Chirality inversion and odd transport in a suspension of living rotors

Isabelle Eisenmann; Pedro Cosme; Hannah van Sterkenburg; Hugo Franca; Titouan Seguy; Maria Tatulea-Codrean; Maziyar Jalaal

Résumé IA · arXiv: 2610.41016v1 · cond-mat.soft

Chirality inversion and odd transport in a suspension of living rotors

Isabelle Eisenmann, Pedro Cosme, Hannah van Sterkenburg, Hugo Franca, Titouan Seguy, Maria Tatulea-Codrean, Maziyar Jalaal

Article original Soumis à arXiv le 29 Oct. 2026 Licence : CC BY-NC-ND 4.0 Aussi en : en

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L’essentiel

Des microalgues rotatives s’agrègent en un réseau chiral percolant, inversent le sens de rotation à l’échelle collective et présentent un transport impair dépendant de la connectivité.

Question

Comment la rotation propre de cellules vivantes transmet-elle la chiralité aux structures collectives et au transport ? Les auteurs examinent aussi comment ces propriétés évoluent lorsque les amas hydrodynamiques forment un réseau percolant.

Méthode

Les auteurs suivent des mutants uniflagellés de Chlamydomonas reinhardtii, qui tournent sur place, mesurent les écoulements par vélocimétrie de traceurs et analysent des amas puis des suspensions de plusieurs milliers de cellules selon leur fraction surfacique. Ils combinent ces observations avec un modèle hydrodynamique de rotors internes près d’une paroi et des simulations ; la percolation est observée vers φc ≃ 0,08. Les coefficients de diffusion paire et impaire sont déterminés à partir des corrélations position-vitesse.

Résultats

Résultat Les cellules tournent dans le sens horaire, tandis que l’écoulement autour d’elles et les amas orbitent en sens antihoraire.
Voir le passage dans l’article
Strikingly, microscopic and macroscopic vorticity have opposite signs: individual cells all spin clockwise, yet clusters orbit counterclockwise.
Interprétation des auteurs Le modèle relie cette inversion et l’attraction entre cellules à leur rotation interne, équilibrée par un écoulement spiralé contrarotatif.
Voir le passage dans l’article
because they exert no net torque on the fluid, their rotation is balanced by a counter-rotating spiral flow that advects neighboring cells in the opposite direction while drawing them together.
Résultat À mesure que la densité augmente, les amas s’unissent en un réseau dont plusieurs caractéristiques sont compatibles avec la classe d’universalité de la percolation bidimensionnelle, autour de φc ≃ 0,08.
Voir le passage dans l’article
Several signatures of this geometrical transition - the cluster size distribution, its fractal dimension, the divergence of the mean finite-cluster size, and the scaling of cluster perimeter with size (SI) - are compatible with the two-dimensional percolation universality class, with a critical density $\phi_{c}\simeq 0.08$ [58].
Résultat La diffusion paire augmente linéairement avec la fraction surfacique, tandis que la diffusion impaire est non monotone et atteint un maximum près du seuil de percolation.
Voir le passage dans l’article
While collisions generally hinder diffusion in passive systems, here $D_{\parallel}$ increases linearly with $\phi$.
Interprétation des auteurs Les auteurs proposent que les mouvements transversaux le long des contours des amas contribuent au maximum de diffusion impaire, puis diminuent quand le périmètre disponible se réduit au-dessus du seuil.
Voir le passage dans l’article
A possible explanation is that, below $\phi_{c}$, particles have space for transverse motion along cluster boundaries of increasing perimeter, leading to increased edge currents and odd diffusion.

Limites

Le modèle multi-particules est conçu pour identifier les mécanismes importants, et non pour reproduire quantitativement la dynamique expérimentale.
Voir le passage dans l’article
Rather than attempting a quantitative reproduction of the experimental dynamics, we use this model to identify which ingredients of the particle interactions are most important for destabilising persistent, locked configurations and promoting different collective behaviours.
Le mécanisme proposé pour expliquer la frustration de la séparation de phase n’a pas encore de description théorique dans ce régime.
Voir le passage dans l’article
We hypothesize that transverse forces continuously break clusters apart, a mechanism that appears generic to chiral active systems [45, 34, 31], but lacks a theoretical description in this regime.

Portée

Les résultats montrent que la rotation produite en interne peut conduire à une dynamique collective distincte de celle de rotors entraînés de l’extérieur, avec inversion de chiralité et percolation. Ils relient aussi le transport impair à la connectivité du réseau et ouvrent l’étude expérimentale de réponses chirales dans la matière vivante.

