Le tracé en 3D dans Mathematica aide les biologistes à caractériser un organisme composé

« Rimas Surna a mis au point un procédé permettant de convertir des vidéos de polypes individuels en une représentation numérique pouvant être étudiée en trois dimensions à l'aide de Mathematica. »

Les biologistes s'intéressent beaucoup aux éléments simples qui se combinent pour former un ensemble plus grand. Les fourmis forment une société sophistiquée. Un banc de poissons tourne brusquement à l'unisson. Les cellules du pacemaker se synchronisent sur les battements du cœur tandis que des milliards de neurones évoquent une pensée.

La colonie aquatique Hydractiniid Hydroid est composée de polypes connectés, des organismes cylindriques capables d'absorber la nourriture de l'environnement et de la digérer. Bien qu'un polype ne réagisse qu'à son environnement immédiat et ne puisse interagir avec les autres que par l'intermédiaire d'un tube de connexion permettant le partage des fluides, une colonie de centaines de polypes individuels est capable de réagir de manière intégrée à l'environnement. Les nutriments sont distribués aux polypes qui en ont le plus besoin. Les colonies se développent avec des structures radicalement différentes en fonction de la disponibilité de la nourriture (voir l'animation d'un polype en contraction).

Pour simuler plus facilement des colonies comportant un grand nombre de polypes, le professeur Leo Buss de la Yale University a voulu savoir si chaque polype pouvait être représenté comme un simple oscillateur non linéaire. Pour l'aider, Rimas Surna, spécialiste des techniques d'imagerie avancées, a mis au point un processus permettant de convertir les vidéos de polypes individuels en une représentation numérique pouvant être étudiée en trois dimensions à l'aide de Mathematica.

En utilisant le graphe ci-dessous, la forme du polype à tout moment de ses oscillations peut être vue dans les coupes transversales au sommet des crêtes, au fond des vallées, ou pendant le temps entre les deux. Alors que les oscillations sur le côté connecté au fluide commun de la colonie varient considérablement, les grands pics oscillatoires au milieu du polype restent remarquablement stables malgré les influences externes. Ce comportement suggère des analogies avec des systèmes non linéaires tels que certains types de neurones dont les multiples activations ne dépendent que des conditions initiales.

Les comparaisons entre des phénomènes par ailleurs disparates sont-elles utiles ou leurs similitudes sont-elles simplement superficielles ? À l'aide d'un logiciel de visualisation avancé tel que Mathematica, chaque nouvelle expérience a le potentiel de fournir des preuves convaincantes ou d'inspirer des connexions inattendues.