Phototaxie, Bioconvection, Micronageurs, Matière active, Suspensions

Le mécanisme par lequel les organismes vivants recherchent des conditions de lumière optimales, la phototaxie, est un processus fondamental pour les micro-organismes photosynthétiques mobiles qui dépendent de la lumière pour survivre. La phototaxie est donc impliquée dans la quasi-totalité des processus naturels et des applications impliquant des microbes photosynthétiques, de la formation des efflorescences dans les environnements aquatiques à la migration verticale diurne du phytoplancton, en passant par la production de composés chimiques à haute valeur ajoutée dans les photo-bioréacteurs. Au croisement entre la matière active et la physique des fluides complexes, cette thèse vise à comprendre la réponse collective, à l'échelle d'une population, de la micro-algue photosynthétique modèle Chlamydomonas reinhardthii en présence de champs lumineux complexes dépendant de l'espace et du temps. Dans un premier temps, la réponse phototactique de ces micro-organismes dans des suspensions diluées est caractérisée et s'avère être hautement sensible et non-linéaire. Ensuite, nous montrons que la phototaxie peut être exploitée pour générer des écoulements macroscopiques auto-entretenus dans des suspensions peu profondes de Chlamydomonas reinhardtii en utilisant des motifs d'illumination spécifiques et en augmentant l'intensité des effets collectifs. Ces écoulements proviennent de l'accumulation locale, contrôlée par la lumière, des micro-algues qui ont une flottabilité négative. Cette accumulation entraîne des gradients de densité qui déclenchent des écoulements. Cette instabilité hydrodynamique est spécifique aux suspensions actives et est connue sous le nom de bioconvection. Dans ce régime, nous constatons que la population d'algues s'auto-organise en raison du couplage entre les écoulements auto-générés et la réponse phototactique non-linéaire et qu'elle subit de multiples brisures de symétrie. Ces instabilités sont également étudiées théoriquement à l'aide d'un modèle asymptotique de bioconvection induite par la lumière. Ensuite, une méthode de vélocimétrie par images de particules basée sur la fluorescence est développée pour permettre la quantification directe des écoulements de bioconvection dans une cellule de Hele-Shaw. L'amplitude et la structure de ces écoulements sont examinées pour la première fois et comparées à un modèle classique de bioconvection. Enfin, nous présentons une étude préliminaire sur les effets de la bioconvection contrôlée par la lumière sur le taux de croissance des cultures de Chlamydomonas reinhardtii, avec pour objectif à long terme une application aux photobioréacteurs.