La matière vivante enfreint les règles classiques de symétrie physique dans le mouvement collectif, selon une étude

Une équipe de recherche menée par des scientifiques de la Ben-Gurion University of the Negev a révélé que la matière vivante viole systématiquement les principes classiques de symétrie physique lorsqu'elle forme et dissout des schémas de mouvement collectif, selon une étude publiée dans la revue Nature Physics. Ces résultats remettent en question les modèles physiques traditionnels empruntés aux cristaux liquides passifs et à la théorie de la matière molle, qui ont longtemps été utilisés pour estimer le déplacement de groupes de cellules vivantes. En étudiant des systèmes allant des essaims de bactéries aux feuillets de cellules tissulaires, les chercheurs ont démontré que les unités biologiques consommatrices d'énergie génèrent des flux hors d'équilibre qui brisent des symétries spatiales et temporelles fondamentales. Cette découverte offre un cadre plus clair pour comprendre comment les tissus biologiques s'auto-organisent lors des processus de développement, de la cicatrisation des plaies et de la progression des maladies.

## Faits marquants - Des chercheurs menés par la Ben-Gurion University of the Negev ont publié leurs résultats dans Nature Physics le 22 septembre 2026. - L'étude démontre que la matière active vivante viole les lois standard de symétrie physique qui régissent les matériaux mous non vivants. - Des expériences ont analysé le mouvement collectif à travers plusieurs systèmes biologiques, notamment des colonies bactériennes en essaim et des couches de cellules tissulaires de mammifères. - Les modèles physiques classiques basés sur la théorie des cristaux liquides passifs n'ont pas réussi à prédire comment les flux biologiques se forment, s'organisent et se désagrègent. - La recherche établit que la consommation d'énergie à l'échelle microscopique par les cellules génère des contraintes actives hors d'équilibre qui brisent la symétrie par renversement du temps et les symétries spatiales.

## Ce qui s'est passé En sciences physiques, les matériaux passifs tels que l'eau, les polymères simples et les cristaux liquides non vivants obéissent à des principes de symétrie bien documentés, fondés sur la thermodynamique et la mécanique statistique. Lorsque les cristaux liquides passifs passent d'un état structuré à un état désordonné, leurs molécules constitutives s'alignent selon des principes de minimisation de l'énergie, maintenant la parité spatiale et des trajectoires réversibles sous inversion temporelle.

Cependant, l'équipe de recherche de la Ben-Gurion University of the Negev (BGU) a observé que les cellules vivantes se comportent de manière fondamentalement différente lorsqu'elles s'organisent en flux collectifs. Les entités vivantes consomment de l'énergie chimique — généralement stockée sous forme d'adénosine triphosphate (ATP) dans les cellules eucaryotes ou générée par des processus métaboliques chez les bactéries — pour se propulser et exercer des forces sur les cellules voisines et leur matrice extracellulaire environnante. Cette dissipation interne continue d'énergie place la matière vivante très loin de l'équilibre thermodynamique.

Les chercheurs de la BGU ont suivi l'apparition et le déclin du mouvement cellulaire collectif à travers plusieurs configurations expérimentales, analysant à la fois des essaims à haute densité de bactéries motiles et des couches confluentes de cellules tissulaires épithéliales. Dans les modèles classiques de cristaux liquides, les défauts topologiques — des points où l'ordre directionnel s'effondre — se forment et s'annihilent en paires symétriques et prévisibles. L'étude a révélé que dans la matière active vivante, la formation et la désagrégation de ces schémas de flux collectifs n'obéissent pas à ces règles traditionnelles.

Au lieu de cela, la création et l'annihilation de défauts topologiques dans les tissus vivants et les essaims bactériens présentent de forts biais directionnels et des dynamiques irréversibles. Alors que les flux cellulaires génèrent spontanément de la turbulence ou s'effondrent en flux ordonnés, les schémas spatiaux observés lors de la formation des structures ne reflètent pas ceux observés lors de leur désagrégation. Cette dissymétrie structurelle viole les relations de réciprocité classiques d'Onsager et la symétrie par renversement du temps, prouvant que les modèles physiques passifs ne peuvent pas décrire de manière adéquate les transitions de phase et la dynamique de flux des collectifs cellulaires vivants.

