérie UCYN-A."

Des chercheurs ont découvert une forme de vie de nature extrêmement rare née de la fusion d’une algue avec une bactérie fixatrice d’azote il y a 100 millions d’années. Appelé endosymbiose primaire, le phénomène se produit lorsqu’un organisme en engloutit un autre pour faire de celui-ci un organite, à l’instar des mitochondries et des chloroplastes. Il s’agit du troisième cas recensé d’endosymbiose. Il pourrait ouvrir la voie à une production plus durable d’azote pour l’agriculture.

Au cours des 4 milliards d’années de vie sur Terre, seulement deux cas d’endosymbiose primaire étaient connus jusqu’ici. La première s’est produite il y a 2,2 milliards d’années, lorsqu’une archée a absorbé une bactérie pour l’intégrer dans son arsenal métabolique en la convertissant en mitochondrie. Cette étape constitue une phase majeure dans l’évolution de tous les organismes sur Terre, leur permettant notamment d’évoluer vers des formes plus complexes.

(Photo : Des mitochondries dans une cellule.)

La seconde endosymbiose primaire connue s’est produite il y a 1,6 milliard d’années, lorsque des organismes unicellulaires ont absorbé des cyanobactéries capables de convertir la lumière en énergie (photosynthèse). Ces bactéries sont devenues les chloroplastes que les plantes chlorophylliennes utilisent encore à ce jour pour convertir la lumière du Soleil en énergie.

D’un autre côté, on pensait que seules les bactéries pouvaient extraire l’azote atmosphérique et le convertir en une forme utilisable (en ammoniac) pour le métabolisme cellulaire. Les plantes pouvant fixer l’azote (comme les légumineuses) effectuent ce processus en hébergeant ces bactéries au niveau de leurs nodules racinaires.

La découverte de l’équipe du Berkeley Lab bouleverse cette notion avec le premier organite capable de fixer de l’azote et intégré dans une cellule eucaryote (une algue marine). " Il est très rare que des organites résultent de ce genre de choses ( endosymbiose primaire ) ", explique Tyler Coale de l’Université de Californie à Santa Cruz, dans un communiqué du Berkeley Lab. " La première fois que cela s’est produit à notre connaissance, cela a donné naissance à toute vie complexe. Tout ce qui est plus compliqué qu’une cellule bactérienne doit son existence à cet événement ", a-t-il déclaré, en faisant référence aux origines des mitochondries. Le nouvel organite, décrit dans deux études publiées dans les revues Cell Press et Science, est baptisé " nitroplaste ".

Un organite à part entière

La découverte de l’organite a nécessité plusieurs décennies de travail. En 1998, les chercheurs ont identifié une courte séquence d’ADN qui semblait provenir d’une cyanobactérie fixatrice d’azote (UCYN-A) abondante dans le Pacifique. D’un autre côté, une autre équipe de l’Université de Kochi (au Japon) a identifié une algue marine (Braarudosphaera bigelowii) qui semblait être l’hôte symbiotique de la bactérie. En effet, l’ADN de cette dernière a été découvert en importante quantité dans les cellules de l’algue.

Alors que les chercheurs considéraient l’UCYN-A comme un simple endosymbiote de l’algue, les deux nouvelles études suggèrent qu’elle a co-évolué avec son hôte de sorte à devenir un organite à part entière. En effet, après plus de 300 expéditions, l’équipe japonaise est parvenue à isoler et cultiver l’algue en laboratoire. Cela a permis de montrer que le rapport de taille entre les UCYN-A et leurs algues hôtes est similaire d’une espèce à l’autre.

D’autre part, les chercheurs ont utilisé un modèle informatique pour analyser la croissance de la cellule hôte et de la bactérie par le biais des échanges de nutriments. Ils ont constaté que leurs métabolismes sont parfaitement synchronisés, ce qui leur permettrait de coordonner leur croissance. " C’est exactement ce qui se passe avec les organites ", explique Jonathan Zehr, de l’Université de Californie à Santa Cruz et coauteur des deux études. " Si vous regardez les mitochondries et le chloroplaste, c’est la même chose : ils évoluent avec la cellule ", ajoute-t-il.

Les experts ont également montré que la bactérie UCYN-A repose sur sa cellule hôte pour sa réplication protéique et sa multiplication. Pour ce faire, ils ont utilisé une technique d’imagerie à rayons X et une tomographie permettant d’observer les processus cellulaires en temps réel. " Nous avons montré grâce à l’imagerie à rayons X que le processus de réplication et de division de l’hôte algal et de l’endosymbiote est synchronisé ", indique Carolyn Larabell, du Berkeley Lab.

