Photographie de recherche documentant les cils en tapis et en flammes chez une larve géante explorée dans l’article de physique de la nature « La physique des flux guide la morphologie des organes ciliés » du USC Kanso Bioinspired Motion Lab. Crédit : Janna Nawroth
L’histoire des sciences est une succession de changements de paradigme : les théories conventionnelles sont démystifiées et remplacées par de nouvelles découvertes. Le Kanso Bioinspired Motion Lab de l’USC Viterbi School of Engineering a pris l’habitude de procéder à de tels changements de paradigme et publie ses résultats dans des revues de premier plan.
Le document le plus récent du laboratoire, publié dans Physique de la nature, s’intitule « La physique des flux guide la morphologie des organes ciliés » et présente une nouvelle compréhension du lien entre deux mécanismes distincts de pompage des fluides dans les organismes vivants : le modèle de la « flamme » et le modèle du « tapis » des canaux ciliés.
Chez l’homme, les tissus ciliés pompent les fluides dans les voies respiratoires, les ventricules cérébraux, le canal rachidien et le système reproducteur. Ces cils sont caractérisés par leur structure en « tapis » : imaginez une couche dense de fibres courtes perpendiculaires à la surface épithéliale. De nombreux animaux présentent également des conduits avec une disposition des cils très différente : la structure en flamme ciliaire, où des cils relativement longs et serrés battent longitudinalement le long d’une lumière étroite.
Les flammes ciliaires ne se retrouvent pas chez les grands organismes multicellulaires comme les êtres humains, ce qui laisse penser que ces deux morphologies, tapis et flammes, sont différenciées par des processus évolutifs. Cependant, la professeure Eva Kanso et son équipe de chercheurs, notamment les co-auteurs Feng Ling, doctorante à l’USC, et Janna Nawroth, chercheuse scientifique, ont découvert que la distinction dépend en fait de besoins distincts de pompage des fluides.
En d’autres termes, la forme suit la fonction. L’équipe suggère que la convergence des structures des organes ciliés obéit à des contraintes mécanistes plutôt qu’à une trajectoire phylogénétique (développement évolutif et relationnel).
Comparaison des conduits ciliés avec les dessins de flammes ciliaires et de tapis ciliaires chez B. mcnutti. Crédit : Physique de la nature (2024). DOI : 10.1038/s41567-024-02591-0
L’article présente une série de règles de conception universelles pour les pompes ciliaires : un modèle fluide unifié qui propose une continuité imprévue entre les deux modèles généralement opposés. Deux paramètres structurels, le diamètre de la lumière et le rapport cils/lumen, organisent la diversité des canaux ciliés en un spectre continu qui relie les tapis aux flammes.
À chaque extrémité du spectre, les résultats indiquent un débit et une génération de pression maximisés (compatibles avec les exigences physiologiques pour le transport en vrac et la filtration), tandis que les conceptions intermédiaires le long du spectre morphologique constituent des hybrides d’efficacité optimale.
Ces nouvelles découvertes permettent d’étudier et de gérer plus clairement les principales pathologies associées à un dysfonctionnement des cils et à une accumulation de liquide, notamment la bronchiectasie, l’hydrocéphalie et la grossesse extra-utérine. Ces découvertes permettent également de mieux comprendre le fonctionnement d’organes spécifiques. Par exemple, les flammes ciliaires qui pompent le liquide à des fins d’excrétion fournissent un système modèle pour l’étude des maladies rénales humaines.
Malgré l’importance fondamentale des organes ciliés dans la physiologie animale, la relation entre la morphologie des canaux ciliés et leur capacité à pomper du liquide est restée largement inexplorée, en raison de la difficulté de mesurer le battement ciliaire et le flux de liquide dans les canaux internes intacts.
En abordant ce domaine de recherche complexe à la fois de manière expérimentale et à l’aide de la modélisation mathématique, Kanso Lab propose une nouvelle approche à la fois innovante et intuitive. Une dichotomie est repensée comme un continuum, et un défi important en science et en ingénierie est simplifié d’une étape.
Plus d’information:
Feng Ling et al, La physique des flux guide la morphologie des organes ciliés, Physique de la nature (2024). DOI : 10.1038/s41567-024-02591-0
Fourni par l’Université de Californie du Sud
Citation:Tapis et flammes : règles de conception pour la morphologie des organes ciliés (2024, 29 juillet) récupéré le 29 juillet 2024 à partir de
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2024-07-29 18:16:36
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