Physarum polycephalum

Physarum polycephalum est une espèce de myxomycètes de la famille des Physaraceae, vivant dans des zones fraîches et humides telles que les tapis de feuilles des forêts ou le bois mort. Cet amibozoaire a été classé depuis 2015 dans les mycétozoaires[1].

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Physarum polycephalum
Plasmode de Physarum polycephalum (en jaune) formé sur une écorce d'arbre.
Classification selon MycoBank
Règne Protozoa
Domaine Myxomycota
Classe Myxomycetes
Ordre Physarales
Famille Physaraceae
Genre Physarum

Nom binominal

Physarum polycephalum
Schwein., 1822

Ce myxomycète est surnommé « le blob », y compris par les membres de la communauté scientifique[2]. Organisme unicellulaire, il est doté de certaines capacités d'apprentissage[3].

Dénominations

Son nom binominal Physarum polycephalum lui a été donné en 1822 par le mycologue américain Lewis David von Schweinitz[4]. Ce mélange de grec et de latin signifie littéralement « petite vessie[n. 1] à plusieurs têtes ». Ce nom scientifique possède de nombreux synonymes, dont Didymium ou Lignydium à la place de Physarum[5].

Son surnom de « blob » vient de son manque de forme particulière et en référence aux autres utilisations du mot blob, notamment du film de science-fiction The Blob d'Irvin S. Yeaworth Jr. sorti en 1958 et qui a pour personnage central un extraterrestre géant et gluant qui grossit en avalant les habitants (la cellule de P. polycephalum doublant de taille tous les jours)[6].

Caractéristiques

Plasmode de Physarum polycephalum.

Visible à l’œil nu, P. polycephalum est généralement de couleur jaune, se nourrissant de spores de champignons, de bactéries et autres microbes. P. polycephalum est l'un des microbes eucaryotes les plus faciles à cultiver in vitro (du papier absorbant humide et des flocons d’avoine suffisent), et a été utilisé comme organisme modèle pour de nombreuses études sur les mouvements amiboïdes et la motilité cellulaire.

Cycle de vie

La principale phase végétative de P. polycephalum est le plasmode, ou plasmodium. Ce plasmode est constitué de réseaux de veines protoplasmiques qui assurent la distribution des nutriments, et de nombreux noyaux. C'est au cours de cette étape que l'organisme cherche de la nourriture. Le plasmodium entoure sa nourriture et sécrète des enzymes pour la digérer.

Si les conditions environnementales entraînent la dessiccation du plasmode lors de l'alimentation ou de migration, il se formera alors un sclérote. Le sclérote est multinucléé et constitué de tissus très renforcés servant de stade de dormance, assurant ainsi la protection de P. polycephalum pendant de longues périodes. Une fois les conditions favorables revenues, le plasmode réapparaît pour poursuivre sa quête de nourriture.

Quand les réserves alimentaires sont épuisées, le plasmode entre en phase de reproduction. Des sporocystes se forment dans le plasmode, la méiose se produit au sein de ces structures et les spores se forment. Les sporocystes se forment habituellement à l'air libre pour que les spores soient dispersées par le vent. Les spores peuvent rester viables pendant des années. Toutefois, lorsque les conditions environnementales sont favorables à la croissance, les spores germent et libèrent des cellules soit flagellées, soit amiboïdes (stade mobiles). Les cellules fusionnent ensuite pour former un nouveau plasmode.

Génétique

Le génome de P. polycephalum a été partiellement séquencé[7].

P. polycephalum est souvent utilisé pour les études sur l'editing ; c'est à ce jour le seul organisme connu pour éditer l'ARN à la fois par insertion et substitution de nucléotides.

Comportement

Déplacement

Le déplacement de P. polycephalum est lié à un courant cytoplasmique appelé « shuttle streaming » en anglais, évoquant le va-et-vient d'une navette (shuttle). Ce shuttle streaming est caractérisé par un changement de direction d’avant en arrière du flux de cytoplasme, avec un intervalle de temps d'environ deux minutes. À l’intérieur des plasmodes, la force motrice est générée par la contraction suivie de la relaxation de couches membraneuses probablement constituées d'actine (de type filament d'actine associé à la contraction). La couche de filaments crée un gradient de pression grâce auquel le cytoplasme s’écoule à l’intérieur du plasmode.

Le blob secrète un mucus qui le protège contre la dessication mais a aussi un rôle répulsif qui lui évite d'explorer deux fois la même piste. Cette mémoire spatiale externalisée lui permet de se déplacer à 1 cm/h[8].

Apprentissage

P. polycephalum peut présenter des comportements très étonnants que la recherche scientifique n'a pas encore totalement expliqués. Une équipe de recherche du CNRS a montré que P. polycephalum pouvait non seulement apprendre mais également transmettre les nouvelles informations mémorisées à des congénères en fusionnant temporairement avec eux[9],[10],[11].

