Atteindre vos objectifs de vie en tant qu’organisme unicellulaire –

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  • Comment se déplacer dans la direction souhaitée sans cerveau ni système nerveux? Les organismes unicellulaires réussissent apparemment cet exploit sans aucun problème: par exemple, ils peuvent nager vers la nourriture à l’aide de petites queues flagellaires.

    La manière dont ces créatures extrêmement simples parviennent à le faire n’était pas tout à fait claire jusqu’à présent. Cependant, une équipe de recherche de la TU Wien (Vienne) a maintenant pu simuler ce processus sur ordinateur: ils ont calculé l’interaction physique entre un organisme modèle très simple et son environnement. Cet environnement est un liquide de composition chimique non uniforme, il contient des sources de nourriture inégalement réparties.

    L’organisme simulé était doté de la capacité de traiter des informations sur les aliments dans son environnement d’une manière très simple. À l’aide d’un algorithme d’apprentissage automatique, le traitement de l’information de l’être virtuel a ensuite été modifié et optimisé en de nombreuses étapes évolutives. Le résultat a été un organisme informatique qui se déplace dans sa recherche de nourriture d’une manière très similaire à ses homologues biologiques.

    Chimiotaxie: aller toujours là où la chimie est la bonne

    «À première vue, il est surprenant qu’un modèle aussi simple puisse résoudre une tâche aussi difficile», déclare Andras Zöttl, qui a dirigé le projet de recherche, qui a été mené dans le groupe «Theory of Soft Matter» (dirigé par Gerhard Kahl) à l’Institut de physique théorique de la TU Wien. “Les bactéries peuvent utiliser des récepteurs pour déterminer dans quelle direction, par exemple, la concentration en oxygène ou en nutriments augmente, et cette information déclenche alors un mouvement dans la direction souhaitée. C’est ce qu’on appelle la chimiotaxie.”

    Le comportement d’autres organismes multicellulaires peut s’expliquer par l’interconnexion des cellules nerveuses. Mais un organisme unicellulaire n’a pas de cellules nerveuses – dans ce cas, seules des étapes de traitement extrêmement simples sont possibles dans la cellule. Jusqu’à présent, il n’était pas clair comment un si faible degré de complexité pouvait être suffisant pour relier de simples impressions sensorielles – par exemple à partir de capteurs chimiques – à une activité motrice ciblée.

    «Pour être en mesure d’expliquer cela, vous avez besoin d’un modèle physique réaliste pour le mouvement de ces organismes unicellulaires», déclare Andreas Zöttl. «Nous avons choisi le modèle le plus simple possible qui permet physiquement un mouvement indépendant dans un fluide en premier lieu. Notre organisme unicellulaire se compose de trois masses reliées par des muscles simplifiés. La question se pose maintenant: ces muscles peuvent-ils être coordonnés de telle manière que l’organisme tout entier se déplace dans la direction souhaitée? Et surtout: ce processus peut-il être réalisé de manière simple ou nécessite-t-il un contrôle compliqué? “

    Un petit réseau de signaux et de commandes

    «Même si l’organisme unicellulaire n’a pas de réseau de cellules nerveuses – les étapes logiques qui relient ses ‘impressions sensorielles’ à son mouvement peuvent être décrites mathématiquement de la même manière qu’un réseau neuronal», explique Benedikt Hartl, qui a utilisé son expertise en intelligence artificielle pour implémenter le modèle sur ordinateur. Dans l’organisme unicellulaire également, il existe des connexions logiques entre différents éléments de la cellule. Des signaux chimiques sont déclenchés et conduisent finalement à un certain mouvement de l’organisme.

    “Ces éléments et la manière dont ils s’influencent mutuellement ont été simulés sur ordinateur et ajustés avec un algorithme génétique: génération après génération, la stratégie de mouvement des organismes unicellulaires virtuels a été légèrement modifiée”, rapporte Maximilian Hübl, qui a fait de nombreux calculs sur ce sujet dans le cadre de sa thèse de maîtrise. Les organismes unicellulaires qui réussissaient le mieux à diriger leur mouvement vers l’endroit où se trouvaient les produits chimiques désirés étaient autorisés à «se reproduire», tandis que les variantes moins réussies «s’étaient éteintes». De cette façon, après de nombreuses générations, un réseau de contrôle a émergé – très similaire à l’évolution biologique – qui permet à un organisme unicellulaire virtuel de convertir des perceptions chimiques en mouvement ciblé d’une manière extrêmement simple et avec des circuits très basiques.

    Mouvement d’oscillation aléatoire – mais avec un objectif concret

    “Vous ne devriez pas le considérer comme un animal très développé qui perçoit consciemment quelque chose et court ensuite vers lui”, déclare Andreas Zöttl. “C’est plus comme un mouvement d’oscillation aléatoire. Mais un mouvement qui mène finalement dans la bonne direction en moyenne. Et c’est exactement ce que vous observez avec les organismes unicellulaires dans la nature.”

    Les simulations informatiques et les concepts algorithmiques récemment publiés dans la célèbre revue PNAS prouvent qu’un degré minimal de complexité du réseau de contrôle est en effet suffisant pour mettre en œuvre des schémas de mouvement d’apparence relativement complexe. Si les conditions physiques sont correctement prises en compte, une machinerie interne remarquablement simple suffit pour reproduire dans le modèle exactement les mouvements connus de la nature.

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