De minuscules tardigrades marchent comme des insectes 500 000 fois leur taille

Il y a rarement le temps d’écrire sur toutes les histoires scientifiques intéressantes qui se présentent à nous. Donc, cette année, nous diffusons à nouveau une série spéciale de publications sur les Douze jours de Noël, mettant en lumière une histoire scientifique qui est tombée entre les mailles du filet en 2020, chaque jour du 25 décembre au 5 janvier. Aujourd’hui : l’incroyable physique de l’humble tardigrade .

N’y a-t-il rien que le petit tardigrade ne puisse faire ? Plus communément appelés ours d’eau (ou « porcelets de mousse »), ces incroyables micro-animaux peuvent survivre dans les conditions les plus difficiles : pression extrême, température extrême, radiation, déshydratation, famine, voire exposition dans l’espace. Cette robustesse en fait une étude de cas préférée pour les scientifiques.

Plus tôt cette année, des chercheurs de l’Université Rockefeller ont examiné la démarche distinctive de l’ours d’eau et ont conclu que le mouvement de la créature ressemblait à celui d’insectes 500 000 fois leur taille, selon un article publié en août dans les Actes de la National Academy of Sciences.

Une prépublication plus récente publiée ce mois-ci sur la physique arXiv affirme – de manière controversée, il faut le dire – que les tardigrades congelés peuvent atteindre un état « d’intrication quantique temporaire » lorsqu’ils sont incorporés dans un qubit supraconducteur (l’unité d’information de base de l’informatique quantique), puis être relancé à nouveau. Si les résultats se confirment après examen par les pairs, ce serait la première fois qu’un animal vivant atteindrait un état d’intrication quantique.

« Marcheurs lents »

Le surnom d' »ours d’eau » nous vient du zoologiste allemand Johann August Ephraim Goeze, qui a observé les créatures pour la première fois en 1773 et les a nommées. kleiner Wasserbär (« petit ours d’eau »). Un biologiste italien nommé Lazzaro Spallanzani a surnommé les créatures tardigrades en 1777, du latin tardigradum (« marcheur lent »).

Les deux surnoms ont été inspirés par la démarche lente et lourde de la créature, ainsi que par leurs étranges corps en forme de tonneau avec quatre paires de pattes trapues. La plupart des micro-animaux de la taille des tardigrades (qui ne mesurent qu’environ 0,02 pouce de long) n’ont même pas de pattes, d’où l’intérêt de l’équipe Rockefeller d’étudier plus avant leurs mouvements.

« Les tardigrades ont un moyen robuste et clair de se déplacer – ce ne sont pas ces choses maladroites qui trébuchent dans le désert ou dans les feuilles mortes », a déclaré Jasmine Nirody, du Rockefeller’s Center for Studies in Physics and Biology, co-auteur du PNAS. papier. « Les similitudes entre leur stratégie de locomotive et celle d’insectes et d’arthropodes beaucoup plus gros ouvrent plusieurs questions évolutives très intéressantes. »

Ergo, « Les tardigrades sont un hublot important dans la locomotion à corps mou et à micro-échelle », a-t-elle déclaré, avec le potentiel d’offrir un aperçu de la façon de construire des robots à micro-échelle souples plus efficaces. « Nous ne savons pas grand-chose sur ce qui se passe aux extrêmes de la locomotion – comment faire un petit marcheur efficace, ou comment les choses au corps mou doivent bouger. »

Au départ, Nirody et al. placé les oursons d’eau sur des lames de verre, mais les lames étaient si glissantes que les tardigrades ne pouvaient pas se propulser le long de la surface de manière très efficace. Ils devaient être capables de creuser dans une surface et de pousser avec leurs griffes. Les chercheurs ont donc remplacé les lames de verre par des gels. Ensuite, ils ont installé des microscopes et des caméras dans le laboratoire pour collecter des heures et des heures d’images des mouvements des créatures, que l’équipe a toutes examinées.

« Si vous regardez les tardigrades au microscope optique assez longtemps, vous pouvez capturer un large éventail de comportements », a déclaré Nirody. « Nous ne les avons pas forcés à faire quoi que ce soit. Parfois, ils étaient vraiment froids et voulaient juste se promener dans le substrat. D’autres fois, ils voyaient quelque chose qu’ils aimaient et couraient vers lui.

Lorsqu’ils ne faisaient que se promener, les ours d’eau se déplaçaient généralement à une vitesse d’environ la moitié de la longueur de leur corps par seconde, augmentant jusqu’à deux longueurs de corps par seconde lorsqu’ils couraient à plein régime. L’équipe a été surprise de constater que les ours d’eau n’avaient pas d’allures distinctes pour chaque vitesse, comme les chevaux lorsqu’ils passent du pas au galop. Au contraire, leur locomotion ressemblait beaucoup à celle des insectes et des arthropodes, se précipitant de plus en plus vite sans changer le modèle de pas de base.