## Pourquoi c'est important La compréhension des lois physiques qui régissent la matière vivante a des implications directes en biophysique, en biologie du développement, en science des matériaux et en oncologie. Depuis des décennies, les biophysiciens s'appuient sur des versions modifiées de la théorie des cristaux liquides passifs — connues sous le nom de modèles nématiques actifs — pour décrire les tissus cellulaires. Cependant, l'utilisation de modèles passifs pour représenter des systèmes biologiques actifs conduit souvent à des prédictions incorrectes concernant la distribution des forces, la déformation des tissus et le transport collectif. En définissant avec précision comment les systèmes vivants brisent les symétries physiques, l'étude de la BGU offre un cadre mathématique amélioré pour modéliser le mouvement biologique.

Dans la recherche médicale, la migration cellulaire collective est un processus fondamental du développement des tissus embryonnaires, de la cicatrisation des plaies et de la métastase du cancer. Lors de l'organogenèse, les cellules doivent migrer en feuillets coordonnés pour former des structures tridimensionnelles complexes. Lorsque la peau ou les parois vasculaires subissent une lésion, les cellules voisines migrent collectivement pour refermer la plaie. À l'inverse, lors de l'invasion d'une tumeur maligne, les cellules cancéreuses se détachent fréquemment des tumeurs primaires et envahissent les tissus environnants sous forme d'amas collectifs plutôt que d'unités isolées.

Des modèles physiques précis de ces comportements collectifs permettent aux chercheurs biomédicaux de mieux simuler la façon dont les structures tissulaires répondent aux contraintes mécaniques, à la signalisation biochimique et aux interventions pharmacologiques. De plus, en science des matériaux, comprendre comment les systèmes biologiques exploitent l'énergie localisée pour s'auto-assembler sans les contraintes de symétrie thermodynamique pourrait permettre la conception de nouveaux matériaux synthétiques. De tels matériaux biologiques actifs pourraient s'auto-réparer, générer un pompage microfluidique continu sans pièces mécaniques externes, ou reconfigurer de manière autonome leurs propriétés structurelles en réponse à des signaux environnementaux.

## Le contexte L'étude de la matière active a émergé comme un sous-domaine distinct de la physique de la matière condensée molle à la fin des années 1990 et au début des années 2000. Une étape fondatrice s'est produite en 1995 lorsque le physicien théoricien Tamas Vicsek et ses collègues ont introduit un modèle mathématique simple décrivant le mouvement collectif de particules autopropulsées, telles que des nuées d'oiseaux ou des bancs de poissons. Peu après, les théoriciens de la matière molle ont adapté les outils mathématiques de la physique des cristaux liquides — développés en partie par le prix Nobel Pierre-Gilles de Gennes à la fin du XXe siècle — pour décrire des systèmes biologiques dont les éléments constitutifs s'alignent comme des molécules en forme de bâtonnets.

Les cristaux liquides sont des états de la matière qui possèdent des propriétés intermédiaires entre celles des liquides conventionnels et des cristaux solides. Dans les cristaux liquides passifs, comme ceux utilisés dans les affichages électroniques, les molécules allongées s'alignent le long d'un vecteur directionnel commun, appelé champ directeur. La physique des cristaux liquides passifs est régie par des principes de minimisation de l'énergie : lorsque les forces externes sont retirées, le système revient à une configuration symétrique de basse énergie régie par l'équilibre thermodynamique.

En revanche, la matière active est constituée d'unités individuelles qui convertissent l'énergie chimique interne en travail mécanique. Les exemples vont des moteurs moléculaires se déplaçant le long des filaments du cytosquelette au sein d'une seule cellule aux essaims de bactéries, aux feuillets de cellules épithéliales, aux bancs de poissons et aux foules humaines. Parce que l'énergie est injectée en continu à l'échelle des particules individuelles, la matière active fonctionne en permanence hors d'équilibre.

Au cours des deux dernières décennies, les physiciens ont introduit des théories du continu « nématique actif » en ajoutant des termes de contrainte active aux équations traditionnelles des cristaux liquides. Ces contraintes actives reflètent les forces de poussée ou de traction exercées par des entités autopropulsées. Bien que les modèles nématiques actifs aient réussi à capturer des phénomènes tels que la turbulence active et la génération spontanée de flux, ils ont fréquemment conservé des symétries mathématiques sous-jacentes héritées des théories des cristaux liquides passifs. L'étude de la BGU cible directement cette limitation théorique, démontrant que les mécanismes biologiques qui régissent le mouvement cellulaire brisent activement ces symétries passives lors de la formation et de la désagrégation dynamiques des structures.

