Parution

Pour en savoir plus, vous pouvez aller voir :

• l'actualité publiée sur le site de CNRS Biologie,
• l'article scientifique publié dans Nature Microbiology.

• En savoir plus sur Les secrets du mouvement du parasite Toxoplasma gondii dévoilés

Pour en savoir plus, vous pouvez aller voir :

• une vidéo explicative sur la chaîne Youtube du LIPhy,
• l'actualité publiée sur le site de CNRS Physique,
• l'article scientifique publié dans Physical Review Fluids.

• En savoir plus sur Quand les globules rouges prennent les chemins de traverse

L’article complet peut être lu ici.

• En savoir plus sur Vers les limites ultimes de précision : comment l'information borne l’estimation

Les poissons forment des bancs dans des milieux très variés tels que la pleine mer au milieu des coraux ou dans des rivières rocailleuses. Certains environnements naturels sont encombrés, il est intéressant de comprendre à quel point la structure collective de banc résiste à la complexité du milieu. Des scientifiques du LIPhy ont montré l'existence d'une transition comportementale lorsque l'environnement de poissons-zèbres devient trop encombré.

L'étude des mouvements collectifs permet de mieux comprendre les structures dynamiques résultant de l'auto-organisation de groupes d'individus. L'étude des bancs de poissons s'inscrit dans cette démarche. L’organisation en banc des poissons est remarquable car elle se forme dans des milieux très variés tels que la pleine mer ou au milieu des coraux. Les travaux de recherches précédents s'étaient concentrés sur l'étude des bancs dans des milieux simples, sans obstacles. Dans ce travail, une équipe du LIPhy a utilisé une approche mêlant expérience et modélisation pour étudier l’impact d’un milieu complexe sur l’organisation collective d'un banc de poissons. Pour cela, ils ont suivi les trajectoires individuelles d'un petit groupe de poissons-zèbres en présence de densités d'obstacles variables. La structure du banc de poissons s’est révélée assez résiliente à l’introduction d’obstacles, gardant une organisation similaire à celle observée en l'absence d’obstacles. Toutefois, lorsque les obstacles atteignent une densité critique, la structure de banc disparaît et les poissons se comportent comme s'ils étaient isolés, s’alignant avec les obstacles et non plus avec leurs congénères. Cette densité correspond à une distance entre obstacle proche de la distance typique entre les poissons dans un banc non perturbé, c'est à dire leur distance sociale naturelle. Grâce à un modèle statistique, les ingrédients de cette transition comportementale, de collectif à indépendant, ont pu être analysés en détail. L’équipe du LIPhy montre ainsi qu’un environnement complexe peut avoir une influence importante sur le comportement collectif des poissons et que la distance sociale est critique pour maintenir un comportement collectif dans un environnement complexe. Ces résultats contribuent au domaine naissant de matière active et cognitive et plus largement à l’étude des comportements d’animaux ou à la robotique en essaim par biomimétisme.

• En savoir plus sur Dissolution d’un banc de poissons dans un environnement complexe

La description théorique de la rhéologie des suspensions denses de particules molles micrométriques, dans lesquelles les fluctuations thermiques sont négligeables, reste un champ très ouvert basé principalement sur des simulations numériques directes de suspensions ou sur des modèles constitutifs macroscopiques phénoménologiques. À partir d’un modèle simplifié d’une suspension dense bidimensionnelle, les chercheurs de LIPhy ont proposé une méthode de physique statistique pour obtenir un modèle constitutif macroscopique à partir de la dynamique des particules molles constituant la suspension.

Le modèle constitutif tensoriel ainsi dérivé analytiquement permet une description continue des suspensions de la même manière que les modèles phénoménologiques déjà existants, tout en gardant un lien avec l’échelle des entités constitutives. Ce modèle constitutif consiste en une équation d’évolution non linéaire pour la partie déviatoire du tenseur de contrainte. Il permet de reproduire l’existence d’une contrainte de seuil dans la rhéologie des suspensions denses au-dessus de la densité de brouillage, et de décrire une rhéologie de type Bingham à faible taux de cisaillement. La nature tensorielle de l’équation constitutive permet également de prédire une contrainte de seuil sur la différence des contraintes normales.

L’approche, qui comprend techniquement un certain nombre d’approximations, vise principalement à obtenir une description qualitative de la phénoménologie des suspensions denses de particules molles, et de relier la structure de l’équation résultante aux ingrédients de la dynamique microscopique de la suspension. Il est intéressant de noter que l’équation constitutive obtenue permet également de traiter des protocoles plus complexes et dépendant du temps, tels que le début ou l’arrêt du cisaillement. En particulier, la relaxation après cisaillement conduit à une contrainte finale plus faible pour un cisaillement plus fort, en accord qualitatif avec les expériences. Le modèle reproduit également la décroissance de la loi de puissance du taux de cisaillement dans les expériences de fluage, ainsi que l’effondrement du module de stockage mesuré dans des protocoles de superposition parallèles, dans lesquels une petite déformation sinusoïdale est appliquée à une suspension fluide dense.

