Accueil > Français > Actualité

Le travail d’équipe des bactéries réduit la viscosité


La physique des « fluides actifs » est un des sujets qui a récemment émergé aux interfaces entre la mécanique des fluides, la physique statistique et la biologie. Il couvre un champ d’applications extrêmement large allant des propriétés collectives des vols d’oiseaux, des bancs de poissons mais aussi, à beaucoup plus petite échelle, il s’intéresse aux propriétés constitutives très singulières des fluides chargés en bactéries. Ces micro-organismes qui se propulsent de manière autonome dans un environnement visqueux, transmettent au fluide de la quantité de mouvement à une échelle microscopique. Récemment, un travail collaboratif entre des équipes de l’Université Paris Sud (LPS – UMR 8502, FAST – UMR 7608) et de l’ESPCI (PMMH – UMR 7636)) a mis en évidence une propriété particulièrement surprenante de ces fluides bactériens. En cisaillant une suspension d’Escherichia coli ces chercheurs ont montré que la viscosité de la solution décroit avec la concentration en bactéries, contrairement à ce qui est communément admis depuis Einstein pour des suspensions de grains solides. En outre, pour des solutions très concentrées en bactéries, la viscosité macroscopique c’est-à-dire la résistance au cisaillement, peut s’annuler à l’instar d’un superfluide ! Ce résultat signifie que la puissance motrice des bactéries orientées dans l’écoulement compense intégralement la dissipation visqueuse. Hormis l’intérêt fondamental de ce résultat qui confirme certaines conjectures théoriques sur la matière active, cette capacité à réduire la dissipation visqueuse peut avoir des incidences importantes sur la compréhension des mécanismes fondamentaux régissant le transport des bactéries dans les milieux confinés comme les réseaux biologiques ou les sols (contamination ou transfert biologique).

Au début du siècle dernier, Albert Einstein a montré que la résistance à l’écoulement d’un fluide augmente lorsqu’on y suspend des particules sphériques. Mais qu’est-ce qui se passe dans le cas de particules auto-propulsées ? Une façon d’aborder cette question est de mesurer la viscosité de suspensions actives (liquides constitués de particules autopropulsées). Les bactéries telles que Bacillus subtilis et Escherichia coli (E. coli) ont des corps cellulaires en forme de bâtonnet et sont équipées de flagelles hélicoïdaux qui tournent grâce à des moteurs rotatifs intégrés dans leur membrane. Ces organismes unicellulaires peuvent alors nager en exerçant une force sur le liquide environnant. La théorie hydrodynamique des fluides actifs prévoit que la présence de ces organismes motiles dans un fluide pourrait changer sensiblement sa viscosité. Les modèles suggèrent que les nageurs-pousseurs — organismes qui expulsent le liquide, loin de leur queue — ferait baisser la viscosité en s’alignant de telle sorte que leur poussée contribue au gradient de vitesse (Fig. A). Cependant, la confirmation expérimentale d’une telle prédiction nécessite la capacité de mesurer la viscosité du fluide à des taux de cisaillement très faibles.

Pour cela, nous avons utilisé un simple rhéomètre de Couette : la suspension est placée dans un anneau créé par deux cylindres concentriques. Pour cisailler le fluide, le cylindre externe est mis en rotation à une vitesse de consigne. Le liquide entraîne alors le cylindre interne, exerçant un couple sur celui-ci. À partir de la mesure de ce couple, on peut en déduire la contrainte de cisaillement et donc la viscosité du fluide, définie comme le rapport de la contrainte et du taux de cisaillement appliqué. Nous avons modifié le rhéomètre en contrôlant la rotation du cylindre intérieur à l’aide d’une boucle de rétroaction automatisée afin de mesurer des contraintes de cisaillement ultra faibles et de façon très sensible. Nous avons utilisé ce dispositif pour mesurer la viscosité d’une suspension de bactéries motiles mais qui ne se divisent pas. Nous avons étudié la réponse visqueuse d’échantillons à différentes concentrations de bactéries et pour différents taux de cisaillement.

Les résultats de ces mesures ont été surprenants : lorsque le nombre de bactéries augmente dans la solution, sa viscosité diminue. Pour une concentration d’E. coli motiles suffisante, la viscosité va même s’annuler, ne mesurant plus aucun couple sur la sonde. Dans des conditions environnementales particulières, la motilité des cellules a pu être augmentée et dans ces conditions nous avons pu mesurer des viscosités négatives (Fig. B).

Cela signifie que les bactéries peuvent complètement compenser les forces visqueuses du fluide qui se transforme en un liquide sans frottement, semblable à un superfluide. Cela peut s’expliquer par le fait que les bactéries de forme allongée s’alignent le long de l’axe de l’écoulement externe et génèrent des flux supplémentaires qui étirent encore le fluide dans la même direction. À des concentrations suffisamment élevées, il est probable que les bactéries agissent collectivement pour étirer le liquide, le fluidifier. Cependant, à ce stade, une compréhension microscopique de la façon dont les bactéries coordonnent leur réponse au cisaillement pour atteindre un écoulement sans friction reste à explorer.

Bien qu’on ne soit pas encore en mesure d’exploiter la puissance bactérienne pour la production d’énergie à l’échelle macroscopique, on peut raisonnablement imaginer que les bactéries puissent être utilisées pour fluidifier les écoulements dans des environnements complexes comme les sols ou les réseaux biologiques.

Référence :

Turning Bacteria Suspensions into Superfluids
H. Matías López et al.
Phys. Rev. Lett. 115, 028301 (2015).
Voir aussi la Synopsis.

Contact :


Carine Douarche