Démêler les mathématiques derrière les nœuds de vers ondulés

May 06, 2023

Pendant des millénaires, les humains ont utilisé les nœuds pour toutes sortes de raisons – pour attacher des cordes, tresser des cheveux ou tisser des tissus. Mais il y a des organismes qui sont meilleurs pour nouer les nœuds et de loin supérieurs – et plus rapides – pour les démêler.

De minuscules vers noirs de Californie s’emmêlent par milliers pour former des taches en forme de boule qui leur permettent d’exécuter un large éventail de fonctions biologiques. Mais, le plus frappant de tous, alors que les vers s’emmêlent sur une période de plusieurs minutes, ils peuvent se démêler en quelques millisecondes, s’échappant au premier signe d’une menace d’un prédateur.

Saad Bhamla voulait comprendre précisément comment les vers noirs exécutent leurs mouvements d’emmêlement et de démêlage. Pour enquêter, Bhamla et une équipe de chercheurs de Georgia Tech se sont associés à des mathématiciens du MIT. Leurs recherches, publiées dans Science, pourraient influencer la conception de robots ressemblant à des fibres et changeant de forme qui s’auto-assemblent et se déplacent de manière rapide et réversible. L’étude souligne également comment la collaboration interdisciplinaire peut répondre à certaines des questions les plus déroutantes dans des domaines disparates.

Fascinés par la science du mouvement ultrarapide et du comportement collectif, Bhamla et Harry Tuazon étudient les vers noirs de Californie depuis des années, observant comment ils utilisent le mouvement collectif pour former des blobs puis se disperser.

Tuazon, co-premier auteur de l’étude, a recueilli des vidéos de ses expériences avec les vers, y compris des vidéos macro du mécanisme de dispersion collective des vers et des vidéos microscopiques d’un, deux, trois et plusieurs vers qui capturent leurs mouvements.

Bhamla et Tuazon ont approché les mathématiciens Jörn Dunkel du MIT et Vishal Patil de l’Université de Stanford au sujet d’une collaboration. Après avoir vu les vidéos de Tuazon, les deux théoriciens, spécialisés dans les nœuds et la topologie, étaient impatients de se joindre.

Bhamla et Tuazon ont entrepris de trouver une technique d’imagerie qui leur permettrait de regarder à l’intérieur du blob de ver afin de pouvoir collecter plus de données. Après beaucoup d’essais et d’erreurs, ils ont atterri sur une solution inattendue: l’échographie. En plaçant une goutte de vers vivants dans de la gelée non toxique et en utilisant un appareil à ultrasons commercial, ils ont finalement pu observer l’intérieur des enchevêtrements complexes de vers.

Après avoir analysé les vidéos d’échographie, Tuazon et d’autres chercheurs du laboratoire de Bhamla ont minutieusement suivi le mouvement des vers à la main, traçant plus de 46 000 points de données que Patil et Dunkel peuvent utiliser pour comprendre les mathématiques derrière les mouvements.

« Les implications de ces observations sont considérables, car les filaments actifs sont omniprésents dans les structures biologiques, des brins d’ADN aux organismes entiers », a déclaré Eva Kanso, directrice de programme à la Direction de l’ingénierie de la National Science Foundation des États-Unis, qui a soutenu la recherche.

« Ces filaments remplissent une myriade de fonctions et peuvent fournir un motif général pour l’ingénierie de structures multifonctionnelles et de matériaux qui changent de propriétés à la demande. Tout comme les taches de vers réalisent des prouesses remarquables d’enchevêtrement et de démêlage, les futurs matériaux bioinspirés pourraient défier les limites des structures conventionnelles en exploitant l’interaction entre la mécanique, la géométrie et l’activité.