L’un des principaux intérêts de cette approche est qu’elle permet de lier la rhéologie macroscopique à la microstructure. En particulier, l’approche prédit que l’orientation de l’anisotropie de la microstructure, qui est régie par une compétition entre l’advection et l’élasticité de contact, joue un rôle clé dans les propriétés d’écoulement.

En savoir plus :

 Microscopic Theory for the Rheology of Jammed Soft Suspensions
Nicolas Cuny, Romain Mari, Eric Bertin
Physical Review Letters, Novembre 2021

 Dynamics of microstructure anisotropy and rheology of soft jammed suspensions
Nicolas Cuny, Eric Bertin, Romain Mari
Soft Matter, Janvier 2022

• En savoir plus sur Relation entre la rhéologie et la dynamique de la microstructure dans les suspensions denses de particules molles

Pouvoir activer et contrôler des microchargements qui se déplaceraient au sein de la circulation sanguine est un Graal de la recherche biomédicale. Les propositions actuelles sont hélas caractérisées soit par une grande complexité technique, soit par une mobilité lente, une manœuvrabilité limitée et une mauvaise biocompatibilité. Or, dans cette gamme de taille caractéristique autour de la dizaine de microns,   un candidat intéressant existe sous la forme de microbulles recouvertes de lipides, déjà utilisées depuis des années comme agents de contraste échographiques. Soumises à un pulse d’onde ultrasonore, elles agissent comme agents échogènes et permettent une meilleure visualisation de la vascularisation, avec des résolutions s’améliorant d’année en année. Pour des pulses de plus grande intensité, elles peuvent être détruites et créer localement des contraintes ouvrant des voies entre les cellules tapissant les vaisseaux sanguins, et favorisant ainsi la pénétration de médicaments vers leur cible.

En partenariat avec l’Université de Freiberg et l’Université de Twente, des chercheuses et chercheurs du Laboratoire Interdisciplinaire de Physique de Grenoble (LIPhy, CNRS / Université Grenoble Alpes) ont étudié la possibilité d’activer ces mêmes microbulles selon d’autres modalités acoustiques et ont démontré, via des simulations numériques menée en parallèle avec une étude expérimentale, que ces microbulles peuvent atteindre un déplacement net significatif grâce à des cycles reproductibles et non destructifs de dégonflage et de regonflage. La direction de la nage peut être contrôlée indépendamment de l'axe de propagation des ultrasons, faisant de ces microbulles de bonnes candidates pour un pilotage contrôlé dans les applications d'imagerie moléculaire par ultrasons et d'administration de médicaments. La modélisation numérique a montré que des microbulles bien conçues pourraient nager à des vitesses de l’ordre du m/s (un ordre de grandeur extraordinaire vue la taille de ces bulles), permettant ainsi des déplacements efficaces au sein de la circulation sanguine. Ces résultats sont publiés dans la revue Communications Engineering.

Références

Coated microbubbles swim via shell buckling, Georges Chabouh, Marcel Mokbel, Benjamin van Elburg, Michel Versluis, Tim Segers, Sebastian Aland, Catherine Quilliet, Gwennou Coupier, Communications Engineering, publié le 7 septembre 2023. Doi : 10.1038/s44172-023-00113-z

• En savoir plus sur Des microbulles championnes de natation grâce aux ultrasons

Pour des objets aussi grands et rapides, l'inertie se combine à la brisure de symétrie (profil de l'aile ou rotation du ballon) pour donner naissance à la portance. Cependant, les forces de portance sont également en jeu à faible nombre de Reynolds, c'est-à-dire pour les petits objets ou les écoulements lents où la viscosité du fluide domine l'inertie. Ces forces découlent du rôle clé joué par les conditions limites de l'écoulement et la déformabilité des objets concernés : les gradients de vitesse, les déformations élastiques ou le transport dans les couches limites peuvent conduire à l'émergence de forces de portance. Ces forces sont cruciales dans de nombreux problèmes de matière molle et de biophysique tels que les écoulements de suspensions, le tri des particules, la lubrification des articulations ou la circulation sanguine. Dans cet article, nous passons en revue trois mécanismes importants qui donnent lieu à la portance et qui ont été initialement étudiés par des communautés de recherche distinctes : (i) les contacts élastohydrodynamiques lubrifiés qui se produisent lorsqu'un objet s'écoule à proximité d'une paroi déformable, (ii) les effets élastohydrodynamiques qui émergent lorsqu'un objet déformable est placé dans un gradient de vitesse d'écoulement, et (iii) la portance électrocinétique qui résulte du transport d'ions à la surface d'un objet chargé électriquement. Nous décrivons les principaux ingrédients à l'origine de ces forces de portance, discutons de leur importance et de leur pertinence respectives, et indiquons d'autres moyens possibles mais encore inexplorés de générer des forces de portance à zéro nombre de Reynolds.

