Des chercheurs découvrent les mathématiques bizarres derrière les blobs de vers « ultrarapides » : ScienceAlert

Malgré notre talent pour faire des nœuds dans tout, des lacets aux rayons laser, nous, les humains, avons encore beaucoup à apprendre d’un petit ver incliné.

Communément connu sous le nom de ver noir de Californie, le petit invertébré Lumbriculus variegatus a gracieusement partagé quelques-uns de ses secrets dans une nouvelle étude examinant les mathématiques derrière ses incroyables nœuds vivants.

Des chercheurs du Georgia Institute of Technology aux États-Unis ont étudié les vers noirs pendant des années, intrigués par leur capacité de mouvement ultrarapide et leur comportement collectif – à savoir, comment ils forment des nœuds massifs, ou « blobs », avec des milliers de vers qui peuvent également se disperser en millisecondes. .

Dans la nouvelle étude, des chercheurs de Georgia Tech et du Massachusetts Institute of Technology ont utilisé des ultrasons pour jeter un nouvel éclairage sur les gouttes de vers, révélant des détails qui pourraient éclairer la conception de robots dotés de compétences similaires.

“Nous voulions comprendre la mécanique exacte derrière la façon dont les vers modifient leur dynamique de mouvement pour obtenir un enchevêtrement et un démêlage ultra-rapide”, dit co-auteur Saad Bhamla, professeur adjoint à la School of Chemical and Biomolecular Engineering de Georgia Tech.

“De plus, ce ne sont pas seulement des filaments typiques comme de la ficelle, des câbles Ethernet ou des spaghettis – ce sont des enchevêtrements vivants et actifs qui sont hors d’équilibre, ce qui ajoute une couche fascinante à la question”, a-t-il déclaré. ajoute.

Les vers noirs sauvages vivent en Amérique du Nord et en Eurasie, où ils habitent les eaux peu profondes au bord des étangs, des lacs et des marais, mangeant des plantes mortes et des micro-organismes dans la boue.

frameborder=”0″ allow=”accéléromètre ; lecture automatique; presse-papiers-écrire ; support crypté ; gyroscope; image dans l’image; partage Web” autorisé en plein écran>

Les individus ont une longueur d’environ 4 à 8 centimètres (1,5 à 3 pouces), mais ils peuvent aussi s’emmêler de manière complexe, formant une masse de vers vivants avec jusqu’à 50 000 individus.

Le blobbing les aide à survivre à des conditions difficiles, comme des températures extrêmes ou un manque d’eau, qui tueraient les vers solitaires. Une goutte de ver peut se comporter comme un solide ou un fluide, selon la recherche, et peut même démontrer une prise de décision collective.

Et tandis que les vers peuvent passer plusieurs minutes à se tisser ensemble, ils peuvent se séparer en quelques millisecondes.

“J’ai été choqué lorsque j’ai pointé une lumière UV vers les gouttes de vers et qu’elles se sont dispersées de manière si explosive”, dit Le bio-ingénieur de George Tech Harry Tuazon, étudiant diplômé du laboratoire de Bhamla.

“Mais pour comprendre cette manœuvre complexe et fascinante, j’ai commencé à mener des expériences avec seulement quelques vers.”

Après avoir vu les vidéos de Tuazon sur la dispersion rapide des vers à partir d’une goutte, le bio-ingénieur Vishal Patil (maintenant à l’Université de Stanford) et ses collègues ont sauté sur l’occasion de faire équipe et de les étudier.

“Les nœuds et les enchevêtrements sont un domaine fascinant où la physique et la mécanique rencontrent des mathématiques très intéressantes”, a déclaré Patil dit. “Ces vers semblaient être un bon terrain de jeu pour étudier les principes topologiques dans les systèmes constitués de filaments.”

Patil a remarqué dans une vidéo qu’un ver se déplaçait selon un schéma en huit, une “démarche hélicoïdale” connue chez les vers noirs depuis des décennies. Patil, cependant, s’est demandé si le déménagement pourrait également faire partie du secret des ruptures de blob ultrarapides.

Les chercheurs espéraient expliquer mathématiquement une goutte de vers, en modélisant comment les vers s’emmêlent et se dispersent, mais ils auraient besoin de plus de données. Et l’enregistrement d’images précises de la structure d’un blob s’est avéré difficile.

“Capturer la structure interne d’un ver vivant était un véritable défi”, a déclaré Tuazon. dit. “Nous avons essayé toutes sortes de techniques d’imagerie pendant des mois, y compris les rayons X, la microscopie confocale et la tomographie, mais aucune d’entre elles ne nous a donné la résolution en temps réel dont nous avions besoin.”

Finalement, les chercheurs ont trouvé une technique qui fonctionnait : les ultrasons. Ils ont immobilisé une goutte de ver dans une gelée non toxique et ont utilisé une machine à ultrasons commerciale pour regarder à l’intérieur.

Bhamla, Tuazon et d’autres chercheurs de Georgia Tech ont analysé les vidéos d’échographie résultantes, puis ont tracé quelque 46 000 points de données pour aider Patil et Dunkel à étudier la mécanique et la topologie des gouttes de vers.

Ils ont utilisé ces données pour créer un modèle mathématique pour l’emmêlement et le démêlage des vers noirs, prédisant que chaque ver devrait s’entrelacer avec au moins deux autres lorsqu’ils fusionnent. Il a également suggéré que les démarches hélicoïdales sont la clé des dispersions rapides.

Les visualisations de leur modèle correspondent étroitement aux vidéos réelles de vers qui s’emmêlent et se démêlent, rapportent les chercheurs, montrant comment les mouvements hélicoïdaux des vers leur permettent de s’emmêler rapidement d’une manière qui met en place un mécanisme de libération rapide, qui repose sur des mouvements similaires.

“Ce qui est frappant, c’est que ces structures enchevêtrées sont extrêmement compliquées”, a déclaré Patil dit. “Ce sont des structures désordonnées et complexes, mais ces structures de vers vivants sont capables de manipuler ces nœuds pour des fonctions cruciales.”

L’étude des nœuds de vers pourrait avoir de nombreuses applications pratiques, notent les chercheurs, telles que des filaments synthétiques ou des robots qui changent de forme et qui peuvent changer de propriétés à la demande.

“Imaginez un matériau non tissé doux composé de millions de filaments en forme de cordes qui peuvent s’emmêler et se démêler sur commande, formant un pansement adhésif intelligent qui se transforme au fur et à mesure qu’une plaie guérit, ou un matériau de filtration intelligent qui modifie la topologie des pores pour piéger des particules de différentes tailles. ou des propriétés chimiques,” Bhamla dit. “Les possibilités sont infinies.”

L’étude a été publiée dans Science.