Rédigé par une IA à partir de l’article. Les passages cités sont vérifiés mot pour mot dans le texte analysé ; le reste peut contenir des erreurs.

Mots clés générés par l'IA : chiralité microscopique rotors biologiques amas cellulaires percolation bidimensionnelle diffusion impaire

Pour aller plus loin

Résumé Complet
Résumé vulgarisé
Article de blog
Abstract original

L’article étudie comment la chiralité microscopique de particules vivantes influence leur organisation collective et leur transport. Il pose une question centrale : une suspension de rotors biologiques dont la rotation est générée par un mécanisme interne se comporte-t-elle comme un ensemble de rotors entraînés par un dispositif extérieur ? Les auteurs examinent également comment la formation d’un réseau connecté modifie la diffusion ordinaire et la diffusion transverse, dite « impaire ». Le système expérimental est constitué d’un mutant uniflagellé de l’algue *Chlamydomonas reinhardtii*. Incapables de nager, les cellules tournent sur place à proximité d’une paroi. Les chercheurs suivent leur rotation et leurs déplacements, mesurent par vélocimétrie le mouvement de traceurs autour de cellules isolées et observent des suspensions de différentes densités. Ils complètent ces mesures par un modèle hydrodynamique de forces et de couples tenant compte de la paroi, ainsi que par des simulations de petits groupes de particules. Pour caractériser le transport, ils mesurent les déplacements quadratiques moyens et les corrélations position-vitesse, qui leur permettent d’estimer les coefficients de diffusion ordinaire et impaire. Près de la paroi, les cellules tournent presque toutes dans le sens horaire, à environ 4 Hz. Leur flagelle bat à une fréquence d’environ 50 Hz et génère un écoulement en spirale. Le fluide est attiré vers la cellule jusqu’à une distance d’environ trois fois son rayon, puis la composante azimutale de l’écoulement s’inverse. Le modèle relie cette structure au caractère interne de l’actionnement : à faible nombre de Reynolds, la cellule ne transmet aucun couple net au fluide. La rotation de son corps est donc compensée par le mouvement du flagelle. Le champ moyen décroît rapidement avec la distance, selon des termes en $r^{-4}$ et $r^{-6}$ pour ses composantes radiale et azimutale, respectivement. Ces écoulements attirent les cellules les unes vers les autres et forment des amas tournants. Un résultat marquant est l’inversion de chiralité : des cellules qui tournent dans le sens horaire s’assemblent en paires orbitant dans le sens antihoraire. Les cellules de chaque paire sont séparées d’environ quatre à six rayons cellulaires, et leur fréquence orbitale, proche de 0,01 Hz, est bien inférieure à celle de la rotation individuelle. Les groupes comptant jusqu’à quatre cellules restent généralement cohérents. Les groupes plus grands se réorganisent, un comportement que les simulations attribuent notamment au bruit et à l’hétérogénéité des tailles cellulaires. Lorsque la fraction surfacique augmente, les amas fusionnent et forment un réseau dynamique. Plusieurs mesures géométriques sont compatibles avec la percolation bidimensionnelle, dont le seuil critique est proche de 0,08. La distance entre voisins reste d’environ 20 micromètres au lieu de diminuer avec l’augmentation de la densité. La durée moyenne de survie des voisinages passe de plus de 100 secondes dans les suspensions diluées à environ 10 secondes aux densités élevées. Le mouvement est superdiffusif à court terme, le déplacement quadratique moyen étant proportionnel au temps élevé à la puissance 1,5, puis devient diffusif à long terme.

Quand des algues tournent ensemble : chiralité et transport dans une suspension vivante

Des cellules qui tournent sur place peuvent-elles s’attirer, former des groupes et modifier la façon dont elles se déplacent ? Dans leur étude, « Chirality inversion and odd transport in a suspension of living rotors », Isabelle Eisenmann, Pedro Cosme, Hannah van Sterkenburg, Hugo Franca, Titouan Seguy, Maria Tatulea-Codrean et leurs collègues explorent ces questions à l’aide d’algues microscopiques. Leur travail met en lumière un résultat surprenant : des cellules qui tournent individuellement dans le sens horaire peuvent s’assembler en paires orbitant dans le sens inverse.

Des rotors biologiques entraînés de l’intérieur

Les chercheurs étudient un mutant uniflagellé de l’algue Chlamydomonas reinhardtii. Incapables de nager, ces cellules tournent sur place près d’une paroi. Leur corps pivote à environ quatre tours par seconde, tandis que leur flagelle bat à près de 50 Hz et met le fluide en mouvement.

