Une lentille unicellulaire : comment une algue confond lumière et ombre express
La minuscule algue verte chlamydomonas passe sa vie à ramer vers la lumière avec ses deux flagelles, comme un nageur vers le rivage. Elle perçoit la lumière grâce à une protéine photoréceptrice, et derrière celle-ci se trouve une petite tache rouge – l'« œil » – qui projette une ombre et aide à comprendre d'où vient la lumière. Mais chez les mutants dépourvus de cette tache, le comportement est inversé : ils s'éloignent de la lumière, alors que la protéine est toujours là. Pourquoi ?
Il y a dix ans, on a remarqué que le corps arrondi de l'algue agit lui-même comme une loupe. La lumière, en traversant la cellule, se concentre en un point lumineux derrière elle, comme un rayon de soleil à travers une bille de verre. Chez l'algue normale, l'œil bloque ce point, mais chez le mutant, il frappe directement le photorécepteur par derrière. On obtient donc deux signaux : une faible lumière directe venant de l'avant et une forte lumière focalisée venant de l'arrière. L'algue tourne sur son axe, et les signaux alternent.
La cellule ne réagit pas à l'intensité de la lumière, mais à la vitesse à laquelle elle change – comme une personne qui sursaute à un bruit soudain plutôt qu'à un bourdonnement constant. Le signal focalisé et brusque interrompt le signal direct et régulier, et les flagelles reçoivent l'ordre de « ramer loin de la lumière ». Ainsi, le mutant sans œil nage dans la direction opposée. Le modèle prédit aussi autre chose : dans certaines conditions, l'algue peut osciller entre deux directions, comme un pendule, sans se décider où aller. On peut le vérifier en observant des cellules individuelles au microscope.
Ainsi, une simple lentille à l'intérieur d'une cellule vivante devient un interrupteur de comportement. Une erreur dans une petite tache de pigment – et toute la navigation part en vrille, comme une boussole dont on aurait inversé le nord et le sud.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2603.10986
Phototaxis of many species of green algae relies upon directional sensitivity of their membrane-bound photoreceptors, which arises from the presence of a pigmented "eyespot" behind them that blocks light passing through the cell body from reaching the photoreceptor. A decade ago it was discovered that the spherical cell body of the alga $$Chlamydomonas~reinhardtii$$ acts as a lens to concentrate incoming light, and that in "eyeless" mutants of $$Chlamydomonas$$ the consequence of that focused light reaching the photoreceptor from behind is a reversal in the sign of phototaxis relative to the wild type behavior. We present a quantitative theory of this sign reversal by completing a recent simplified analysis of lensing [Yang, et al., Phys. Rev. E 113, 022401 (2026)] and incorporating it into an adaptive model for $$Chlamydomonas$$ phototaxis. This model shows that phototactic dynamics in the presence of lensing is subtle because of the existence of internal light caustics when the cellular index of refraction exceeds that of water. During each period of cellular rotation about its body-fixed axis, the photoreceptor receives two competing signals: a relatively long, slowly-varying signal from the direct illumination, and a stronger, shorter, rapidly-varying lensed signal. The reversal of the sign of phototaxis is then a consequence of the dominance of the flagellar photoresponse to the signal with the higher time derivative. These features lead to a quantitative understanding of phototaxis sign reversal, including bistability in the direction choice, a prediction that can be tested in single-cell tracking studies of mutant phototaxis.
La chlamydomonas est l'un des nageurs les plus rapides parmi les organismes unicellulaires : elle peut parcourir en une seconde une distance dix fois supérieure à sa propre longueur.