La physique statistique au service des sciences du vivant : les recherches innovantes de Ruben Zakine
« La physique statistique ne concerne ni l’infiniment petit, ni l’infiniment grand, mais l’infiniment nombreux ». C’est ainsi que Ruben Zakine, enseignant-chercheur au LadHyx, définit son terrain de jeu. « Dès lors qu’un système est constitué de très nombreux éléments interagissant entre eux, la physique statistique décrit ce vers quoi ils convergent et les effets macroscopiques qui découlent de leurs comportements », explique le chercheur. Particularité de cette science, le mot entité recouvre une infinité de notions : atomes, molécules, polymères, etc. Elle est même utilisée, depuis une vingtaine d’années, pour décrire des particules vivantes en interaction comme les bactéries d’une colonie, des cellules d’un tissu épithélial, des poissons dans un banc ou encore des oiseaux qui volent en nuée. L’objectif est alors de décrire les transitions de phases ou d’états par lesquels passent ces systèmes et de prédire leur évolution.
Le contexte est posé. Retour à Ruben Zakine. C’est en classe de 3e, au détour d’un numéro de Sciences & Vie sur la physique des particules que le futur chercheur a le déclic pour la physique et s’engage dans une filière scientifique. Après le lycée, il intègre l’École polytechnique et le cursus de physique des particules. Il s’oriente ensuite vers un master de biophysique, plus ludique à son goût. « J’ai eu la chance de poursuivre par une thèse en physique statistique, de la matière molle et des systèmes vivants, à l’université Paris Diderot (ndlr : aujourd’hui Paris Cité) ».
Bactéries, économie...tant qu’il y a des interactions
Ruben Zakine tente alors de comprendre et de modéliser le comportement de protéines membranaires en interaction. Il entame également un travail sur les particules autopropulsées – dotées d’un mouvement propre - comme les bactéries équipées d’un flagelle ou certaines gouttelettes synthétiques. « Ces objets ont la particularité de se rassembler par effet d’embouteillage, sans aucune interaction d’attraction, juste par l’effet conjugué de la répulsion et de leur autopropulsion. C’est déroutant pour les scientifiques issus de la physique statistique d’équilibre ».
C’est lors d’un premier post doctorat à la New York University (NYU), plus précisément au centre de mathématiques appliquées et au centre de recherche sur la matière molle, que le chercheur parvient à mieux formaliser les transitions de phases des systèmes comportant ce type de particules. « Les changements d’états sont difficiles à décrire car le système évolue dans le temps, se réorganise et dissipe de l’énergie. Il crée de l’entropie. En d’autres termes, la dynamique est irréversible et les comportements plus difficiles à prédire que pour les systèmes à l’équilibre thermodynamique ».
Fort de son expérience, le jeune chercheur revient en France et se lance en 2022 dans un nouveau post doctorat. Il met de côté les gouttelettes et les microorganismes pour l’économie. Et c’est au LadHyX, dans le cadre de la chaire Econophysics and Complex Systems (EconophysiX Lab) qu’il mène ses recherches. « Le lien entre physique statistique et économie m’intéressait depuis longtemps. Les systèmes économiques sont en effet profondément hors d’équilibre par nature. La transition d’un système stable à un autre se fait par le biais de crises. J’ai voulu utiliser les outils développés à NYU pour les étudier et mieux les anticiper ». Ainsi, Ruben Zakine a tenté de comprendre comment les traders, qui ne travaillent jamais de manière isolée, influencent la valeur des actions sur les marchés financiers. Il s’est également penché sur des systèmes socioéconomiques comme les villes où les individus sont toujours influencés par leurs homologues dans leurs prises de décisions. « Avec la physique statistique, la complexité du monde n’est plus représentée par un individu modèle qui serait unique, mais par des groupes importants d’agents en interaction », souligne le chercheur.
Mettre les systèmes en équations
Aujourd’hui, Ruben Zakine occupe un poste d’enseignant-chercheur soutenu par le centre interdisciplinaire E4H dans le cadre du programme Tenure Track IP Paris**. Resté au LadHyX, il revient à la biophysique et s’intéresse à nouveau au comportement des bactéries et des particules autopropulsées. « Cette fois je ne les considère plus dans des milieux passifs mais dans des environnements vivants et fluctuants, comme les vaisseaux sanguins ou les intestins ». Le chercheur se concentre également sur les écosystèmes, notamment bactériens, et la compréhension des phénomènes en jeu lorsque plusieurs milliers d’espèces interagissent à différentes échelles (dans les sols, la mer, le microbiote intestinal, etc.).
Son objectif est de décrire, dans un système donné, les interactions entre individus à l’aide d’équations. Puis, en dézoomant, de comprendre comment évolue le système dans son ensemble et de le caractériser lui aussi par une équation. « Le point de départ de mes travaux est souvent une expérience de biophysique. Pour isoler un phénomène visible particulier qui m’intéresse et que je souhaite comprendre en détail, je m’appuie sur deux approches. D’une part, je réalise des prédictions à la main sur l’évolution macroscopique du système (à l’aide de techniques de calcul analytique, de physique statistique, et en partant des dynamiques individuelles). D’autre part, j’utilise la simulation numérique qui permet de coder le comportement de chaque entité. Si la simulation des comportements des différentes entités en interaction coïncide avec mes calculs, alors la description trouvée est la bonne. Si en plus, une expérience confirme l’ensemble, c’est le graal », s’amuse le physicien.
Bien que théoriques, les travaux de Ruben Zakine ouvrent de nombreuses perspectives. En médecine notamment, où l’évolution d’une tumeur peut être prédite en décryptant les interactions entre les cellules cancéreuses qui la composent. En biologie également, où l’étude des colonies de bactéries éclaire sur la locomotion des microorganismes et les conditions nécessaires à la formation des biofilms : un atout dans la compréhension de l’antibiorésistance.
« Cette discipline – et ce Tenure Track – m’offrent la possibilité d’évoluer à l’interface de nombreux domaines, ce qui m’a toujours attiré. Je travaille en lien avec des chercheurs de haut niveau et des étudiants intéressés et motivés. C’est particulièrement encourageant et passionnant », conclut l’enseignant-chercheur.
À propos de Ruben Zakine
Ruben Zakine intègre l’École polytechnique en 2012. Après un master en physique quantique, il effectue une thèse en physique statistique et s’intéresse aux effets collectifs émergents dans la matière active. Il effectue un premier postdoctorat à NYU, puis un second au laboratoire d’hydrodynamique de l’École polytechnique (LadHyX), et à l’EconophysiX Lab. Depuis septembre 2026, il est maître de conférences au LadHyX.
*LadHyX : une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique, Institut Polytechnique de Paris, 91120 Palaiseau, France
**Dans le cadre du projet STEP² retenu par l'ANR lors de l'appel à projets "Excellences sous toutes ses formes" (EXES) France 2030 (ANR-22-EXES-0013)