Comment des bactéries désordonnées forment-elles une onde ?

Intervenant 10:00

Bienvenue à toutes et à tous dans le podcast du magazine Tangente. Je suis vraiment ravie de démarrer cette nouvelle exploration avec vous aujourd'hui. Alors pour commencer, imaginons un instant une fin de journée à la campagne. Le soleil décline un peu et là dans le ciel, on a cette immense nuée des tourneaux qui virevoltent.

Intervenant 20:19

Ah oui, c'est toujours un spectacle assez magique à observer ça.

Intervenant 10:22

Complètement. On a des milliers d'oiseaux qui plongent, qui tournent, qui s'étirent, vraiment en parfaite synchronisation. On dirait presque qu'ils ne forment qu'un seul gigantesque organisme liquide.

Intervenant 20:32

Ou alors on peut aussi penser à un immense banc de poissons, vous voyez, dans les profondeurs de l'océan, qui esquive la charge d'un prédateur avec une harmonie absolue.

Intervenant 10:42

C'est ça et sans qu'aucun poisson ne percute jamais son voisin. Ce sont vraiment des images qui nous fascinent profondément. Mais aujourd'hui, on va mettre de côté les oiseaux et les poissons pour zoomer, mais alors zoomer de manière extrême, vraiment à l'échelle du microscope.

Intervenant 20:59

Et c'est là qu'on tombe sur un phénomène qui est honnêtement tout aussi spectaculaire.

Intervenant 11:03

Exactement. On va parler d'une foule de plusieurs centaines de milliers de bactéries, des fameuses Echerichia coli. Et elles sont capables de se déplacer ensemble en bande organisée avec une précision qu'on pourrait vraiment qualifier de mathématique.

Intervenant 21:18

C'est le sujet du jour, ouais ! Et ce qui est absolument fascinant ici, c'est que derrière cette petite danse microscopique se cache une mécanique d'une élégance rare, où la biologie rencontre vraiment la physique et les mathématiques pures.

Intervenant 11:30

Et pour décortiquer tout ça, on va s'appuyer sur un article super intéressant qui s'intitule « Des bactéries emportées par la foule ».

Intervenant 21:37

Tout à fait, un article rédigé par le mathématicien Vincent Calvez et le biologiste Tam Mignot. En fait, c'est un travail qui est issu d'un très grand projet de recherche, le projet Mammut Cell.

Intervenant 11:48

Voilà. Et l'objectif de notre décryptage d'aujourd'hui, c'est vraiment de comprendre comment les mathématiques parviennent à modéliser ce comportement collectif avec une rigueur absolue. C'est-à-dire comment on passe du mouvement complètement chaotique, presque frénétique d'une seule cellule, à l'harmonie parfaite d'une population entière.

Intervenant 22:08

C'est un sacré programme, moi.

Intervenant 12:09

C'est clair. Mais pour vraiment saisir un peu l'ampleur du mystère, j'imagine qu'il faut remonter un peu le temps. Je veux dire, on ne s'est pas réveillé un matin dans un labo en se disant « Tiens, on va mettre une foule de bactéries en équation juste pour le plaisir, quoi ». Non,

Intervenant 22:24

c'est sûr. Il y a dû y avoir un déclencheur, ouais.

Intervenant 12:27

Voilà. Une observation fondatrice. Du coup, qu'est-ce qui s'est passé exactement pour que la communauté scientifique commence à s'intéresser d'aussi près à cette étrange danse bactérienne ?

Intervenant 22:38

Si on relie ça à l'histoire de la biologie moderne, en fait tout bascule véritablement en 1966. D'accord,

Intervenant 12:45

donc on est vraiment aux prémices de la biologie moléculaire là.

Intervenant 22:48

C'est ça. A l'époque, on commence tout juste à maîtriser l'observation assez fine des comportements cellulaires. Et là, le biochimiste américain Julius Adler publie une expérience qui va vraiment faire date dans la prestigieuse revue Science.

Intervenant 13:01

Et c'était quoi du coup cette expérience ?

Intervenant 23:04

Alors son dispositif, il est d'une simplicité un peu trompeuse. En fait, il utilise un canal microfluidique.

Intervenant 13:09

Un canal microfluidique, c'est-à-dire ?

Intervenant 23:12

Concrètement, imaginons un minuscule tube en verre, rectiligne, un capillaire, qui est rempli d'eau et d'un bouillon de nutriments. Et il y dépose à l'une des extrémités une population très dense de bactéries.

Intervenant 13:23

Ok, je vois bien l'image. Et qu'est-ce qu'il observe du coup au microscope ?

Intervenant 23:27

Et bien ce qu'ils observent au fil des heures est totalement stupéfiant.

Intervenant 13:30

Stupéfiant dans quel sens ? Je veux dire, elles ne font pas que nager au hasard dans le tube ?

