Phototaxie et phénomènes collectifs chez la micro-algue motile Chlamydomonas reinhardtii

Phototaxis and collective phenomena in the motile micro-alga Chlamydomonas reinhardtii

• Auteur / Autrice : Isabelle Eisenmann
• Direction : Nicolas Desprat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 01/12/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Rieu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Marbach, Pierre Cardol, Eleonora Secchi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Paul Rieu, Raymond E. Goldstein

Mots clés

Mots clés contrôlés

Instabilités hydrodynamiques

Démixtion

Phototaxie

Chlamydomonas reinhardtii

Microalgues

Mots clés libres

Micro-algues

Phototaxie

Phénomènes collectifs

Séparation de phase

Interactions hydrodynamiques

Instabilité

Photoprotection

Micro-algae

Phototaxis

Collective phenomena

Phase separation

Instability

Hydrodynamic interactions

Photoprotection

Résumé

La micro-algue modèle Chlamydomonas reinhardtii est à la fois phototactique et photosynthétique. La lumière est donc pour elle non seulement un moyen de s'orienter dans l'espace mais aussi une source d'énergie. Lorsque plusieurs millions de cellules sont exposées à de la lumière, les couplages entre direction de nage, environnement lumineux et métabolisme peuvent conduire à des comportements complexes. Au cours de cette thèse nous avons étudié plusieurs phénomènes collectifs qui apparaissent dans des suspensions de C.reinhardtii exposées à la lumière. Nous décrivons tout d'abord un nouveau type d'instabilité de densité où les cellules se cachent les unes derrière les autres en fuyant la lumière, ce qui les protège efficacement des photo-dommages. Ce mécanisme conduit à la séparation de phase de la suspension en structures branchées très denses, avec une longueur d'onde que nous expliquons par un modèle simple. Nous montrons ensuite plusieurs instabilités hydrodynamiques au sein de suspensions denses alignées polairement par la lumière. Les écoulements générés par chaque micro-nageur s'y additionnent, ce qui peut déstabiliser toute la population comme le montrent des simulations. Finalement nous utilisons ces comportements collectifs pour étudier comment la phototaxie est régulée au niveau individuel chez cet organisme modèle.

Chlamydomonas reinhardtii is a model micro-algae that is both photosynthetic and phototactic. As such, it uses light not only as an energy source but also as a cue to orient in space. In suspensions of C.reinhardtii, light thus reinforces interactions in many ways: cells generate flows, but they also alter light propagation and medium composition, which in turn modifies their motion. In this thesis, we investigated three types of instability that emerge in dense suspensions of swimming C.reinhardtii driven by light. We first describe a new density instability, where cells hide behind each other while fleeing the light, which protect them efficiently against photodamage. It results in the phase separation of the suspension into dense branches, with a wavelength that we recapitulate in a simple model. We then show several hydrodynamic instabilities in dense suspensions of cells polarly ordered by light. The flows generated by each micro-swimmer add up, which can destabilize the whole population as shown by numerical simulations. Finally, we use these collective phenomena to investigate how phototaxis is regulated at the single-cell level in this model organism.