Cette revue a été publiée dans E. P. J. E. (https://link.springer.com/article/10.1140/epje/s10189-023-00369-5)

• En savoir plus sur Revue : phénomènes de portance à bas nombre de Reynolds

En effet  sa géométrie ressemble à celle du Tokamak utilisé pour confiner magnétiquement les plasmas chauds destinés aux expériences de fusion nucléaire. 
Lorsque que ce Tokamak à bulles  est excité par des sons, les bulles oscillent fortement. Une première résonance collective des 24 bulles anneaux se produit, aux alentours de 500 Hz, deux fois plus bas que la fréquence de résonance d’une bulle seule car les bulles interagissent collectivement en phase. A plus haute fréquence, d’autres modes apparaissent où les bulles ne sont pas en phase.
Une originalité du champ acoustique au sein du Tokamak à résonance est sa grande homogénéïté, alors qu’habituellement le niveau sonore  varie fortement quand on se déplace près d’une source. Ce qui fait de ce Tokamak un objet acoustique unique.  

Références :

Acoustic Tokamak with strongly coupled toroidal bubbles, A. Caumont, O. Stephan, E. Bossy, B. Dollet, C. Quilliet, and P. Marmottant, Physical Review E 108,  045105

• En savoir plus sur Un « Tokamak » acoustique

Huit laboratoires du groupe de recherche Mécabio Santé ont partagé leurs savoir-faire et méthodes pour étudier l’influence de la conservation et de la préparation des échantillons sanguins sur le comportement mécanique des globules rouges. Publiés dans la revue Biophysical Journal, ces travaux ont abouti à de nouvelles recommandations pour standardiser les pratiques et faciliter la comparabilité des mesures entre laboratoires.

Facile à prélever et stocker, le sang fait l’objet de nombreuses études in vitro. Étant constitué d’une grande quantité de cellules déformables, majoritairement les globules rouges, il se distingue par un comportement mécanique complexe, qui impacte ses différentes fonctions telles que l’apport des nutriments et du dioxygène aux organes, l’élimination des déchets, la régulation de la température corporelle et la surveillance immunitaire active. En France, plusieurs équipes de recherche se sont focalisées sur le comportement du sang dans la microcirculation, où les globules rouges transitent en se déformant dans des vaisseaux à peine plus larges qu’eux.

Mais avant d’être utilisés dans des expériences in vitro, les globules rouges sont conservés et manipulés dans des conditions qui peuvent impacter leur propriété mécanique. Il n’existe cependant pas de protocole universel et chaque équipe de recherche suit ses propres méthodes empiriques. Sept laboratoires du Groupement de recherche Mécanique des matériaux et fluides biologiques (GDR MÉCABIO1) ont donc réuni leurs chercheurs et chercheuses autour d’une table afin de partager, comparer et tester leurs protocoles.

Les scientifiques ont ainsi pu émettre de nouvelles recommandations pour minimiser l’impact des conditions de conservation et de préparation du sang sur le mouvement individuel, ou collectif, des globules rouges dans une large gamme de conditions d’écoulement. Leur réponse doit en effet être la plus proche possible de celle attendue en situation physiologique. Ce premier pas vers une standardisation des pratiques devrait faciliter la comparaison des propriétés mécaniques des globules rouges entre les différentes équipes de recherches. Cela bénéficiera notamment aux études sur les maladies où les propriétés mécaniques du sang sont en jeu, comme la drépanocytose. Ces résultats ont été publiés dans la revue Biophysical Journal.