Dans l'expérience de cette équipe, 4 000 individus sont séparés en deux groupes de taille identique, le groupe H (« habitué ») et le groupe N (« naïf »). Les individus du groupe H sont entraînés à réprimer leur répulsion naturelle pour des substances inoffensives comme le sel pour aller chercher leur nourriture de l'autre côté d'un pont qui en est recouvert ; ceux du groupe N doivent seulement traverser un pont dépourvu de ces substances. Ensuite, on met des individus de chaque groupe dans la même situation, consistant à devoir traverser un pont recouvert de sel pour aller chercher leur nourriture : on constate que les individus du groupe H sont bien plus rapides à la tâche.

Dans un deuxième temps, on crée des couples HH, HN et NN, et on les met à nouveau ensemble dans cette situation. On constate alors que, pour aller chercher leur nourriture, les individus N qui étaient associés à des individus H sont aussi rapides qu'eux ; ils sont beaucoup plus rapides que les autres individus N. Enfin, on recommence en séparant les couples soit une heure soit trois heures après les avoir laissés fusionner, puis seulement après on soumet les individus à nouveau à l'épreuve du pont de sel. Dans ce cas, on constate que, parmi les N qui ont fusionné avec un H, seuls ceux qui ont fusionné pendant trois heures sont aussi rapides que des H.

Les chercheurs ayant remarqué que c'est aussi le temps requis pour qu'une sorte de veine se forme entre les deux individus fusionnés, ils ont émis l'hypothèse encore non vérifiée (décembre 2016) d'après laquelle elle serait le moyen par lequel les informations sont transmises d'un P. polycephalum à l'autre. On ignore pour l'instant sous quelle forme cette information est transmise et traitée[9],[10].

Cette notion d'apprentissage doit être considérée avec précaution, elle incite à un biais interprétatif qui prépare à supposer une possibilité de forme d'intelligence via la mémorisation d'informations. Le communiqué de presse initial ne cite qu'une capacité "d'habituation" face aux contraintes de l'expérience. Plusieurs solutions de réactions biologiques peuvent avoir lieu dans le groupe H et y être enregistrées sans faire appel à une quelconque forme d'intelligence, entre autres des modifications épigénétiques peuvent être possibles, voir plus, compte tenu de la plasticité génétique de P. polycephalum [7].

Résolution de labyrinthes

Une équipe de chercheurs japonais et hongrois considère que P. polycephalum est capable de se déplacer dans un labyrinthe d’agar en identifiant le plus court chemin possible quand deux morceaux de nourriture sont placés à chaque entrée[12]. En réalité, P. polycephalum parcourt tout le labyrinthe et persiste uniquement sur le chemin le plus court.

Une étude a démontré que P. polycephalum pouvait résoudre des problèmes complexes mettant en jeu plus de sources de nourriture. Pour ce faire, les chercheurs ont déposé l’organisme sur une surface où étaient dispersés des points de nourriture représentant les différentes villes de la région de Tokyo. P. polycephalum a ainsi créé un réseau optimisé entre les sources de nourriture, en reliant de la manière la plus efficace les différentes stations. Il a été démontré que le réseau était similaire et au moins aussi efficace que le réseau ferroviaire de Tokyo[13].

Anticipation

En générant de façon répétée des stimuli de chaud et de froid à P. polycephalum et ce avec 60 minutes d’intervalle, des biophysiciens de l’Université d’Hokkaido ont découvert que le plasmode peut anticiper ces stimuli en y réagissant même quand ceux-ci étaient absents. Ils ont également montré que ces résultats pouvaient être obtenus en appliquant les stimuli avec un intervalle de 30 ou 90 minutes[14].

Calcul

Andrew Adamatzky de l’Université de Bristol a montré comment il était possible d’orienter ou de cliver un plasmode en utilisant la lumière ou des sources de nourriture. Dans la mesure où des plasmodes réagissent toujours de la même manière aux mêmes stimuli, Adamatzky suggère que P. polycephalum constituerait « un modèle idéal pour de futurs outils de bio-informatique »[15].

Nutrition

Une équipe de l’Université Paul-Sabatier de Toulouse a montré que P. polycephalum était capable de choisir le régime le plus adapté à son métabolisme lorsqu’il était mis en présence de nombreuses sources de carbone et d’azote différentes[16].

Robotique

Les particularités comportementales de P. polycephalum ont été mises à profit lors de la fabrication d’un robot hexapode qui fuit la lumière pour se cacher dans des zones d’ombre. Des chercheurs de l’Université de Southampton ont fait pousser l’organisme sur une surface en étoile à six branches au-dessus d’un circuit et l’ont connecté au robot via un ordinateur. Lorsque P. polycephalum est exposé à la lumière et qu’il tente de se rétracter, son mouvement est enregistré par le circuit et transmis aux pattes du robot, qui s’éloigne de la source lumineuse, reproduisant ainsi de façon mécanique les réponses biologiques du microorganisme[17].

