Dans le règne animal, il existe de nombreux exemples remarquables d’espèces qui donnent un sens à leur monde en déchiffrant de manière experte même les signaux faibles provenant de leur environnement.
Un aigle planant au-dessus du sol aperçoit un poisson de rivière en contrebas, sur le point d’avaler un insecte ; un ours noir affamé sent un morceau de nourriture à trois kilomètres de là, dans un fourré dense ; un ornithorynque à bec de canard, nageant dans une crique d’eau douce, ferme les yeux et détecte les impulsions électriques d’un têtard savoureux à proximité.
Ensuite, il y a les vipères.
Présents dans une grande variété d’habitats, des jungles aux déserts, ces serpents utilisent de puissants capteurs infrarouges situés près de leurs narines pour chasser leurs proies dans l’obscurité en détectant le moindre changement de température. Ils y parviennent grâce à des canaux ioniques thermosensibles qui sont seulement à égalité avec l’appareil sensoriel des humains.
Comment les vipères font-elles cela ? Deux physiciens de Yale ont peut-être découvert la réponse dans un nouveau modèle mathématique, décrit dans un nouveau étude dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences.
« Pour localiser leurs proies, les vipères doivent détecter des changements de température d’un millième Kelvin avec leur organe sensoriel, ce qui nécessite que l’organe entier soit 1 000 fois plus sensible que leurs capteurs moléculaires sous-jacents », a déclaré Isabella Graf, chercheuse postdoctorale en physique à l’Université de Yale. Faculté des Arts et des Sciences (FAS).
Le Kelvin est l’unité de base internationalement acceptée pour mesurer la température.
« De plus, ces serpents vivent parfois dans des déserts où la température ambiante change radicalement entre le jour et la nuit », ajoute Graf. « Comment est-il possible que des changements de température de l’ordre de quelques millikelvins puissent être détectés de manière robuste par des capteurs beaucoup moins sensibles dans des environnements très variés ? »
Graf et Benjamin Machta, professeur adjoint de physique au FAS et membre du Yale Quantitative Biology Institute, affirment que l’explication pourrait être un mécanisme biologique qui permet aux vipères d’amplifier de petits signaux et de les transmettre à leur cerveau avec une haute fidélité.
Pour l’étude, les chercheurs ont créé un modèle mathématique qui utilise des concepts de physique statistique et de théorie de l’information pour comprendre comment le signal de température entrant provenant des canaux ioniques individuels d’une vipère affecte collectivement la réponse neuronale. Dans le modèle mathématique, il existe une « bifurcation » : un point où la réponse neuronale change qualitativement et où les capteurs de température individuels, moins sensibles, présentent un degré élevé de coopération.
« Près de ce point de bifurcation, nous montrons que le cerveau du serpent peut obtenir presque autant d’informations sur la température que s’il pouvait lire les mesures de chaque capteur individuel, puis les faire parfaitement la moyenne pour obtenir une mesure d’une précision optimale », a déclaré Machta.
C’est ainsi qu’une vipère trouve son dîner en pleine nuit.
La nouvelle étude tient également compte de la manière dont les vipères maintiennent leur sensibilité thermique malgré les changements radicaux de température entre le jour et la nuit. Les chercheurs ont déclaré que leur modèle mathématique inclut une fonction de « rétroaction » qui protège automatiquement la sensibilité globale du système lors des variations de température.
Graf et Machta ont déclaré que leur nouveau modèle pourrait avoir des applications au-delà des errances nocturnes de la vipère.
« Des principes de rétroaction et de conception similaires pourraient être trouvés dans d’autres systèmes sensoriels qui doivent également détecter de minuscules signaux dans un environnement variable », a déclaré Graf.
Plus d’information:
Isabella R. Graf et al, Une bifurcation intègre les informations provenant de nombreux canaux ioniques bruyants et permet une sensibilité thermique milli-Kelvin dans l’organe de la fosse aux serpents, Actes de l’Académie nationale des sciences (2024). DOI : 10.1073/pnas.2308215121