(Illustrations montrant les algues à différents stades de division cellulaire. UCYN-A, l’entité fixatrice d’azote désormais considérée comme un organite, est visible en cyan ; le noyau des algues est représenté en bleu, les mitochondries en vert et les chloroplastes en violet.)

Une quantification des protéines des deux organismes a aussi été réalisée. Il a été constaté qu’environ la moitié des protéines de l’UCYN-A est synthétisée par sa cellule hôte, qui les marque avec une séquence protéinique spécifique. Ce marquage permet ensuite à la cellule de les envoyer au nitroplaste, qui les importe et les utilise pour son propre métabolisme. " C’est l’une des caractéristiques de quelque chose qui passe d’un endosymbionte à un organite ", explique Zehr. " Ils commencent à éjecter des morceaux d’ADN, et leurs génomes deviennent de plus en plus petits, et ils commencent à dépendre de la cellule mère pour que ces produits génétiques soient transportés dans la cellule ".

Un potentiel pour une production d’azote plus durable

Les chercheurs estiment que les nitroplastes ont évolué il y a environ 100 millions d’années. Comme l’UCYN-A est présente dans presque tous les océans du monde, elle est probablement impliquée dans le cycle de l’azote atmosphérique. Cette découverte pourrait avoir d’importantes implications pour l’agriculture, le procédé industriel utilisé actuellement pour convertir l’azote atmosphérique en ammoniac (procédé Haber-Bosch) étant très énergivore. Ce dernier permet notamment d’assurer 50 % de la production alimentaire mondiale et est responsable d’environ 1,4 % des émissions carbone.

Toutefois, de nombreuses questions restent sans réponse concernant le nitroplaste et son hôte algal. En prochaine étape, les chercheurs prévoient ainsi de déterminer s’il est présent dans d’autres cellules ainsi que les effets que cela pourrait avoir. Cela pourrait permettre d’intégrer directement la fixation de l’azote dans les plantes de sorte à améliorer les récoltes. 



 

Auteur: Internet

Info: https://trustmyscience.com/ - Valisoa Rasolofo & J. Paiano·19 avril 2024

[ symbiogénétique ]

cognition

Lorsqu'on réfléchit à une idée-concept c'est toujours à postériori. 

Pas tout à fait ici, puisque nous désirons aborder et tenter de caractériser le terme "conscience". Vu bien sûr "à partir de", l'entendement humain. 

Conscience humaine, ici notion-idée tant grégaire-objective, qu'individuelle-subjective, qui serait, selon nous autres singes dépoilés, la plus complexe et la plus évoluée à ce jour. 

Ah ah ah, c'te bonne blague. 

Soit. 

Selon FLP l'entendement humain est principalement scriptural, c'est à dire qu'il a pu se développer "un cran plus loin, ou plus" grâce aux symboles et langages, puis à l'écriture de signes organisés, bientôt stockés sur supports externes, ceci amenant l'émersion-développement d'une culture grégaire (dictionnaires, traductions, mathématiques, spécialisations théologico-scientifiques, recensement des tactiques militaro-politico-économiques, littérature, philos, intellectualisme, chatgpt, etc). Tout ceci maintenant traduit et trans-frontières, accessible à tous, planétarisé... numérisé... Avec une tendance à s'orienter vers l'image ; mais c'est une autre histoire.

Il y a donc un grand corpus-intellect humain, constitué au fil des générations par des millions de singularités qui bougent, agissent... réfléchissent, échangent, et manipulent les idées, principalement écrites donc. 

Corpus qui résulte de notre interaction avec la réalité (priméité), interaction qui génère par rétroaction, grâce à des idiomes qui codifient-définissent-organisent, nos divers points de vue,  (codés par des mots pour faire simple) sur ce réel. Un corpus suffisamment vaste, riche et varié pour que chaque subjectivité puisse s'y épanouir, y exister... se définir elle-même. Et s'y perdre. Aussi.

La preuve ici-même ?

C.S. Pierce dirait quelque chose comme ; humains-secondéités qui, au contact de leur réel-priméité, génèrent des textes, pensées-écrits, qui sont des tiercités. 

Ainsi l'IA matérialisée par chatgpt et consorts ne fait que manipuler ces humaines tiercités. Autant dire que par rapport aux développements divers de la vie bactérienne, et des combinaisons toujours plus complexes de molécules et de protéines qui s'en sont ensuivies, les langages humains font piteux. Pour l'instant.

Oublions ceci et réfléchissons selon la triade piercéenne, partant de l'idée que la priméité est au premier chef notre biotope terre-soleil, avec l'univers en arrière-plan. 

