flagelles

Une couche de cellules ressemble à une foule de personnes alignées les unes derrière les autres. Si des obstacles se trouvent dans la foule, par exemple deux poteaux, les gens doivent les contourner et des tourbillons apparaissent dans le flux.

La tisserande est assise à son métier, et ses mains suivent un rythme impossible à prédire à l'avance. Les fils se rapprochent puis s'écartent, formant un motif qui semble aléatoire mais obéit à des règles strictes.

Un nageur dans une piscine remplie de ballons légers prend appui sur eux et nage plus vite que dans l'eau claire. C'est à peu près ce que fait le trypanosome, un parasite unicellulaire responsable de la maladie du sommeil, lorsqu'il se retrouve dans le sang, où les globules rouges occupent près de la moitié du volume.

Une coupe d'eucalyptus d'un dixième de millimètre d'épaisseur est placée sous un microscope polarisant, et le bois s'épanouit soudain : des bandes bleues, jaunes, roses s'enroulent en spirales, formant des anneaux et des tourbillons.

Une goutte d'huile dans l'eau, c'est comme une balle dans une foule. Tant que la foule est clairsemée, les balles se déplacent librement. Mais si les gens sont nombreux, chacun est coincé par ses voisins, et toute la masse se comporte comme un seul corps. C'est à peu près ainsi que fonctionne une émulsion : un mélange où des gouttes d'huile flottent dans l'eau ou l'inverse.

La vie commence par une bulle. Dans une flaque tiède de la Terre primitive, des molécules de graisse ont pu s'assembler en minuscules sphères — les précurseurs des cellules. À l'intérieur d'une telle sphère se trouvait par hasard un polymère qui accélérait la capture de nouvelles graisses depuis l'eau environnante.

Une goutte d'eau salée sèche sur une table. Le sel ne se dépose pas n'importe où : d'abord, des cristaux apparaissent sur le bord, formant un anneau, comme le marc de café au fond d'une tasse. Ce comportement est familier à quiconque a vu la trace d'une goutte séchée. Mais que se passe-t-il si la goutte contient des bactéries capables de nager ?

L'épithélium tapisse nos organes comme un carrelage recouvre le sol. Au repos, les cellules se tiennent les unes aux autres et le tissu est élastique. Mais pendant le développement de l'embryon, la cicatrisation d'une plaie ou la croissance d'une tumeur, cette couche se met à couler comme du miel épais. Qu'est-ce qui déclenche exactement ce ramollissement ?

La chaîne protéique se replie en un outil fonctionnel en une fraction de seconde — et ne se trompe presque jamais. On a longtemps pensé que l'évolution polissait spécialement les séquences d'acides aminés pour que la protéine non seulement fonctionne, mais trouve aussi facilement sa forme unique. Ces nouveaux travaux renversent cette conception.

Sur une pente raide en montagne, une pierre qui tombe déclenche parfois une avalanche, parfois elle se bloque. Tout dépend de l’état de la pente.

L'Univers primordial ressemblait à un océan refroidissant à toute allure. À des températures colossales, tout était unifié – les quarks, les électrons, les interactions se fondaient en une « vapeur » symétrique.

En 1915, Albert Einstein et Wander Johannes de Haas ont montré que lorsqu'on aimante une barre de fer, celle-ci tourne légèrement — le moment angulaire des électrons est transmis au réseau cristallin.

Autour de la cellule, c'est incroyablement serré : les molécules se bousculent, créant une pression constante. C'est cette cohue, et pas seulement l'affinité chimique, qui déclenche la capture des particules — c'est ce qu'affirme un nouveau modèle.

Dans un monde où les nombres de Reynolds sont infimes, l'eau se transforme en sirop visqueux et les méthodes de nage habituelles cessent de fonctionner. Ici règne le redoutable théorème du peigne : les mouvements symétriques ne produisent aucune progression. Les micro-organismes ont trouvé la parade : ils font pousser des queues polymères.

Dans le monde des matériaux bidimensionnels naissent parfois des états aussi étranges que fragiles. L'un d'eux, le cristal de Hall anormal fractionnaire (FAHC), est tel un centaure quantique : à moitié réseau ordonné, à moitié liquide topologique.

Imaginez deux liquides non miscibles, par exemple de l'huile et de l'eau. Dans des conditions normales, ils tendent à se séparer, formant une interface nette. Mais introduisez dans le système des nageurs microscopiques — des bactéries, dont la base est le carbone — et le tableau change radicalement.

Des millions de cils — de fins filaments — s'activent dans les minuscules conduits de notre corps. Ils battent de manière coordonnée, comme les rames d'une galère, et propulsent le mucus visqueux ou le fluide. Les auteurs de cette nouvelle étude proposent de considérer le tapis ciliaire comme un milieu poreux actif — une sorte d'éponge qui se comprime et se détend toute seule, faisant circuler l'eau.

La première image qui vient à l'esprit quand on pense à la naissance de l'univers, c'est une explosion. Mais la cosmologie moderne peint un tableau plus raffiné : une naissance à travers le goulot d'un verre à vin.

Si l'on disperse des graines au hasard, les pousses s'entremêlent dans le chaos. Mais si on les dispose en rangées bien nettes, le champ pousse de manière ordonnée. Un principe similaire s'applique aux bactéries.

Une cellule qui s'apprête à se diviser commence par marquer sa taille. Sous sa membrane, dans un fin gel de filaments protéiques, un mouvement s'engage. Les filaments coulent comme une rivière lente et, au milieu de la cellule, une ceinture se forme. Cette ceinture se resserre de plus en plus jusqu'à ce que la cellule se divise en deux.

