Comportement en milieu encombré de la paramécie, un micronageur mécanosensible - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Swimming behavior of the mechanosensitive microorganism Paramecium, in crowded environnements

Comportement en milieu encombré de la paramécie, un micronageur mécanosensible

Nicolas Escoubet

Résumé

Paramecium is a unicellular eukaryotic ciliate microorganism, about 100 micrometers long, that lives naturally in puddles or ponds and moves by beating the thousands of cilia that cover its surface. Despite its relative simplicity, it can respond to different types of stimuli (chemical, temperature, etc.) thanks to a reorientation mechanism called the Avoiding Reaction (AR). This Avoiding Reaction is also triggered during a mechanical stimulation of its anterior part and results from internal bioelectrical and biochemical processes. In this thesis, we focus our attention on this mechanosensitive behavior. For this purpose, we imaged paramecia swimming freely in pseudo-2D environments with or without obstacles in order to characterize their mechanosensitive properties and to understand how mechanosensitivity affects their swimming behavior. In this thesis, we first focused on the behavior of paramecia evolving in an environment without any obstacle. We characterized the local dynamics of an AR, consisting of a backward swimming followed by a reorientation, as well as the statistics of AR on a larger scale and finally how spatial exploration in the absence of any obstacle is affected by AR. In particular, we showed that these spontaneous AR lead to a random walk-like swimming pattern with exponentially distributed step lengths. In a second part, we studied the swimming of paramecia in environments with cylindrical obstacles. We observed that upon collision with an obstacle, paramecia were either passively deflected or triggered an AR. This obstacle-triggered AR, a signature of mechanosensitivity, is either triggered instantaneously or delayed. We then quantified the probability of triggering such AR as a function of the swimming speed and the obstacle size. Finally, we highlighted memory effects related to the history of previous collisions. In a third part, we used numerical simulations of Active Brownian Particles to study their long time and long distance behavior. We characterized the efficiency of their spatial exploration by diffusion when different parameters were changed, such as the type of AR triggered (no obstacle-triggered AR, no AR at all, any type of AR) or the probability of an obstacle-triggered AR. These simulations suggest that in a periodic network of obstacles, the experimentally measured probability of obstacle-triggered AR coincides with an optimum of diffusion.
La paramécie est un micro-organisme unicellulaire eucaryote cilié d'une centaine de micromètres de long qui vit à l'état naturel dans des flaques ou des étangs et qui se déplace en battant les milliers de cils qui recouvrent sa surface. Malgré sa relative simplicité, elle peut répondre à différents types de stimuli (chimiques, de température, etc.) grâce à un mécanisme de réorientation appelé la "réaction d'évitement" (AR). Cette réaction d'évitement se manifeste aussi lors d'une stimulation mécanique de sa partie antérieure et résulte de processus bioélectriques et biochimiques internes. C'est cette faculté de mécanosensibilité qui nous a intéressés dans cette thèse. Pour cela, nous avons imagé des paramécies nageant librement dans des environnements pseudo-2D avec ou sans obstacles dans le but de caractériser leurs propriétés mécanosensibles et de comprendre comment la mécanosensibilité affecte leur nage. Au cours de cette thèse, nous nous sommes d'abord intéressés au comportement de paramécies évoluant dans un milieu sans obstacle. Nous avons caractérisé la dynamique locale d'une AR, constituée d'une nage arrière suivie d'une réorientation, ainsi que les statistiques des AR à plus large échelle et enfin, comment l'exploration spatiale en l'absence d'obstacles est affectée par les AR. Nous avons notamment montré que ces AR spontanées conduisent à une nage de type marche aléatoire dont la longueur des pas est distribuée exponentiellement. Dans une deuxième partie, nous avons étudié la nage des paramécies dans des environnements à obstacles cylindriques. Nous avons observé que lors d'une collision avec un obstacle, les paramécies étaient soit déviées passivement, soit déclenchaient une AR. Cette AR induite par la collision, signature de la mécanosensibilité, est soit déclenchée instantanément, soit retardée. Nous avons ensuite quantifié la probabilité de déclencher de telles AR en fonction de la vitesse de nage et de la taille des obstacles. Enfin, nous avons mis en évidence des effets de mémoire liés à l'historique des collisions antérieures. Dans une troisième partie, nous nous sommes appuyés sur des simulations numériques de particules browniennes actives pour étudier leur comportement à temps long et à longue distance. Nous avons caractérisé l'efficacité de leur exploration spatiale par diffusion lorsque différents paramètres étaient changés, comme le type d'AR déclenchée (sans AR au contact, sans aucune AR, avec toutes les AR) ou la probabilité de déclencher une AR au contact. Ces simulations suggèrent que dans un réseau périodique, la probabilité d'AR au contact mesurée expérimentalement coïncide avec un optimum de diffusion.
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ESCOUBET_PENDOLA_these_2023.pdf (33.55 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04135045 , version 1 (20-06-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04135045 , version 1

Citer

Nicolas Escoubet. Comportement en milieu encombré de la paramécie, un micronageur mécanosensible. Biophysique [physics.bio-ph]. Sorbonne Université, 2023. Français. ⟨NNT : 2023SORUS102⟩. ⟨tel-04135045⟩
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