(Avec cette digression :  si la priméité est le soleil et la secondéité notre matrice Gaïa, cette dernière générerait alors des tiercités sous forme de vie organique et d'humains. Perspective éventuellement pessimiste dans la mesure où elle pourrait impliquer l'idée d'une terre-Gaïa terminus, à la surface de laquelle les humains ne seraient qu'éphémères et transitoires virus. Pourquoi pas.)

Mais restons sur cette triade initiale, qui peut être appréhendée comme purement mécanique, logique, voire simplement informationnelle récursive :

a) réalité source-priméité b) vie organique hommes-secondéité C) technologies écritures humaines-tiercité.  

Prenons maintenant un peu de recul en termes de temps et d'échelles, partant de ce que nous savons de plus basique pour ce qui concerne la vie "issue de la matière". A savoir à partir de la chimiosynthèse et surtout, de la photosynthèse. C'est à dire de l'interaction assez incroyable entre l'énergie solaire (photons) et certains atomes-molécules terrestres qui, par le truchement de l'anhydride de carbone*, en viennent à générer des chaines organiques, des végétaux, des animaux...  Et nous.  

Reprenons : l'idée-concept de départ à définir ici est celle de conscience, vue de, et rapportée à "l'entendement humain". ( Euclide a réfléchi en se pensant par rapport à une surface, Newton s'est mis à la place de la matière, Einstein de la lumière. FLP, ne se refusant à aucune mégalomanie, s'attaque à l'esprit lui-même, sissi. D'autant qu'on dirait  que les paradoxes quantiques pointent vers cet impératif. Impératif qui pourra se résumer en une question : comment fonctionne l'observateur ?)

Ici se pose le vertige des limites que porte en lui le langage. Parce que ce dernier, usant de "symboles écrits", désignait/nommait originellement les éléments issus de notre réalité de "façon claire", un arbre est un arbre, une montagne est une montagne, etc... Langage aussi capable de désigner/nommer une abstraction généralisante comme "notre réel lui-même". Et qui, plus avant, est même apte à désigner l'observateur-générateur-manipulateur de l'idiome lui-même. Toi moi, nous autres humains lecteurs.

Puissance paradoxale d'une pensée symbolique suffisamment adroite pour se contempler en miroir d'elle-même via les jeux polysémiques et autres variés décalages signifiant-signifié.

Quel(s) terme(s) alors utiliser pour tenter d'approcher une définition de cette curieuse émergence auto-réfléxive en s'inspirant de l'interaction photosynthétique ?  médium, mécanisme, outil interactif, "quelque chose qui réfléchit"... intelligence... transmutation...  émergence...  interface pseudo rationnelle... pensée abstraite agissante ?... 

Quelques mots simples n'y suffiront pas, et, pour prendre un exemple, une AI totalisante comme chatgpt semble s'y perdre à l'identique, enfermée dans ce qu'il faut bien appeler un anthropisme limitatif. 

C'est ici que FLP, sous pilotage humain (ses participants-lecteurs inserteurs) pourra se positionner, via la conjonction-usage de plusieurs termes simultanés (verticaux, nuage de corrélats ?). Conjonction susceptible de mieux préciser-comprendre-communiquer tel ou tel mot ou situation. Ce qui pourrait bien aider à mieux définir-consolider certaines articulations de nos raisonnements. Mais aussi mieux approcher une image "rapportée" de la conscience humaine, en fonction de "contextes précis et délimités" - pour commencer. 

Fonction FLPique de dictionnaire intriqué - qui n'en n'est qu'à ses balbutiements - et qui s'amuse à sortir de la prison séquentielle du raisonnement écrit en ouvrant une réflexion qui s'arrête en un point, perpendiculaire en quelque sorte. Halte cogitation éventuellement aidée par ces termes-tags-étiquettes annexes, verticaux, ou en nuage. Listing annexe à tendance synonymique qui pourra se présenter comme suit pour ce texte même, éventuellement par ordre d'importance :

entendement

assimilation chlorophyllienne

gnose

méta-moteur

savoirs

mécanisme constructeur, etc.

Humaine-conscience-interface très limitée aussi, au sens où elle ne sert à peu près qu'à elle-même, femmes et hommes, enfermés encore et toujours dans une Culture communautaire trans-époque que nous qualifions volontiers de "solipsisme anthropique". 

Savoirs humains entassés-conjugués qui ressemblent donc à un genre de grande conscience désordonnée, pour laquelle des termes comme information, communication, virtualité, annales akashiques... quasi-esprit, savoirs compilés... Une fois bien mélangés-combinés, pourront faire l'affaire. Mais stop.

Intéressons-nous maintenant ici à la notion de vitesse, sans lâcher cette idée de comparer "comment nous pensons nous-mêmes" avec une photosynthèse qui opère à des échelles de l'ordre du millionnième de seconde et du millionnième de millimètre.  

