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May 25, 2023

Slime Mold étend son réseau tout comme le système ferroviaire de Tokyo

Laura Sanders, Science News Des ingénieurs talentueux et dévoués ont dépensé d'innombrables

Laura Sanders, Actualités scientifiques

Des ingénieurs talentueux et dévoués ont passé d'innombrables heures à concevoir le système ferroviaire japonais pour qu'il soit l'un des plus efficaces au monde. Aurait pu juste demander une moisissure visqueuse.

Lorsqu'elles sont présentées avec des flocons d'avoine disposés selon le modèle des villes japonaises autour de Tokyo, des moisissures visqueuses unicellulaires sans cervelle construisent des réseaux de tubes de canalisation des nutriments qui sont étonnamment similaires à la disposition du système ferroviaire japonais, rapportent des chercheurs du Japon et d'Angleterre le 22 janvier dans Science. Selon l'équipe, un nouveau modèle basé sur les règles simples du comportement de la moisissure visqueuse pourrait conduire à la conception de réseaux plus efficaces et adaptables.

Chaque jour, le réseau ferroviaire autour de Tokyo doit répondre aux exigences des transports de masse, transportant des millions de personnes entre des points éloignés rapidement et de manière fiable, note le co-auteur de l'étude Mark Fricker de l'Université d'Oxford. "En revanche, la moisissure visqueuse n'a pas de cerveau central ni même de conscience du problème global qu'elle tente de résoudre, mais parvient à produire une structure aux propriétés similaires au réseau ferroviaire réel."

La moisissure visqueuse jaune Physarum polycephalum se développe comme une seule cellule suffisamment grande pour être vue à l'œil nu. Lorsqu'elle rencontre de nombreuses sources de nourriture séparées dans l'espace, la cellule de moisissure visqueuse entoure la nourriture et crée des tunnels pour distribuer les nutriments. Dans l'expérience, des chercheurs dirigés par Toshiyuki Nakagaki, de l'Université d'Hokkaido à Sapporo, au Japon, ont placé des flocons d'avoine (une délicatesse de la moisissure visqueuse) dans un modèle qui imitait la façon dont les villes sont dispersées autour de Tokyo, puis ont libéré la moisissure visqueuse.

Initialement, la moisissure visqueuse s'est dispersée uniformément autour des flocons d'avoine, explorant son nouveau territoire. Mais en quelques heures, la moisissure visqueuse a commencé à affiner son motif, renforçant les tunnels entre les flocons d'avoine tandis que les autres maillons disparaissaient progressivement. Après environ une journée, la moisissure visqueuse avait construit un réseau de tubes interconnectés transportant des nutriments. Sa conception était presque identique à celle du système ferroviaire entourant Tokyo, avec un plus grand nombre de tunnels solides et résistants reliant les avoines situées au centre. "Il existe un degré remarquable de chevauchement entre les deux systèmes", déclare Fricker.

Les chercheurs ont ensuite emprunté des propriétés simples au comportement de la moisissure visqueuse pour créer une description mathématique inspirée de la biologie de la formation du réseau. Comme la moisissure visqueuse, le modèle crée d'abord un réseau à mailles fines qui va partout, puis affine continuellement le réseau afin que les tubes transportant le plus de marchandises deviennent plus robustes et que les tubes redondants soient élagués.

Le comportement du plasmodium "est vraiment difficile à saisir avec des mots", commente le biochimiste Wolfgang Marwan de l'Université Otto von Guericke de Magdebourg, en Allemagne. "Vous voyez qu'ils s'optimisent d'une manière ou d'une autre, mais comment décrivez-vous cela ?" La nouvelle recherche "fournit un modèle mathématique simple pour un phénomène biologique complexe", a écrit Marwan dans un article du même numéro de Science.

Fricker souligne qu'un tel système malléable peut être utile pour créer des réseaux qui doivent changer au fil du temps, tels que des systèmes sans fil à courte portée de capteurs qui fourniraient des avertissements précoces d'incendie ou d'inondation. Étant donné que ces capteurs sont détruits en cas de catastrophe, le réseau doit réacheminer efficacement les informations rapidement. Des réseaux décentralisés et adaptables seraient également importants pour les soldats sur les champs de bataille ou les essaims de robots explorant des environnements dangereux, dit Fricker.

Le nouveau modèle peut également aider les chercheurs à répondre à des questions biologiques, telles que la façon dont les vaisseaux sanguins se développent pour soutenir les tumeurs, dit Fricker. Le réseau de vaisseaux d'une tumeur commence par un enchevêtrement dense et non structuré, puis affine ses connexions pour être plus efficace.

Images : Sciences/AAAS

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