Emprisonnement ou évasion, le sort inéquitable des particules actives en cellule

Publié par Isabelle le 04/10/2022 à 13:00
Source: CNRS INSIS
Dans un écoulement, le transport de particules ou de micro-organismes peut être modifié s'ils sont attirés vers des zones riches en sels ou en nutriments. Des chercheurs et chercheuses du Laboratoire de mécanique des fluides et d'acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des...), du Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) de Lyon et de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Camille Jordan ont découvert un comportement contre-intuitif de ces entités. Les plus mobiles d'entre elles peuvent se retrouver paradoxalement bloquées alors que les moins actives iraient plus vite.


Suivi stroboscopique de trajectoires (chaque couleur correspond à une particule) dans quatre vortex pour des valeurs croissantes du critère de blocage. Pour les plus grandes valeurs (en bas), toutes les trajectoires sont bloquées dans leurs cellules. © Volk et al.

Dans les systèmes dits "actifs", les particules en suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de...) dans un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) sont sensibles à leur environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) et y réagissent. On retrouve des exemples comme la diffusiophorèse, quand des particules solides se déplacent sous l'effet d'hétérogénéités en sel, ou la chimiotaxie où des bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées...) se dirigent vers les régions plus riches en nutriments. Dans ces phénomènes, la vitesse (On distingue :) de dérive des particules et des micro-organismes reste généralement très inférieure à celle des écoulements dans lesquels ils sont entraînés. Cela se traduit le plus souvent par une diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...) modifiée des particules. Des chercheurs et chercheuses du Laboratoire de mécanique des fluides (La mécanique des fluides est la branche de la physique qui étudie les écoulements de fluides...) et d'acoustique (LMFA, CNRS/Centrale Lyon/INSA Lyon/Université Claude Bernard (Claude Bernard, né le 12 juillet 1813 à Saint-Julien (Rhône) et mort le...) Lyon 1), du Laboratoire de physique (LPENSL, CNRS/ENS Lyon) et de l'Institut Camille Jordan (ICJ, CNRS/École Centrale de Lyon/INSA Lyon/Université Claude Bernard/Université Jean Monnet) ont cependant montré que, en présence de cellules de recirculation, où les écoulements tournent sur eux même, les particules et les bactéries présentaient un déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) totalement contre-intuitif. Mêlant ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la...), physique et mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide...), ces résultats ont été publiés dans la revue Journal of Fluid Mechanics.

À partir de simulations numériques, l'équipe a observé deux comportements possibles, dont aucun n'est diffusif. Si l'attraction est très faible, comme c'est le cas en diffusiophorèse, les particules se déplacent vers les régions riches en sels en passant d'une cellule de recirculation à l'autre, ce qu'elles font avec une vitesse bien plus importante qu'en l'absence d'écoulement. Quand l'attraction est en revanche un peu plus forte, comme pour la chimiotaxie, les bactéries sont totalement bloquées dans leurs cellules de recirculation. Ces phénomènes sont expliqués par la répartition hétérogène du sel et des nutriments le long des lignes séparant les cellules de recirculation. Les scientifiques ont aussi montré que l'on peut définir un critère de blocage indépendant de la vitesse de l'écoulement. Selon ce critère, les bactéries seraient condamnées à consommer la quasi-totalité des nutriments de leur cellule avant de pouvoir s'en évader ! Des expériences sont en cours pour illustrer ces comportements contre-intuitifs.

Références:
Phoresis in cellular flows: from enhanced dispersion to blockage.
Romain Volk, Michaël Bourgoin, Charles-Édouard Bréhier and Florence (Florence (en italien Firenze) est une ville d'Italie, capitale de la région de Toscane et...) Raynal.
Journal of Fluid Mechanics, vol. 948, A42, 2022.
DOI: https://doi.org/10.1017/jfm.2022.730
Article disponible sur la base d'archives ouvertes Arxiv et HAL

Contacts:
- Florence Raynal - Chargée de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) au Laboratoire de mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) des fluides et d'acoustique (LMFA, CNRS/Centrale Lyon/INSA Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1). florence.raynal@ec-lyon.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INSIS - insis.communication@cnrs.fr
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