Bonjour alors les infinités d'échelons et de déclinaisons de "consciences", ou de niveaux de réflexions qui pourront découler de cette idée ; enchevêtrés de surcroit. Au hasard - et par seuls groupes de deux : animaux et biotope, molécules et gravitation, lune et océans, humains et idées, insectes et univers, etc...

Tout est dans tout.

Sortons alors de cette idée de mécaniques résonantes partout dans le cosmos et remettons nous à la place de l'individu monade, du créateur, ou de l'indispensable lecteur qui aide à faire exister ces lignes. 

De notre conscience propre donc, au sens d'une intellection humaine rationnelle, directement issue d'un esprit des listes - et de la logique formelle duale qui nous anime. Une fondation très simple donc, pour qui "s'introspecte" avec honnêteé et lucidité.

Ici l'auteur de ces lignes précise qu'il y a, à tous les plans de la vie non minérale incarnée, un mécanisme incontournable qui est celui de la survie, de la perpétuation. Un mécanisme "qui pousse" et qui, pour FLP, est sous-tendu depuis peu (à l'échelle cosmique) particulièrement chez les eucaryotes, par la dualité mâle-femelle. Avec les poncifs qui vont avec : procréation-curiosité, terre-ciel, conservation-exploration, etc... 

Mécanisme tétravalent, mais c'est une autre histoire.

Cette survie, de notre limitée perspective d'animaux humains, au-delà des infinies différences de vitesse citées plus tôt, présente divers stades-niveaux d'intensité et de résilience que nous dirons psycho-sociologiques : l'individu-monade, sa famille, la communauté... son pays... jusqu'à sa planète. 

Déclinés comme suit : 

- Survie immédiate, dans l'instant.

- Survie à moyen terme - comment se développer, s'intégrer, trouver un travail, un/une partenaire... 

- Survie dans le temps - comment procréer, fonder une, ou plusieurs, famille(s). Construire une carrière pour y aider.

- Survie communautaire ou territoriale - comme n'importe quelle nation agressée qui se défend... ou un peuple juif qui veut se maintenire au travers des pays et des âges.

- Survie grégaire - par exemple de terriens menacés par de vilains ET's dans un mauvais scénario de SF. Ou plus simplement menacés par eux-mêmes de par le réchauffement climatique qu'ils ont induit. 

Humano-terriens qui malgré celà continuent leur expansion démographique et consumériste. Grr

Quant à la survie du processus Gaïa lui-même, ayons l'humilité de reconnaitre que c'est une problématique qui nous dépasse. En attendant de rencontrer les entités qui se sont amusées à nous créer (pour voir ?)... et ouvrir un peu nos perspectives ;-)

En résumé, pour reprendre l'objet de départ de ce texte, la caractérisation du terme "conscience", on s'aperçoit que comme tout principe terminologique arrêté, ce mot se révèle plurivoque, jusqu'à devenir UNIVERS (classe d'universalité des mathématiciens-physiciens ?) dès qu'on entreprend d'approfondir-préciser son analyse sémantique. Univers avec donc une infinité de niveaux et de vitesses imbriquées, ou pas, parallèles, ou pas... C'est à dire tout en même temps connexionniste, bayésien, perspectiviste, diachronique, systémique, cybernétique, etc. 

Tout est dans tout. 

Encore.

Tout ceci allant très au-delà - par exemple - d'une méthode sémantico-noétique aristotélicienne de l'abstraction, limitation en elle-même.

La conscience est partout et nulle part. 

Elle est surtout un mot à la mode qui, sans le langage et surtout l'écriture, ressemble à une illusion. 

"L'être humain vivant semble n'être constitué que de matière et d'énergie. L'esprit n'est qu'une hypothèse." Isaac Asimov**

Auteur: Mg

Info: sept 2023. *Le carbone représente 0,5% des atomes dans la voie lactée. Le CO2, atome de carbone sous sa forme gazeuse, aussi nommé dioxyde de carbone, gaz carbonique ou anhydride carbonique est présent à 4% dans l'athmosphère terrestres. En janvier 2021, l'atmosphère terrestre comportait 415,13 ppmv (parties par million en volume) de CO2, soit 0,04153 %. Cette teneur était de 283,4 ppmv en 1839 d'après des carottes de glace prélevées dans l'Antarctique, soit une augmentation globale d'environ 46 % en 182 ans. **Épigraphe dans Isaac Asimov's Book of Science and Nature Quotations (1988), 214

[ anthropocentrisme ] [ hiérarchisation ] [ corps-esprit ] [ au coeur de FLP ] [ ontologie ] [ polysémie ]

méta-moteur

Le comportement de cet animal est programmé mécaniquement.