Des levures sont emprisonnées dans un gel transparent, comme des raisins dans une gelée. Elles ne bougent pas d'elles-mêmes, mais bientôt elles commencent à monter. Le secret ? Leur propre « eau gazeuse ». Lors de la fermentation, les levures émettent du dioxyde de carbone. Dans un milieu dense, le gaz ne s'échappe pas, il s'accumule jusqu'à former des bulles.

Escherichia coli est un nageur minuscule dans un monde où l'eau est épaisse comme de la gelée. Dans notre intestin, elle ne glisse pas librement, mais se fraye un chemin à travers le mucus — un réseau emmêlé de longues molécules, semblable à un écheveau de fils emmêlés.

Lorsque de nombreuses bactéries se rassemblent dans une goutte d'eau (elles sont principalement constituées de carbone), une ronde synchronisée commence : des millions de petites créatures glissent le long d'immenses ellipses, comme des danseurs sur une piste. Ainsi, sans chef d'orchestre, un motif complexe naît de mouvements simples.

Pour ne pas perdre de vue un footballeur rapide, un drone n'a pas besoin d'une balise lumineuse : il suffit de reconnaître sa silhouette. De la même manière, un réseau de neurones suit désormais les microbes : l'algorithme analyse une image ordinaire de microscope et trouve instantanément la bactérie dans une goutte d'eau.

À l'intérieur d'une cellule vivante, des gouttelettes flottent sans se mélanger au liquide environnant, comme l'huile dans l'eau. Ces gouttelettes ne sont pas de simples amas passifs : elles exercent activement une pression sur les membranes et les forcent à se courber.

Dans un mince film d'eau pris en sandwich entre deux lames de verre vivent des bactéries. L'oxygène n'atteint qu'à travers une seule paroi, comme l'air dans une pièce par une unique fenêtre. Quand les bactéries sont peu nombreuses, elles n'y prêtent pas attention : une partie adhère à une paroi, une autre à l'autre, et le tableau est symétrique.

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.

Les cils sont de minuscules poils à la surface des cellules. Ils battent comme des rames et déplacent le liquide. Dans les poumons, ils expulsent la poussière et les microbes vers l'extérieur. Mais leur longueur varie : chez l'humain, ils mesurent des millièmes de millimètre ; chez les cténophores, plusieurs millimètres.

Une goutte d'eau avec de minuscules particules sèche sur une table. L'eau s'évapore, les particules restent et s'organisent en un motif — comme le sable après la marée basse. Mais si les particules sont molles, le motif est tout à fait différent.

La couche de cellules qui tapisse les organes internes ressemble à une file d'attente dans un métro bondé : tout le monde est serré, mais parfois la foule commence à s'écouler et les gens se faufilent les uns devant les autres. Les biologistes appellent cela une transition d'un état solide et figé à un état fluide.

À l'intérieur de chaque cellule, il existe un échafaudage de filaments – comme des échafaudages de construction qui lui donnent sa forme et lui permettent de se déplacer.

Dans un tube vertical étroit, l'alcool s'écoule vers le haut, entouré d'eau, et des bulles de dioxyde de carbone naissent à l'intérieur. Dès qu'elles apparaissent, elles se précipitent vers l'axe du flux, comme si une main invisible les rassemblait en une file régulière.

La tumeur ne reste pas en place. Des cellules individuelles ou des groupes entiers s'en détachent et partent en voyage à travers le corps. Certaines rampent en solitaires, comme des éclaireurs, d'autres restent ensemble, comme une petite bande. Des scientifiques ont construit un modèle informatique pour comprendre comment ces cellules choisissent leur direction.

Lorsque l'embryon grandit, ses cellules ne se contentent pas de se diviser : elles touchent constamment leurs voisines, comme des passagers dans un bus bondé. De la force de ces contacts dépend la direction dans laquelle une cellule se déplace et la forme que prendra le tissu.

Un nageur dans une piscine remplie de sirop ne se déplace pas comme dans l'eau claire : chaque coup de bras est plus difficile, mais on peut aussi pousser plus fort. C'est à peu près ce que font les unicellulaires – de minuscules nageurs qui se propulsent dans un liquide grâce à leurs flagelles.

La bactérie nage comme un petit hors-bord muni d'une hélice. Seulement, son hélice est un long flagelle qui tourne et propulse le corps vers l'avant. Mais le corps n'avance pas droit : il se balance comme un bouchon à la surface de l'eau. Ce balancement n'est pas un hasard, c'est une partie intégrante de la mécanique du mouvement.

Dans la vase au fond des étangs vivent des bactéries qui portent en elles de minuscules aiguilles magnétiques. Ces aiguilles sont des chaînes de cristaux de magnétite, et elles aident les bactéries à nager le long du champ magnétique terrestre, comme l'aiguille d'une boussole, à la recherche de meilleures conditions.

Une goutte d'huile dans l'eau se comporte comme une petite bille : elle cherche à occuper la position de moindre énergie. S'il y a une paroi à proximité, la goutte s'y colle souvent — tout comme une goutte de pluie s'étale sur une vitre.

À l'intérieur d'un œuf fécondé de grenouille, des vagues se propagent — comme des ronds dans l'eau, mais faites de protéines qui commandent la division cellulaire. Ces vagues parcourent des millimètres, alors que l'œuf lui-même fait moins d'un millimètre. On ne comprenait pas pourquoi elles ne se dérèglent pas. Il s'avère que les vagues se frayent elles-mêmes le chemin.

Une bactérie dans une goutte d'eau ne se contente pas de nager : elle explore l'espace autour d'elle, décide où tourner et trouve la sortie d'un labyrinthe complexe. Les nageurs microscopiques artificiels, eux, n'en étaient pas capables jusqu'ici : il fallait les guider à la main, en leur envoyant des signaux de l'extérieur.