Les spermatozoïdes évoluent dans l’espace à notre échelle, et bien qu’ils soient minuscules (environ 50 microns), ils restent largement trop grands pour que leur mouvement soit régi par les phénomènes la physique quantique. Ils nagent dans des milieux visqueux et se déplacent avec grande agilité lorsqu’on les observe au microscope. Leurs mécanismes de propulsion sont si particuliers qu’ils mettent à l’épreuve notre compréhension intuitive de la troisième loi de Newton, un des piliers les plus fondamentaux de la physique.
Une équipe de chercheurs japonais s’est penchée sur les processus physiques qui permettent aux spermatozoïdes et à d’autres cellules flagellées de se mouvoir dans un environnement dans lequel les effets des lois physiques conventionnelles se manifestent de manière contre-intuitive. Leurs travaux à ce propos ont été publiés il y a déjà presque deux ans dans la revue PRX Life, le 11 octobre 2023.
Quand les lois de Newton ne suffisent plus
Formulée en 1686, la troisième loi de Newton affirme que toute action provoque une réaction de force égale et opposée. On la retrouve dans d’innombrables situations du quotidien : une bille qui en heurte une autre, un avion qui propulse de l’air vers l’arrière pour avancer, un ressort comprimé qui restitue l’énergie qu’on lui a imposée.
Cette logique, valable à notre échelle, ne s’applique plus aussi bien lorsque l’on plonge dans l’univers microscopique. Dans des fluides très visqueux, comme ceux que traversent les spermatozoïdes, les mouvements deviennent asymétriques, et certaines interactions cessent de répondre aux équilibres que l’on vient d’énoncer.
Les spermatozoïdes, comme d’autres cellules microscopiques munies de flagelles, se meuvent dans des environnements très visqueux, où l’on s’attendrait à ce que tout mouvement soit rapidement freiné. Selon la physique classique, un corps qui tente de se déplacer dans un tel fluide devrait rencontrer une résistance équivalente et opposée, ce qui rendrait sa progression presque impossible.
Pourtant, ces cellules parviennent bien à avancer, sinon toute reproduction sexuée chez les mammifères, et bien d’autres formes de vie microbienne, aurait été tout bonnement impossible.
Pour comprendre cette étrangeté, une équipe menée par Kenta Ishimoto, mathématicien à l’université de Kyoto, a analysé ces mouvements en détail. Leur point de départ était que ces systèmes ne fonctionnent pas à l’équilibre. Contrairement à un objet passif soumis aux forces extérieures, un spermatozoïde produit en continu de l’énergie mécanique par les battements de son flagelle (organe qui lui permet de se déplacer).
Ce flux d’énergie interne modifie les interactions avec le fluide environnant. Ainsi, il n’y a plus d’équilibre entre action et réaction, comme l’exige la troisième loi de Newton : le mouvement s’organise de façon dissymétrique, sans retour strict. C’est en « cassant » cette symétrie que les spermatozoïdes arrivent à se propulser dans un environnement qui devrait, en théorie, les en empêcher.
Une propriété physique encore jamais observée dans le vivant
L’équipe a réussi à démontrer que le flagelle des spermatozoïdes possède une propriété physique assez insolite : une forme d’élasticité dite « odd elasticity » (littéralement, « élasticité étrange »). Cela signifie que lorsqu’il se plie, il ne réagit pas comme un le ferait un ressort ; certaines de ses déformations influencent d’autres parties du filament sans réponse symétrique. C’est pourquoi le mouvement du spermatozoïde génère une propulsion efficace même dans des fluides très visqueux, déjouant ainsi notre intuition des forces classiques.
Pour mieux comprendre cette étrange manière de se plier, les chercheurs ont introduit un nouveau concept : le « odd elastic modulus » (« module d’élasticité étrange »). Il permet de décrire, d’un point de vue mathématique, cette propagation décalée des forces internes, tout en expliquant comment le mouvement du flagelle contourne les limitations imposées par les lois de la mécanique classique.
Depuis une perspective strictement scientifique, les spermatozoïdes ne violent pas les lois de la physique au sens où on l’entend. Ils prouvent, en revanche, que notre vision des « lois naturelles » repose la plupart du temps sur des cas particulier. Ce que Newton a formalisé au XVIIᵉ siècle est un ensemble de régularités, qui restent valables dans un monde stable à notre échelle. Néanmoins, lorsqu’on passe du macroscopique au microscopique, les règles changent ; ou plutôt d’autres règles prennent le relais, qui étaient, elles aussi, présentes depuis le début. À sa décharge, c’est bien une pomme qui lui tomba sur la tête et non… un spermatozoïde.
- Les principes de la physique établis à notre échelle ne s’appliquent pas intuitivement au mouvement microscopique des spermatozoïdes.
- Dans des environnements très visqueux, ces cellules défient les attentes de l’équilibre des forces grâce à une élasticité unique et l’injection constante d’énergie.
- Leur capacité à se propulser révèle que les lois universelles se manifestent différemment selon les échelles, remettant en question certains de nos modèles.
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