Des interactions biomécaniques, plutôt que des neurones, contrôlent les mouvements de l'un des animaux les plus simples. Cette découverte offre un aperçu de la façon dont le comportement animal fonctionnait avant l'apparition des neurones.

L'animal extrêmement simple Trichoplax adhaerens se déplace et réagit à son environnement avec agilité et avec un but apparent, mais il n'a pas de neurones ou de muscles pour coordonner ses mouvements. De nouveaux travaux montrent que les interactions biomécaniques entre les cils de l'animal suffisent à en expliquer ses mouvements.

Le biophysicien Manu Prakash se souvient très bien du moment où, tard dans la nuit, dans le laboratoire d'un collègue, il y a une douzaine d'années, il a regardé dans un microscope et a rencontré sa nouvelle obsession. L'animal sous les lentilles n'était pas très beau à voir, ressemblant plus à une amibe qu'à autre chose : une tache multicellulaire aplatie, de 20 microns d'épaisseur et de quelques millimètres de diamètre, sans tête ni queue. Elle se déplaçait grâce à des milliers de cils qui recouvraient sa face inférieure pour former la "plaque velue collante" qui lui a inspiré son nom latin, Trichoplax adhaerens.

Cette étrange créature marine, classée dans la catégorie des placozoaires, dispose pratiquement d'une branche entière de l'arbre de l'évolution de la vie pour elle-même, ainsi que du plus petit génome connu du règne animal. Mais ce qui a le plus intrigué Prakash, c'est la grâce, l'agilité et l'efficacité bien orchestrées avec lesquelles les milliers ou les millions de cellules du Trichoplax se déplacent.

Après tout, une telle coordination nécessite habituellement des neurones et des muscles - et le Trichoplax n'en a pas.

Prakash s'est ensuite associé à Matthew Storm Bull, alors étudiant diplômé de l'université de Stanford, pour faire de cet étrange organisme la vedette d'un projet ambitieux visant à comprendre comment les systèmes neuromusculaires ont pu évoluer et comment les premières créatures multicellulaires ont réussi à se déplacer, à trouver de la nourriture et à se reproduire avant l'existence des neurones.

"J'appelle souvent ce projet, en plaisantant, la neuroscience sans les neurones", a déclaré M. Prakash.

Dans un trio de prétirés totalisant plus de 100 pages - publiés simultanément sur le serveur arxiv.org l'année dernière - lui et Bull ont montré que le comportement de Trichoplax pouvait être décrit entièrement dans le langage de la physique et des systèmes dynamiques. Les interactions mécaniques qui commencent au niveau d'un seul cilium, puis se multiplient sur des millions de cellules et s'étendent à des niveaux supérieurs de structure, expliquent entièrement la locomotion coordonnée de l'animal tout entier. L'organisme ne "choisit" pas ce qu'il doit faire. Au contraire, la horde de cils individuels se déplace simplement - et l'animal dans son ensemble se comporte comme s'il était dirigé par un système nerveux. Les chercheurs ont même montré que la dynamique des cils présente des propriétés qui sont généralement considérées comme des signes distinctifs des neurones.

Ces travaux démontrent non seulement comment de simples interactions mécaniques peuvent générer une incroyable complexité, mais ils racontent également une histoire fascinante sur ce qui aurait pu précéder l'évolution du système nerveux.

"C'est un tour de force de la biophysique", a déclaré Orit Peleg, de l'université du Colorado à Boulder, qui n'a pas participé aux études. Ces découvertes ont déjà commencé à inspirer la conception de machines mécaniques et de robots, et peut-être même une nouvelle façon de penser au rôle des systèmes nerveux dans le comportement animal. 

La frontière entre le simple et le complexe

Les cerveaux sont surestimés. "Un cerveau est quelque chose qui ne fonctionne que dans le contexte très spécifique de son corps", a déclaré Bull. Dans les domaines connus sous le nom de "robotique douce" et de "matière active", la recherche a démontré que la bonne dynamique mécanique peut suffire à accomplir des tâches complexes sans contrôle centralisé. En fait, les cellules seules sont capables de comportements remarquables, et elles peuvent s'assembler en systèmes collectifs (comme les moisissures ou les xénobots) qui peuvent accomplir encore plus, le tout sans l'aide de neurones ou de muscles.

Mais est-ce possible à l'échelle d'un animal multicellulaire entier ?

