Spermatozoïdes défiant la physique

Selon une étude récente, les spermatozoïdes humains utilisent leurs queues fines pour se déplacer dans des fluides épais, semblant défier la troisième loi du mouvement de Newton. Cette recherche examine également les schémas de mouvement de ces cellules sexuelles en comparaison avec des algues unicellulaires.

Exploration des interactions non réciproques chez les nageurs microscopiques

Kenta Ishimoto, un scientifique mathématique de l’Université de Kyoto, et son équipe ont exploré les interactions uniques et non réciproques des spermatozoïdes et autres nageurs microscopiques pour comprendre comment ils se déplacent à travers des substances qui, théoriquement, devraient résister à leur mouvement.

Lorsque Newton a formulé ses célèbres lois du mouvement en 1686, il visait à clarifier la relation entre les objets physiques et les forces à l’aide de principes simples, qui ne s’appliquent pas nécessairement aux cellules microscopiques se déplaçant dans des fluides épais. La troisième loi de Newton, souvent formulée par “à chaque action, il y a une réaction égale et opposée”, suggère une symétrie naturelle où les forces opposées se compensent. Une illustration simple en est la collision de deux billes de taille égale qui rebondissent lorsqu’elles roulent sur le sol, en accord avec cette loi.

La nature est complexe, et tous les systèmes physiques ne respectent pas strictement ces symétries. Des interactions non réciproques émergent dans des systèmes imprévisibles comme les vols d’oiseaux, les particules dans un fluide et les spermatozoïdes nageant.

Mouvement asymétrique et la faille dans la troisième loi de Newton

Ces agents mobiles se déplacent de manière à créer des interactions asymétriques avec les animaux autour d’eux ou les fluides environnants, formant une sorte de faille dans la troisième loi de Newton. Étant donné que les oiseaux et les cellules génèrent leur propre énergie, chaque battement d’aile ou mouvement de queue ajoutant de l’énergie au système, cela pousse le système loin de l’équilibre, rendant les règles physiques standard inapplicables.

De plus, dans leur étude d’octobre 2023, Ishimoto et son équipe ont analysé les données expérimentales sur les spermatozoïdes humains et modélisé le mouvement des algues vertes, Chlamydomonas. Les deux se déplacent à l’aide de flagelles fins et flexibles qui s’étendent du corps cellulaire et changent de forme pour les propulser en avant.

Comment les flagelles élastiques propulsent les cellules dans des fluides visqueux

Cependant, les fluides hautement visqueux absorbent une grande partie de l’énergie d’un flagelle, ce qui rend difficile pour les spermatozoïdes ou les algues unicellulaires de se déplacer efficacement. Pourtant, les flagelles élastiques propulsent ces cellules sans perte d’énergie significative vers le fluide environnant.

Les chercheurs ont découvert que les queues de spermatozoïdes et les flagelles d’algues possédaient une « élasticité étrange », ce qui permet à ces structures flexibles de se déplacer avec une dissipation d’énergie minimale. Cependant, cette élasticité étrange ne suffisait pas à expliquer entièrement comment le mouvement ondulant des flagelles génère la propulsion. Grâce à leur modélisation, les chercheurs ont identifié un nouveau concept : un « module élastique étrange », pour décrire plus précisément la mécanique interne des flagelles.

« En étudiant des modèles résolubles et des formes d’ondes flagellaires biologiques pour Chlamydomonas et les cellules de spermatozoïdes, nous avons exploré le module de flexion étrange pour comprendre les interactions non locales et non réciproques au sein du matériau », ont conclu les chercheurs.

Pour conclure, l’équipe a noté que ces découvertes pourraient aider à concevoir de petits robots auto-assemblants imitant des matériaux vivants. De plus, les méthodes de modélisation pourraient offrir de nouvelles perspectives sur les principes fondamentaux du comportement collectif.

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Lire l’article original sur :  Science Alert

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