Notes et références

Notes

  1. Physarum, du grec φῡσάριον, diminutif de φῦσα (A Greek–English Lexicon, entrées φῡσ-ασμός et φῦσα).

Références

  1. Nathaniel Herzberg, « Le blob, cet étrange génie visqueux, ni plante, ni animal, ni champignon », Le Monde,‎ (présentation en ligne).
  2. Site du CNRS, communiqué N°4837.
  3. http://www.lexpress.fr/actualite/sciences/le-blob-organisme-unicellulaire-capable-d-apprendre-en-fusionnant_1861862.html.
  4. (la + de) Lewis David von Schweinitz, « Synopsis fungorum Carolinae superioris », Schriften der naturforschenden Gesellschaft zu Leipzig, Barth,‎ (lire en ligne).
  5. (en) « Catalogue of Life : Physarum polycephalum var. obrusseum (Berk. & M.A.Curtis) Lister, 1911 », sur www.catalogueoflife.org (consulté le 28 juin 2017).
  6. Gérald Camier, « Audrey Dussutour étudie le «blob», une étrange cellule sans cerveau », sur ladepeche.fr, .
  7. (en) Pauline Schaaps, Israel Barrantes, Pat Minx, Narie Sasaki, Roger W. Anderson, Marianne Bénard, Kyle K. Biggar, Nicolas E. Buchler, Ralf Bundschuh, Xiao Chen et al., « The Physarum polycephalum genome reveals extensive use of prokaryotic two-component and metazoan-type tyrosine kinase signaling », Genome Biology and Evolution, vol. 8, no 1,‎ , p. 109-125 (DOI https://doi.org/10.1093/gbe/evv237, lire en ligne).
  8. Audrey Dussutour, Tout ce que vous avez voulu savoir sur le blob sans jamais le demander, Éditions Équateur Sciences, , p. 87.
  9. Communiqué de presse du CNRS : Le « blob » capable d'apprendre... et de transmettre ses apprentissages.
  10. (en) David Vogel et Audrey Dussutour, « Direct transfer of learned behaviour via cell fusion in non-neural organisms », Procedings of The Royal Society B, vol. 283, no 1845,‎ (PMID 28003457, DOI 10.1098/rspb.2016.2382) .
  11. Science : découverte d'un organisme vivant unicellulaire capable d'apprendre.
  12. (en) Toshiyuki Nakagaki, Hiroyasu Yamada and Ágota Tóth, « Intelligence: Maze-solving by an amoeboid organism », Nature, vol. 407, no 6803,‎ , p. 470 (PMID 11028990, DOI 10.1038/35035159).
  13. (en) Atsushi Tero, Seiji Takagi, Tetsu Saigusa, Kentaro Ito, Dan P. Bebber, Mark D. Fricker, Kenji Yumiki, Ryo Kobayashi et Toshiyuki Nakagaki, « Rules for biologically inspired adaptive network design », Science, vol. 327, no 5964,‎ , p. 439-442 (lire en ligne).
  14. (en) Tetsu Saigusa, Atsushi Tero, Toshiyuki Nakagaki et Yoshiki Kuramoto, « Amoebae anticipate periodic events », Physical Review Letters, vol. 100,‎ (lire en ligne).
  15. (en) Andrew Adamatzky, « Steering plasmodium with light: Dynamical programming of Physarum machine », arXiv, (consulté le 10 août 2009).
  16. (en) A. Dussutour, T. Latty, M. Beekman et S.J. Simpson, « Amoeboid organism solves complex nutritional challenges. », Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 107, no 10,‎ , p. 4607 (PMID 20142479).
  17. (en) Will Knight, « Robot moved by a slime mould's fears », New Scientist,‎ (lire en ligne).

Voir aussi

Bibliographie

  • Audrey Dussutour, Tout ce que vous avez toujours voulu savoir sur le blob sans jamais oser le demander, Éditions Équateurs Sciences, , 179 p. (ISBN 9782849904985).

Articles

  • (en) W. Gawlitta, K. V. Wolf, H. U. Hoffmann et W. Stockem, « Studies on microplasmodia of Physarum polycephalum. I. Classification and locomotive behavior », Cell Tissue Res ; 209(1) : p. 71-86, 1980.
  • Audrey Dussutour et David Vogel, « Le blob, cellule géante... et intelligente ! », Pour la science, no 483,‎ , p. 52-57

Documentaire

  • Les Mystères des animaux champignons (documentaire scientifique 2002), Volker Arzt & Karlheinz Baumann, coproduction : WDR/ARTE - intermedia-globe GOLD, World MediaFestival (mai 2003)

Liens externes

Références taxinomiques

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