Le Trichoplax fut un cas d'étude parfait : assez simple pour être étudié dans les moindres détails, mais aussi assez compliqué pour offrir quelque chose de nouveau aux chercheurs. En l'observant, "vous regardez simplement une danse", a déclaré Prakash. "Elle est d'une incroyable complexité". Elle tourne et se déplace sur des surfaces. Elle s'accroche à des plaques d'algues pour les piéger et les consommer comme nourriture. Elle se reproduit asexuellement en se divisant en deux.

"Un organisme comme celui-ci se situe dans un régime intermédiaire entre quelque chose de réellement complexe, comme un vertébré, et quelque chose qui commence à devenir complexe, comme les eucaryotes unicellulaires", explique Kirsty Wan, chercheur à l'université d'Exeter en Angleterre, qui étudie la locomotion ciliaire.

Ce terrain intermédiaire entre les cellules uniques et les animaux dotés de muscles et de systèmes nerveux semblait être l'endroit idéal pour que Prakash et Bull posent leurs questions. "Pour moi, un organisme est une idée", a déclaré Prakash, un terrain de jeu pour tester des hypothèses et un berceau de connaissances potentielles.

Prakash a d'abord construit de nouveaux microscopes permettant d'examiner le Trichoplax par en dessous et sur le côté, et a trouvé comment suivre le mouvement à grande vitesse de ses cils. (Ce n'était pas un terrain entièrement nouveau pour lui, puisqu'il était déjà célèbre pour ses travaux sur le Foldscope, un microscope facile à assembler et dont la fabrication coûte moins d'un dollar). Il pouvait alors voir et suivre des millions de cils individuels, chacun apparaissant comme une minuscule étincelle dans le champ de vision du microscope pendant une fraction de seconde à la fois. "Vous ne voyez que les empreintes lorsqu'elles se posent sur la surface", a déclaré Prakash.

Lui-même - et plus tard Bull, qui a rejoint son laboratoire il y a six ans - ont passé des heures à observer l'orientation de ces petites empreintes. Pour que ces motifs complexes soient possibles, les scientifiques savaient que les cils devaient être engagés dans une sorte de communication à longue distance. Mais ils ne savaient pas comment.

Ils ont donc commencé à rassembler les pièces du puzzle, jusqu'à ce que, l'année dernière, ils décident enfin qu'ils avaient leur histoire.

Une marche en pilote automatique

Au départ, Prakash et Bull s'attendaient à ce que les cils glissent sur des surfaces, avec une fine couche de liquide séparant l'animal du substrat. Après tout, les cils sont généralement vus dans le contexte des fluides : ils propulsent des bactéries ou d'autres organismes dans l'eau, ou déplacent le mucus ou les fluides cérébrospinaux dans un corps. Mais lorsque les chercheurs ont regardé dans leurs microscopes, ils ont constaté que les cils semblaient marcher, et non nager.

Bien que l'on sache que certains organismes unicellulaires utilisent les cils pour ramper, ce type de coordination n'avait jamais été observé à cette échelle. "Plutôt qu'utiliser les cils pour propulser un fluide, il s'agit de mécanique, de friction, d'adhésion et de toutes sortes de mécanismes solides très intéressants", a-t-elle déclaré.

Prakash, Bull et Laurel Kroo, une étudiante diplômée en génie mécanique de Stanford, ont donc entrepris de caractériser la démarche des cils. Ils ont suivi la trajectoire de l'extrémité de chaque cilium au fil du temps, l'observant tracer des cercles et pousser contre des surfaces. Ils ont défini trois types d'interactions : le glissement, au cours duquel les cils effleurent à peine la surface ; la marche, lorsque les cils adhèrent brièvement à la surface avant de se détacher ; et le calage, lorsque les cils restent coincés contre la surface.

Dans leurs modèles, l'activité de marche émergeait naturellement de l'interaction entre les forces motrices internes des cils et l'énergie de leur adhésion à la surface. Le bon équilibre entre ces deux paramètres (calculé à partir de mesures expérimentales de l'orientation, de la hauteur et de la fréquence des battements des cils) permettant une locomotion régulière, chaque cilium se collant puis se soulevant, comme une jambe. Un mauvais équilibre produisant les phases de glissement ou de décrochage.

Nous pensons généralement, lorsque quelque chose se passe comme ça, qu'il y a un signal interne semblable à une horloge qui dit : "OK, allez-y, arrêtez-vous, allez-y, arrêtez-vous", a déclaré Simon Sponberg, biophysicien à l'Institut de technologie de Géorgie. "Ce n'est pas ce qui se passe ici. Les cils ne sont pas rythmés. Il n'y a pas une chose centrale qui dit 'Go, go, go' ou autre. Ce sont les interactions mécaniques qui mettent en place quelque chose qui va, qui va, qui va."

