Les spermatozoïdes humains peuvent nager dans des fluides épais avec une facilité surprenante, enfreignant apparemment une loi fondamentale de la physique : la troisième loi du mouvement de Newton. Cette découverte met en évidence comment les systèmes biologiques microscopiques fonctionnent en dehors des règles rigides régissant les objets quotidiens plus grands.
Le défi de la physique newtonienne
Les lois du mouvement de Sir Isaac Newton, formulées en 1686, supposent une symétrie dans la nature : pour chaque action, il existe une réaction égale et opposée. Ce principe explique pourquoi les billes qui entrent en collision rebondissent de manière prévisible. Cependant, cette symétrie ne s’applique pas aux systèmes chaotiques comme les troupeaux d’oiseaux, les particules dans les fluides ou, comme le montrent des recherches récentes, les spermatozoïdes nageant.
Ces agents mobiles génèrent leur propre énergie, créant des interactions asymétriques avec leur environnement. Cela leur permet de contourner les contraintes de la troisième loi de Newton. La clé est que ces systèmes ne sont pas en équilibre ; l’apport d’énergie continu modifie les règles.
Comment fonctionnent les spermatozoïdes
Des chercheurs dirigés par Kenta Ishimoto de l’Université de Kyoto ont étudié le mouvement des spermatozoïdes et des algues. Les deux utilisent des flagelles flexibles pour se propulser vers l’avant. En théorie, les fluides visqueux devraient dissiper l’énergie des flagelles, empêchant ainsi tout mouvement. Pourtant, les spermatozoïdes et les algues prospèrent dans ces environnements.
L’équipe a découvert que les queues de spermatozoïdes et les flagelles d’algues possèdent une « élasticité étrange ». Cette propriété leur permet de se déplacer sans perte d’énergie significative dans le fluide environnant. Une modélisation plus poussée a révélé un nouveau concept : un « module élastique étrange », décrivant la mécanique interne des flagelles.
« Des modèles simples solubles aux formes d’onde flagellaires biologiques pour Chlamydomonas et les spermatozoïdes, nous avons étudié le module de flexion impair pour déchiffrer les interactions internes non locales et non réciproques au sein du matériau », ont conclu les chercheurs.
Implications et applications futures
Cette recherche publiée dans PRX Life en octobre 2023 a des implications plus larges. Comprendre comment les spermatozoïdes défient la physique newtonienne pourrait inspirer la conception de petits robots auto-assemblés qui imitent les matériaux vivants. Les techniques de modélisation utilisées dans cette étude pourraient également améliorer notre compréhension du comportement collectif dans des systèmes complexes.
Cette étude souligne à quel point la nature n’adhère pas toujours aux lois physiques classiques au niveau microscopique. Les résultats pourraient inciter à réévaluer la façon dont nous modélisons et comprenons le mouvement biologique, ouvrant ainsi la porte à une ingénierie bio-inspirée et à une compréhension plus approfondie des processus fondamentaux de la vie.
