Comment la flexion des cils détecte des particules en suspension

Publié par Isabelle le 19/10/2021 à 13:00
Source: CNRS INP
Dans le vivant, les cils sont des capteurs extrêmement sensibles pour la perception. En mimant la mécanique des cils en laboratoire, les physiciens analysent pour la première fois leur remarquable capacité à détecter des particules en suspension dans le milieu liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) environnant.

Chez la plupart des animaux et des micro-organismes, les sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) de l'ouïe (L’ouïe ou l’audition est la capacité de percevoir des sons. Elle est...), de l'odorat et du toucher (Le toucher, aussi appelé tact ou taction, est l'un des cinq sens de l'homme ou de l'animal,...) impliquent des protubérances cellulaires allongées appelées cils. Sous l'effet de l'écoulement d'un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...), ces cils fléchissent et déclenchent la réponse de récepteurs spécifiques enfouis proche de leur base. Le cil (Les cils sont des poils, qui poussent sur le bord libre des paupières des êtres humains...) joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) ainsi le rôle d'un capteur (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...) mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) et est la première étape dans l'information perceptive.

Par exemple, en laboratoire, l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) de flexion d'un cil sous l'écoulement d'un liquide homogène fournit une mesure directe de la viscosité de ce liquide. Dans des environnements naturels cependant, le liquide dans lequel baigne les cils n'est généralement pas homogène, à cause de la présence de particules ou d'autres micro-organismes. Afin de comprendre la sensibilité des cils à cet environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) complexe, les chercheurs et chercheuses ont mimé leur comportement mécanique en étudiant un cil artificiel, une fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se...) élastique fixée à une extrémité, soumis à l'écoulement de suspensions granulaires (figure).


A gauche, schéma de principe de la mesure le cil est mimé par une fibre cylindrique de hauteur 435 µm et de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) 100 µm. Celle-ci est fixée à une extrémité et recouverte de particules fluorescentes (en vert) à son extrémité libre. Sous l'effet du flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) hydrodynamique représenté par les flèches bleues et des chocs avec les particules en suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de...) (en orange), le cil fléchit avec une amplitude d.
A droite, image par microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...) d'épifluorescence de l'extrémité libre de la fibre (vue de dessus). Le cercle (Un cercle est une courbe plane fermée constituée des points situés à égale...) en pointillé vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde...) représente la section de la fibre et la flexion d est mesurée par le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) de ce cercle sous l'effet du flux hydrodynamique. 

En combinant des expériences d'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui...) de fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que...) et des modélisations théoriques, ils montrent que, si la flexion moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) de la fibre résulte de l'écoulement continu du liquide, ses fluctuations résultent principalement des contacts entre la fibre et les particules en suspension, et sont directement reliées à leur concentration. Les résultats suggèrent de plus que les cils biologiques pourraient détecter des particules aussi petites que leur diamètre. Ces études ont été conduites par le Laboratoire Jean Perrin (Jean Baptiste Perrin (30 septembre 1870 à Lille, France - 17 avril 1942...) (LJP, CNRS/Sorbonne Univ.) en collaboration avec les centres de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) de Nestlé à Lisieux et à Lausanne, et sont publiées dans la revue PNAS. Elles fournissent le cadre mécanique et statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....) pour décrire la sensibilité des cils biologiques aux particules présentes dans leur environnement.

Référence:
A bending fluctuation-based mechanism for particle detection by ciliated structures.
J.-B. Thomazo, B. Le Révérend, L.-L. Pontani, A. M. Prevost et E. Wandersman, PNAS, paru le 3 août 2021.
DOI: 10.1073/pnas.2020402118
Texte disponible sur les bases d'archives ouvertes HAL.

Contacts:
- Alexis M. Prevost - Directeur de recherche CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...), Laboratoire Jean Perrin - alexis.prevost at sorbonne-universite.fr
- Elie Wandersman - Enseignat-chercheur, Laboratoire Jean Perrin - elie.wandersman at sorbonne-universite.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INP - inp.com at cnrs.fr
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