Intervenant 23:35

Ah non, absolument pas. Au lieu de s'éparpiller dans le liquide dans toutes les directions, la grande majorité de la population se regroupe. Et elle progresse le long de ce canal en une bande, une bande très très resserrée.

Intervenant 13:50

Ah ouais, donc elles restent vraiment groupées.

Intervenant 23:52

C'est ça. Et surtout, Adler y mesure que cette bande avance à une vitesse qui est parfaitement constante. Vraiment d'un bout à l'autre du tube.

Intervenant 14:00

C'est fou quand on y pense. En fait, pour visualiser la chose à notre échelle, c'est exactement comme une gigantesque manifestation humaine, non ?

Intervenant 24:08

Ouais, l'analogie marche super bien.

Intervenant 14:10

Imaginons une foule immense qui remonterait à un grand boulevard bien rectiligne. Les gens marchent tous ensemble, le cortège ne s'effiloche pas du tout, il avance vraiment en bloc. Et la tête du cortège progresse à une allure hyper régulière, disons 5 km par heure sans jamais ralentir ni accélérer. C'est littéralement une onde humaine.

Intervenant 24:29

Exactement, c'est vraiment la bonne

Intervenant 14:31

image. Mais bon, dans une manifestation humaine, les gens avancent parce qu'ils ont un but précis, tu vois, ou alors parce qu'ils suivent le camion sono qui crache de la musique tout devant. Mais qu'est-ce qui joue le rôle du camion sono pour nos bactéries ? Je veux dire, qu'est-ce qui pousse cette foule microscopique à avancer avec une telle discipline au lieu de juste faire du surplace ou de se disperser mollement ?

Intervenant 24:50

C'est vraiment la question centrale qui a obsédé les chercheurs à ce moment-là. En fait, le moteur de ce mouvement, c'est un phénomène biologique hyper fondamental qu'on appelle le chimiotactisme.

Intervenant 15:03

Le chimiotactisme, ça veut dire quoi en termes un peu plus simples ?

Intervenant 25:06

Alors, en termes simples, c'est juste la capacité qu'ont ces organismes unicellulaires à capter des signaux chimiques dans leur environnement et du coup à s'orienter en fonction d'eux.

Intervenant 15:16

Ah d'accord, donc elles sentent la chimie de l'eau quoi.

Intervenant 25:19

Voilà, dans le dispositif de 66, nos bactéries, elles suivent à la trace des gradients de nutréments. Donc par exemple l'oxygène ou le sucre.

Intervenant 15:27

Bah oui, elles ont besoin d'énergie, c'est logique.

Intervenant 25:29

Exactement, elles perçoivent où se trouve la nourriture la plus abondante et elles modifient leur nage pour s'y diriger. Et ça, cette observation-là, c'est vraiment devenu le socle absolu d'un pan entier de la recherche.

Intervenant 15:43

Parce qu'après, il a fallu mettre ça en équation, j'imagine.

Intervenant 25:46

C'est exactement ça. Une fois l'observation validée en labo, le grand défi scientifique, c'est comment on met cette fameuse manifestation sur le boulevard en équation.

Intervenant 15:55

Et c'est là qu'on entre vraiment dans le vif du sujet, je crois. Parce qu'on se heurte immédiatement à un problème d'échelle qui a l'air juste colossal. Enfin, c'est le grand dilemme, quoi. Est-ce qu'on regarde au niveau micro ou au niveau macro ?

Intervenant 26:07

Ouais, c'est toute la difficulté de la modélisation.

Intervenant 16:10

Si je reprends l'image de la manif sur le boulevard, est-ce qu'on doit suivre à la trace chaque manifestant individuellement ? Genre noter le moindre petit pas de côté pour éviter un obstacle, la moindre pause pour lasser sa chaussure ? Ou bien est-ce qu'on regarde carrément l'avenue depuis un hélicoptère en décrivant la foule comme un grand fluide qui s'écoule ?

Intervenant 26:28

On a la graduation à l'échelle du micron. On va essayer de décrire mathématiquement le mouvement de chaque individu. Sauf que pour une population typique dans ce genre d'expérience, on parle d'environ 100 000 bactéries.

Intervenant 16:40

100 000.

Intervenant 26:40

Ouais, ça signifie qu'il faudra écrire une équation individuelle, une équation différentielle, pour chaque trajectoire.

Intervenant 16:46

Oh là là, mais attendez, une pause s'impose là. 100 000 trajectoires qui s'entremêlent, qui changent de direction en permanence. Mais c'est un cauchemar absolu ça ! Enfin, même nos ordinateurs les plus puissants exploseraient s'il fallait simuler chaque collision, chaque petit changement de cap en temps réel, non ?

Intervenant 27:02

C'est clair, c'est un mur infranchissable en effet. À cette échelle-là, le système est d'une complexité vertigineuse.

Intervenant 17:09

Bon, qu'on fait quoi ? On abandonne ?

Intervenant 27:12

Non, c'est pour ça qu'il est vital de prendre de l'altitude, de passer à l'échelle macroscopique.