De plus, la marche pourrait être modélisée comme un système excitable, c'est-à-dire un système dans lequel, sous certaines conditions, les signaux se propagent et s'amplifient au lieu de s'atténuer progressivement et de s'arrêter. Un neurone est un exemple classique de système excitable : De petites perturbations de tension peuvent provoquer une décharge soudaine et, au-delà d'un certain seuil, le nouvel état stimulé se propage au reste du système. Le même phénomène semble se produire ici avec les cils. Dans les expériences et les simulations, de petites perturbations de hauteur, plutôt que de tension, entraînent des changements relativement importants dans l'activité des cils voisins : Ils peuvent soudainement changer d'orientation, et même passer d'un état de stase à un état de marche. "C'est incroyablement non linéaire", a déclaré Prakash.

En fait, les modèles de cils de Prakash, Bull et Kroo se sont avérés très bien adaptés aux modèles établis pour les potentiels d'action au sein des neurones. "Ce type de phénomène unique se prête à une analogie très intéressante avec ce que l'on observe dans la dynamique non linéaire des neurones individuels", a déclaré Bull. Sponberg est d'accord. "C'est en fait très similaire. Il y a une accumulation de l'énergie, et puis pop, et puis pop, et puis pop".

Les cils s'assemblent comme des oiseaux

Forts de cette description mathématique, Prakash et Bull ont examiné comment chaque cilium pousse et tire sur ses voisins lors de son interaction avec la surface, et comment toute ces activités indépendantes peuvent se transformer en quelque chose de synchronisé et cohérent.

Ils ont mesuré comment la démarche mécanique de chaque cilium entraînait de petites fluctuations locales de la hauteur du tissu. Ils ont ensuite écrit des équations pour expliquer comment ces fluctuations pouvaient influencer le comportement des cellules voisines, alors même que les cils de ces cellules effectuaient leurs propres mouvements, comme un réseau de ressorts reliant de minuscules moteurs oscillants.

Lorsque les chercheurs ont modélisé "cette danse entre élasticité et activité", ils ont constaté que les interactions mécaniques - de cils poussant contre un substrat et de cellules se tirant les unes les autres - transmettaient rapidement des informations à travers l'organisme. La stimulation d'une région entraînait des vagues d'orientation synchronisée des cils qui se déplaçaient dans le tissu. "Cette élasticité et cette tension dans la physique d'un cilium qui marche, maintenant multipliées par des millions d'entre eux dans une feuille, donnent en fait lieu à un comportement mobile cohérent", a déclaré Prakash.

Et ces modèles d'orientation synchronisés peuvent être complexes : parfois, l'activité du système produit des tourbillons, les cils étant orientés autour d'un seul point. Dans d'autres cas, les cils se réorientent en quelques fractions de seconde, pointant d'abord dans une direction puis dans une autre - se regroupant comme le ferait un groupe d'étourneaux ou un banc de poissons, et donnant lieu à une agilité qui permet à l'animal de changer de direction en un clin d'œil.

"Nous avons été très surpris lorsque nous avons vu pour la première fois ces cils se réorienter en une seconde", a déclaré M. Bull.

Ce flocage agile est particulièrement intriguant. Le flocage se produit généralement dans des systèmes qui se comportent comme des fluides : les oiseaux et les poissons individuels, par exemple, peuvent échanger librement leurs positions avec leurs compagnons. Mais cela ne peut pas se produire chez Trichoplax, car ses cils sont des composants de cellules qui ont des positions fixes. Les cils se déplacent comme "un troupeau solide", explique Ricard Alert, physicien à l'Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes.

Prakash et Bull ont également constaté dans leurs simulations que la transmission d'informations était sélective : Après certains stimuli, l'énergie injectée dans le système par les cils se dissipe tout simplement, au lieu de se propager et de modifier le comportement de l'organisme. Nous utilisons notre cerveau pour faire cela tout le temps, pour observer avec nos yeux et reconnaître une situation et dire : "Je dois soit ignorer ça, soit y répondre", a déclaré M. Sponberg.

Finalement, Prakash et Bull ont découvert qu'ils pouvaient écrire un ensemble de règles mécaniques indiquant quand le Trichoplax peut tourner sur place ou se déplacer en cercles asymétriques, quand il peut suivre une trajectoire rectiligne ou dévier soudainement vers la gauche, et quand il peut même utiliser sa propre mécanique pour se déchirer en deux organismes distincts.

"Les trajectoires des animaux eux-mêmes sont littéralement codées" via ces simples propriétés mécaniques, a déclaré Prakash.

