Des observations récentes montrent que certains micro-organismes, dont les spermatozoïdes humains, se déplacent d’une manière qui contredit la troisième loi de Newton. Des chercheurs de l’Université de Kyoto ont récemment identifié une propriété, appelée élasticité impaire, permettant à ces organismes de nager sans perdre d’énergie. Ces avancées pourraient aider à la conception de futurs robots microscopiques.
La physique classique, pilier de notre compréhension du monde, repose sur des lois fondamentales qui guident le comportement de la matière à toutes les échelles, mis à part le subatomique. Cette dernière est dominée par la physique quantique. Parmi ces lois, celles formulées par Isaac Newton au XVIIe siècle ont longtemps été considérées comme inébranlables. Toutefois, des observations récentes dans le monde microscopique suggèrent des comportements qui semblent déroger à ces principes.
Des chercheurs de l’Université de Kyoto se sont penchés sur le mouvement de certains micro-organismes, dont les spermatozoïdes humains, mettant en lumière des phénomènes qui défient la troisième loi de Newton. Ces découvertes pourraient ouvrir la voie à de nouvelles applications technologiques. L’étude est disponible dans la revue PRX Life.
La troisième loi de Newton mise au défi par les spermatozoïdes ?
Pour comprendre le contexte de l’étude, rappelons que la troisième loi de Newton est l’une des pierres angulaires de la mécanique classique. Elle stipule que chaque action entraîne une réaction de force équivalente, mais de direction opposée. Pour l’illustrer simplement, si une personne exerce une pression sur un mur, ce mur exercera une pression équivalente en retour, empêchant la personne de le traverser.
Cependant, les physiciens, en explorant les comportements à l’échelle microscopique, ont observé des phénomènes qui ne semblent pas obéir à cette loi. Dans ce contexte, l’action de pousser un objet pourrait ne pas produire une réaction égale et opposée. Cela signifie que, contrairement à ce que nous avons toujours cru, il pourrait y avoir des situations où les forces ne s’équilibrent pas nécessairement. Le mouvement des cellules, en particulier à l’échelle microscopique, est un phénomène complexe qui dépend de nombreux facteurs, notamment l’interaction entre la cellule et son environnement fluide.
Des nageurs microscopiques
L’étude, menée par Ishimoto et son équipe à l’Université de Kyoto, a mis en lumière ces comportements chez deux types d’organismes : les spermatozoïdes humains et les algues Chlamydomonas. Ces deux entités, bien que très différentes, partagent une caractéristique commune : elles utilisent des flagelles pour se déplacer.
Ces structures filamenteuses se projettent à partir de certaines cellules et leur permettent de se déplacer. L’équipe de recherche a alors identifié une caractéristique unique de ces flagelles : leur « élasticité impaire ». Contrairement à une élasticité ordinaire, où un objet revient à sa forme initiale après avoir été déformé, l’élasticité impaire permet à l’objet de conserver une partie de sa déformation, ce qui est bénéfique pour le mouvement dans un fluide.
Cette propriété d’élasticité impaire est essentielle pour les cellules, car elle leur permet de se déplacer efficacement sans gaspiller d’énergie. En d’autres termes, même si le fluide environnant exerce une résistance, l’élasticité impaire des flagelles permet à la cellule de continuer à se déplacer avec un minimum de perte d’énergie.
Pour mieux comprendre et quantifier cette propriété, les chercheurs ont introduit le concept de « module élastique impair ». Ce module est une mesure de l’efficacité avec laquelle un flagelle peut se déplacer dans un fluide sans être entravé. Un module élastique impair élevé signifie que le flagelle est particulièrement efficace pour se déplacer sans être ralenti par le fluide environnant.
Clément Moreau, également de l’Université de Kyoto, suggère dans un article de New Scientist que le calcul du module élastique impair pourrait aider les scientifiques à établir des catégories de micro-nageurs. Cette classification pourrait aller au-delà de la simple observation des mouvements. Elle pourrait aider à identifier d’autres caractéristiques, des adaptations ou des évolutions spécifiques qui confèrent à ces micro-organismes un avantage dans leur environnement, en défiant la loi de Newton. Un tel outil serait inestimable pour les chercheurs, permettant des comparaisons, facilitant la recherche collaborative et ouvrant la voie à de nouvelles découvertes dans le domaine de la biophysique. Les auteurs estiment que ces avancées pourraient également influencer la conception de robots nageurs microscopiques.