Cette expérience permet de poser une question physique importante : une particule vivante dont la rotation est produite par un mécanisme interne se comporte-t-elle comme un rotor mû par un moteur extérieur ? La distinction compte, car la façon dont une cellule transmet forces et couples au fluide détermine la forme de son écoulement — et les interactions qu’elle peut avoir avec ses voisines.

Un écoulement en spirale qui attire les cellules

Pour observer les courants autour d’une cellule isolée, l’équipe suit de petites particules traceuses et mesure leur mouvement. Le fluide est entraîné vers la cellule jusqu’à une distance d’environ trois fois son rayon ; au-delà, son mouvement azimutal, c’est-à-dire sa circulation autour de la cellule, change de sens.

Un modèle hydrodynamique tenant compte de la paroi explique cette structure par l’actionnement interne. À faible nombre de Reynolds, la cellule ne transmet aucun couple net au fluide : la rotation de son corps est compensée par le mouvement de son flagelle. Le champ d’écoulement décroît donc rapidement avec la distance. Dans le modèle, ses composantes radiale et azimutale comportent respectivement des termes proportionnels à r-4 et r-6.

Ces courants ne font pas que tourner autour des cellules : ils peuvent les attirer les unes vers les autres et favoriser la formation d’amas en rotation. L’hydrodynamique relie ainsi le fonctionnement microscopique d’une cellule à l’organisation collective de toute une suspension.

Une inversion de chiralité dans les paires

Le phénomène le plus frappant apparaît lorsque deux cellules se rapprochent. Bien que chacune tourne dans le sens horaire, les cellules d’une paire orbitent l’une autour de l’autre dans le sens antihoraire : la chiralité collective est inversée par rapport à la rotation individuelle.

Les cellules d’une paire restent séparées d’environ quatre à six rayons cellulaires. Leur orbite est également très lente : sa fréquence, proche de 0,01 Hz, est bien inférieure à celle de la rotation de chaque cellule. Des groupes de deux à quatre cellules peuvent rester cohérents, tandis que les groupes plus grands se réorganisent plus facilement. Les simulations suggèrent que le bruit et les différences de taille entre cellules contribuent à cette instabilité.

Des amas à un réseau dynamique

Lorsque les chercheurs augmentent la fraction surfacique — la proportion de l’espace occupée par les cellules — les amas finissent par fusionner et former un réseau dynamique. Plusieurs mesures géométriques sont compatibles avec la percolation bidimensionnelle, un processus par lequel des groupes séparés se rejoignent pour former une structure connectée. Le seuil critique observé est proche de 0,08.

La densification ne rapproche toutefois pas indéfiniment les cellules. La distance entre voisines reste autour de 20 micromètres, tandis que la durée de vie moyenne des voisinages change fortement : elle dépasse 100 secondes dans les suspensions diluées, mais tombe à environ 10 secondes aux densités élevées. Le réseau devient donc plus connecté sans que ses liens restent nécessairement stables.

De la diffusion ordinaire à la diffusion impaire

Pour caractériser le transport, l’équipe mesure les déplacements quadratiques moyens et les corrélations entre position et vitesse. Ces données permettent d’estimer la diffusion ordinaire, qui décrit l’étalement des particules, ainsi que la diffusion transverse dite « impaire ». Dans ce dernier cas, le mouvement induit peut comporter une composante perpendiculaire à la force ou à la direction attendue, en lien avec la chiralité du système.

À court terme, le déplacement quadratique moyen augmente comme le temps à la puissance 1,5 : le mouvement est superdiffusif et les cellules se déplacent plus efficacement que dans une diffusion classique. À plus long terme, le transport devient diffusif. Les mesures révèlent ainsi comment le régime de mouvement évolue avec le temps, au sein d’une suspension dont la structure passe d’amas locaux à un réseau connecté.

Pourquoi cette étude compte

Cette recherche montre que la rotation interne des cellules, leurs écoulements autour d’une paroi et leurs interactions collectives sont étroitement liés. La chiralité ne caractérise pas seulement le mouvement d’une cellule isolée : elle peut changer à l’échelle d’une paire et influencer le transport dans toute la suspension. En associant observations, mesures de flux, modèle hydrodynamique et simulations, l’étude offre un cadre pour comprendre comment des rotors vivants s’organisent — et comment cette organisation transforme leur déplacement collectif.

Créé le 02 Nov. 2026

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