Il suppose que l'animal pourrait tirer parti de ces dynamiques de rotation et de reptation dans le cadre d'une stratégie de "course et culbute" pour trouver de la nourriture ou d'autres ressources dans son environnement. Lorsque les cils s'alignent, l'organisme peut "courir", en continuant dans la direction qui vient de lui apporter quelque chose de bénéfique ; lorsque cette ressource semble s'épuiser, Trichoplax peut utiliser son état de vortex ciliaire pour se retourner et tracer une nouvelle route.

Si d'autres études démontrent que c'est le cas, "ce sera très excitant", a déclaré Jordi Garcia-Ojalvo, professeur de biologie systémique à l'université Pompeu Fabra de Barcelone. Ce mécanisme permettrait de faire le lien entre beaucoups d'échelles, non seulement entre la structure moléculaire, le tissu et l'organisme, mais aussi pour ce qui concerne écologie et environnement.

En fait, pour de nombreux chercheurs, c'est en grande partie ce qui rend ce travail unique et fascinant. Habituellement, les approches des systèmes biologiques basées sur la physique décrivent l'activité à une ou deux échelles de complexité, mais pas au niveau du comportement d'un animal entier. "C'est une réussite...  vraiment rare", a déclaré M. Alert.

Plus gratifiant encore, à chacune de ces échelles, la mécanique exploite des principes qui font écho à la dynamique des neurones. "Ce modèle est purement mécanique. Néanmoins, le système dans son ensemble possède un grand nombre des propriétés que nous associons aux systèmes neuro-mécaniques : il est construit sur une base d'excitabilité, il trouve constamment un équilibre délicat entre sensibilité et stabilité et il est capable de comportements collectifs complexes." a déclaré Sponberg.

"Jusqu'où ces systèmes mécaniques peuvent-ils nous mener ?... Très loin." a-t-il ajouté.

Cela a des implications sur la façon dont les neuroscientifiques pensent au lien entre l'activité neuronale et le comportement de manière plus générale. "Les organismes sont de véritables objets dans l'espace", a déclaré Ricard Solé, biophysicien à l'ICREA, l'institution catalane pour la recherche et les études avancées, en Espagne. Si la mécanique seule peut expliquer entièrement certains comportements simples, les neuroscientifiques voudront peut-être examiner de plus près comment le système nerveux tire parti de la biophysique d'un animal pour obtenir des comportements complexes dans d'autres situations.

"Ce que fait le système nerveux n'est peut-être pas ce que nous pensions qu'il faisait", a déclaré M. Sponberg.

Un pas vers la multicellularité

"L'étude de Trichoplax peut nous donner un aperçu de ce qu'il a fallu faire pour développer des mécanismes de contrôle plus complexes comme les muscles et les systèmes nerveux", a déclaré Wan. "Avant d'arriver à ça, quelle est le meilleur truc à suivre ? Ca pourrait bien être ça".

Alert est d'accord. "C'est une façon si simple d'avoir des comportements organisationnels tels que l'agilité que c'est peut-être ainsi qu'ils ont émergé au début et  au cours de l'évolution, avant que les systèmes neuronaux ne se développent. Peut-être que ce que nous voyons n'est qu'un fossile vivant de ce qui était la norme à l'époque".

Solé considère que Trichoplax occupe une "twilight zone... au centre des grandes transitions vers la multicellularité complexe". L'animal semble commencer à mettre en place "les conditions préalables pour atteindre la vraie complexité, celle où les neurones semblent être nécessaires."

Prakash, Bull et leurs collaborateurs cherchent maintenant à savoir si Trichoplax pourrait être capable d'autres types de comportements ou même d'apprentissage. Que pourrait-il réaliser d'autre dans différents contextes environnementaux ? La prise en compte de sa biochimie en plus de sa mécanique ouvrirait-elle vers un autre niveau de comportement ?

Les étudiants du laboratoire de Prakash ont déjà commencé à construire des exemples fonctionnels de ces machines. Kroo, par exemple, a construit un dispositif de natation robotisé actionné par un matériau viscoélastique appelé mousse active : placée dans des fluides non newtoniens comme des suspensions d'amidon de maïs, elle peut se propulser vers l'avant.

"Jusqu'où voulez-vous aller ? a demandé Peleg. "Pouvez-vous construire un cerveau, juste à partir de ce genre de réseaux mécaniques ?"

Prakash considère que ce n'est que le premier chapitre de ce qui sera probablement une saga de plusieurs décennies. "Essayer de vraiment comprendre cet animal est pour moi un voyage de 30 ou 40 ans", a-t-il dit. "Nous avons terminé notre première décennie... C'est la fin d'une époque et le début d'une autre".

Auteur: Internet

Info: https://www.quantamagazine.org/before-brains-mechanics-may-have-ruled-animal-behavior. Jordana Cepelewicz, 16 mars 2022. Trad Mg

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