## Réactions La publication de ces recherches dans Nature Physics a suscité l'attention des communautés de recherche en physique et en biologie, soulignant un changement en cours vers la prise en compte de la matière vivante comme une classe entièrement distincte de matériau physique, plutôt que comme un dérivé modifié de la matière molle passive.

Les physiciens théoriciens spécialisés dans la mécanique statistique hors d'équilibre devraient réévaluer les équations nématiques actives actuelles pour y intégrer les termes explicites de rupture de symétrie identifiés par l'équipe de la BGU. Les chercheurs en physique biologique s'attacheront vraisemblablement à lier ces violations macrophysiques de symétrie à des structures biomécaniques microscopiques spécifiques, telles que la contractilité actine-myosine, les complexes d'adhésion cellule-cellule comme les cadhérines, et les mécanismes de propulsion flagellaire.

Bien que l'étude présente un cadre physique fondamental, les biologistes du développement et les chercheurs en médecine devraient examiner si des types de tissus spécifiques ou des états pathologiques présentent des degrés distincts de rupture de symétrie. Les forums académiques et les conférences de physique à venir, telles que l'American Physical Society March Meeting, devraient accueillir des discussions sur la manière d'intégrer ces lois physiques hors d'équilibre dans les simulations numériques de la croissance des organoïdes et de l'expansion tumorale.

## Ce que l'on ne sait pas encore Bien qu'il soit établi que les flux cellulaires violent les modèles classiques de symétrie, plusieurs questions critiques restent sans réponse concernant les facteurs biologiques exacts sous-jacents à ces phénomènes physiques. Tout d'abord, les voies biochimiques précises qui contrôlent l'ampleur de la rupture de symétrie physique selon les différents types de tissus ne sont pas entièrement cartographiées. La manière dont des cascades de signalisation intracellulaire spécifiques — telles que les voies des Rho-GTPases qui régulent la contractilité cellulaire — se traduisent directement dans les paramètres mathématiques de rupture de symétrie identifiés dans l'étude reste floue.

Deuxièmement, les résultats actuels concernent principalement des dispositifs expérimentaux bidimensionnels et quasi bidimensionnels, tels que des monocouches cellulaires sur des lames de verre ou de fines suspensions bactériennes. La manière dont ces violations de symétrie physique se traduisent dans des environnements pleinement tridimensionnels, tels que des embryons en développement ou des tumeurs solides enchâssées dans des matrices extracellulaires denses, demeure un domaine de recherche ouvert.

Enfin, les chercheurs doivent encore déterminer si les cellules malignes présentent des signatures de rupture de symétrie physique différentes de celles des cellules saines, non cancéreuses. Si le tissu cancéreux affiche des symétries de flux hors d'équilibre distinctes lors de l'invasion collective, cette propriété physique pourrait potentiellement servir de nouveau biomarqueur diagnostic ou de cible thérapeutique, bien que la preuve expérimentale de ce concept fasse actuellement défaut.

## Ce qu'il faut surveiller Dans les mois et années à venir, plusieurs évolutions clés indiqueront comment cette avancée théorique façonne la physique biologique et les applications biomédicales. Les chercheurs suivront de près les études de suivi qui tenteront de formuler des équations mathématiques unifiées prenant explicitement en compte les symétries brisées observées dans les flux vivants.

Une étape cruciale sera l'intégration de ces nouveaux paramètres physiques dans les logiciels de modélisation biophysique, que les chercheurs utilisent pour simuler la morphogenèse, la cicatrisation des plaies et la formation des réseaux vasculaires. Si les modèles mis à jour démontrent une précision prédictive nettement supérieure par rapport aux données expérimentales de croissance tissulaire, le cadre théorique proposé par l'équipe de la BGU deviendra probablement une référence en biologie numérique.

De plus, les groupes expérimentaux devraient tester ces principes dans des cultures d'organoïdes complexes en 3D et des modèles animaux. Des études d'observation analysant si la rupture de symétrie cellulaire varie au cours de stades de développement spécifiques ou de progressions de maladies fourniront une validation essentielle. Dans le domaine de l'ingénierie, les scientifiques des matériaux surveilleront les tentatives de construction de systèmes actifs bio-hybrides utilisant la rupture de symétrie hors d'équilibre pour créer des pompes fluidiques automotrices et des biomatériaux auto-réparateurs.

Ce rapport est basé sur des recherches originales publiées dans Nature Physics et rapportées par phys.org le 22 septembre 2026.