Physarum polycephalum

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Physarum polycephalum est une espèce de myxomycètes de la famille des Physaraceae, vivant dans des zones fraiches et humides telles que les tapis de feuilles des forêts ou le bois mort.

Caractéristiques[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

La principale phase végétative de P. polycephalum est le plasmode, ou plasmodium. Ce plasmode est constitué de réseaux de veines protoplasmiques 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 sporanges se forment dans le plasmode, la méiose se produit au sein de ces structures et les spores se forment. Les sporanges 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.

Déplacement[modifier | modifier le code]

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.

Génétique[modifier | modifier le code]

Le génome de P. polycephalum a été séquencé[1].

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[modifier | modifier le code]

Apprentissage[modifier | modifier le code]

P. polycephalum peut présenter des comportements très étonnants. En l'étudiant, une équipe de recherche du CNRS a réussi à déterminer qu'un organisme unicellulaire pouvait apprendre sans bénéficier nécessairement d'un réseau de neurones[2]. En fait, on a montré que P. polycephalum est capable non-seulement d'apprendre et de mémoriser de nouvelles informations mais aussi de les transmettre à ses congénères en fusionnant temporairement avec eux[3].

Dans l'expérience de cette équipe, 4000 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 de substances inoffensives comme le sel pour aller chercher leur nourriture de l'autre côté d'un pont qui en est recouvert, tandis que 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, et 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 les individus N qui étaient associés à un individu H sont aussi rapides qu'eux et beaucoup plus rapides que les autres individus N pour aller chercher leur nourriture. 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.

Résolution de labyrinthes[modifier | modifier le code]

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[4]. 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[5].

Anticipation[modifier | modifier le code]

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[6].

Calcul[modifier | modifier le code]

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 »[7].

Nutrition[modifier | modifier le code]

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[8].

Robotique[modifier | modifier le code]

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[9].

Références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Pauline Schaaps, Israel Barrantes, Pat Minx, Narie Sasaki, Roger W. Anderson, Marianne Bénard, Kyle K. Biggar, Nicolas E. Buchler, Ralf Bundschuh et Xiao Chen, « 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)
  2. Science : découverte d'un organisme vivant unicellulaire capable d'apprendre.
  3. Communiqué de presse du CNRS : Le « blob » capable d'apprendre... et de transmettre ses apprentissages
  4. (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)
  5. (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)
  6. (en) Tetsu Saigusa, Atsushi Tero, Toshiyuki Nakagaki et Yoshiki Kuramoto, « Amoebae anticipate periodic events », Physical Review Letters, vol. 100,‎ (lire en ligne)
  7. (en) Andrew Adamatzky, « Steering plasmodium with light: Dynamical programming of Physarum machine », arXiv,‎ (consulté le 10 août 2009)
  8. (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)
  9. (en) Will Knight, « Robot moved by a slime mould's fears », New Scientist,‎ (lire en ligne)
  • Gawlitta,W, KV Wolf, HU Hoffmann, and W. Stockem. 1980. Studies on microplasmodia of Physarum polycephalum. I. Classification and locomotive behavior. Cell Tissue Res; 209(1): 71-86.

Liens externes[modifier | modifier le code]

Références taxinomiques[modifier | modifier le code]