Références :

Influence of storage and buffer composition on the mechanical behavior of flowing red blood cells.
Adlan Merlo, Sylvain Losserand, François Yaya, Philippe Connes, Magalie Faivre, Sylvie Lorthois, Christophe Minetti, Elie Nader, Thomas Podgorski, Celine Renoux, Gwennou Coupier, and Emilie Franceschini.
Biophysical Journal, Volume 122, Issue 2, 17 January 2023.
https://doi.org/10.1016/j.bpj.2022.12.005

• En savoir plus sur Vers un protocole de préparation unifié pour étudier la mécanique des globules rouges

Lorsqu'ils sont contraints de s'échapper par une ouverture étroite, la plupart des animaux terrestres se comportent comme des matériaux granulaires et les phénomènes de blocage diminuent l'efficacité de l'évacuation. Ici, nous explorons le comportement d'évacuation d'agents aquatiques macroscopiques, les poissons néons, et nous remettons en question leur comportement grégaire en forçant le banc à passer par un passage étroit. En utilisant une méthode d'analyse statistique développée pour la matière granulaire et appliquée à l'évacuation des foules, nos résultats montrent clairement que, contrairement aux foules de personnes ou aux troupeaux de moutons, aucun bouchon ne se produit au niveau du goulot d'étranglement. Les poissons ne se heurtent pas et attendent un temps d'attente minimum entre deux sorties successives, tout en respectant une distance sociale. Lorsque la taille de l'ouverture devient similaire ou inférieure à leur distance sociale, les domaines individuels définis par cette distance cognitive se déforment et la densité de poissons augmente. Nous montrons que le courant des poissons qui s'échappent se comporte comme un ensemble de bulles 2D déformables, passant à travers un rétrécissement. Les bancs de poissons montrent qu'en respectant les règles sociales, une foule d'individus peut s' évacuer sans blocage, même en situation d’urgence.

Alors que les humains ou les moutons provoquent des bouchons lors de l’évacuation par une ouverture étroite, les poissons grégaires évacuent sans blocage en cherchant à maintenir tant que possible une distance sociale entre individus. Tel est le résultat expérimental que viennent d’obtenir des scientifiques grenoblois du Laboratoire interdisciplinaire de physique (Liphy – UGA/CNRS) et du Laboratoire de psychologie et neurocognition (LPNC – UGA/CNRS). Cette découverte a été publiée dans la revue Scientific Reports de Nature le 20 juillet.
Dans la nature, les mouvements collectifs sont observés quelle que soit l’échelle spatiale : des bactéries aux mammifères en passant par les oiseaux et les poissons. Lorsqu’elles sont obligées à passer en groupe par une ouverture étroite, la plupart des espèces terrestres se comportent comme des grains solides et des blocages intermittents diminuent l’efficacité de l’évacuation. La question de l’universalité de ce phénomène était posée mais aucune étude n’avait abordé la question pour des systèmes collectifs vivant en trois dimensions, dans l’air ou dans l’eau. L'étude expérimentale de scientifiques du Liphy a révélé que des poissons grégaires, les néons, font preuve d'une remarquable capacité à maintenir une distance cognitive individuelle lorsqu'ils sont confrontés à la nécessité d'adopter un comportement individuel lors d’un franchissement un à un d’une constriction. Ce travail interdisciplinaire est publié dans la revue Scientific Reports.

Des poissons bien dans leur « bulle sociale »

L'expérience menée au Liphy par une physicienne, des physiciens et un éthologue a consisté à observer des poissons néons lors de leur passage par une ouverture étroite qui ne permettait qu'à un ou deux poissons de passer à la fois. Les scientifiques ont utilisé un modèle statistique pour analyser le comportement des poissons et ont constaté qu'au lieu de se bousculer ou de créer des embouteillages, chaque poisson essayait activement de maintenir une distance cognitive avec ses congénères. Ce comportement s'apparente au concept de "bulle sociale", la taille de la bulle représentant la distance cognitive entre les poissons. De fait, les scientifiques du Liphy ont exploré cette analogie et montré que la dynamique d’évacuation du groupe de poissons est identique à celle d’une assemblée de bulles d’air passant par une petite ouverture (travaux expérimentaux d’autres laboratoires). La bulle sociale, et virtuelle, de chaque poisson doit se déformer comme une bulle bien réelle pour passer par un orifice de taille réduite. Ces travaux mettent en évidence les mécanismes complexes par lesquels les poissons néon adaptent leurs interactions sociales pour naviguer dans des espaces contraints physiquement. Ces résultats permettent de mieux comprendre le comportement des bancs de poissons soumis à une contrainte, mais encore leur capacité à maintenir une distance cognitive et à ajuster dynamiquement leur bulle sociale pourrait servir d'inspiration pour la conception d'essaims de robots naviguant dans des environnements complexes. Alors que nous continuons à explorer la dynamique complexe du comportement animal, la nature reste une source d'inspiration importante pour concevoir des solutions innovantes aux défis du monde réel.

Référence

Fish evacuate smoothly respecting a social bubble. Renaud Larrieu, Philippe Moreau, Christian Graff, Philippe Peyla and Aurélie Dupont. Scientific Reports (2023)

• En savoir plus sur Les poissons évacuent en respectant une bulle sociale