Plus précisément, à mesure que les tardigrades accéléraient, ils passeraient de cinq pattes au sol, puis de quatre pattes au sol, puis de trois pattes au sol, tout comme les insectes et les arthropodes, malgré un écart évolutif de 20 millions d’années entre eux. . « Ce que cela signifie, c’est que malgré des structures corporelles, des tailles corporelles et des environnements complètement différents dans lesquels ils se déplacent, il y a quelque chose dans ce schéma de coordination particulier qui est efficace dans toutes ces conditions », a déclaré Nirody à Live Science.

Il existe deux hypothèses principales pour expliquer pourquoi cela pourrait être le cas. Peut-être que les ours d’eau, les insectes et les arthropodes partagent des ancêtres communs qui avaient un circuit neuronal commun. Alternativement, les organismes peuvent avoir développé cette démarche précipitée indépendamment par la sélection naturelle.

« S’il existe un système neuronal ancestral qui contrôle toute la marche des panarthropodes, nous avons beaucoup à apprendre », a déclaré Nirody. « D’un autre côté, si les arthropodes et les tardigrades ont convergé vers cette stratégie de manière indépendante, alors il y a beaucoup à dire sur ce qui rend cette stratégie si acceptable pour les espèces dans différents environnements. »

Le tardigrade de Schroedinger ?

La biomécanique est intrigante, mais les tardigrades peuvent également être capables d’exploits quantiques uniques lorsqu’ils sont dans leur état d’hibernation (tun), selon le physicien quantique Vlatko Vedral de l’Université d’Oxford, l’un des co-auteurs de la récente préimpression arXiv. L’intrication est l’un des aspects les plus étranges de la mécanique quantique, selon laquelle deux particules subatomiques peuvent être si étroitement liées que l’une peut sembler influencer l’autre même sur de longues distances. C’était tellement contre-intuitif qu’Albert Einstein l’a surnommé « action effrayante à distance ».

L’intrication quantique est néanmoins un phénomène bien réel ; sans elle, les ordinateurs quantiques seraient impossibles. En fait, comme nous l’avons signalé en 2019, les physiciens ont réussi à enchevêtrer un record de 20 qubits pour obtenir une version du chat de Schroedinger en laboratoire.

Bien que cela soit généralement observé au niveau subatomique, une étude de 2018 a révélé que certaines bactéries photosynthétiques pouvaient s’emmêler avec des photons lumineux dans les bonnes circonstances. (Par Live Science, ces conditions surviennent « lorsque la fréquence de résonance de la lumière dans une pièce en miroir se synchronise finalement avec la fréquence des électrons dans les molécules photosynthétiques de la bactérie. »)

Mais l’intrication n’a jamais été réalisée avec un organisme multicellulaire. Verdal et al. collecté trois tardigrades d’une gouttière de toit au Danemark, puis les a congelés jusqu’à ce qu’ils entrent dans leur état de tun, diminuant d’environ un tiers de leur taille normale dans le processus. Ensuite, l’équipe a refroidi encore plus les tardigrades, juste au-dessus du zéro absolu.

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Ensuite, ils ont placé chaque tardigrade entre deux plaques de condensateur d’un circuit supraconducteur (formant un qubit). La fréquence de résonance du qubit s’est décalée de temps en temps lorsqu’il est entré en contact avec un tardigrade congelé, formant un hybride qubit-tardigrade. Enfin, Verdal et ses collègues ont couplé cet hybride à un deuxième qubit et les ont intriqués. Plusieurs tests sur les qubits intriqués ont montré un changement de fréquence se produisant simultanément entre les deux qubits et le tardigrade, un peu comme trois qubits intriqués. L’équipe a même pu faire revivre les tardigrades une fois les expériences terminées.

« Bien que l’on puisse s’attendre à des résultats physiques similaires d’objets inanimés avec une composition similaire au tardigrade, nous soulignons que l’enchevêtrement est observé avec [an] organisme entier qui conserve sa fonctionnalité biologique après l’expérience », Vedral et al. conclu. « Dans le même temps, le tardigrade a survécu aux conditions les plus extrêmes et les plus prolongées auxquelles il ait jamais été exposé. »

Cependant, nous ne verrons probablement pas de si tôt des ordinateurs quantiques fonctionner sur des tardigrades enchevêtrés. Verdal et alLa conclusion de . s’est heurtée au scepticisme immédiat d’autres physiciens. Par exemple, l’ancien physicien devenu écrivain scientifique Ben Bruabker a posté un long fil Twitter remettant en question les résultats, tandis que le physicien de l’Université Rice, Douglas Natelson, a pesé sur son blog, Nanoscale Views :

Ce n’est pas un enchevêtrement dans un sens significatif. Si c’était le cas, on pourrait dire par le même raisonnement que les qubits sont intriqués avec le substrat de puce de silicium macroscopique. Le tardigrade n’agit pas comme un seul objet quantique avec un petit nombre de degrés de liberté. La dynamique des degrés de liberté internes du tardigrade n’agit pas pour décohérer efficacement le qubit (ce qui se produit lorsqu’un qubit est intriqué avec de nombreux degrés de liberté dynamiques qui sont ensuite tracés).

Verdal a défendu la revendication controversée de son équipe dans un récent podcast FQXI.

DOI : PNAS, 2021. 10.1073/pnas.2107289118 (À propos des DOI).