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Cities surprise and interest a large and long-standing scientific community of economists, sociologists, geographers and historians, in which physicists and mathematicians also have their word. Cities are surprising because they exist, which is anything but obvious and reflects the essential fact that individuals are prone to group together. Cities are interesting because they are developing to the point where they have become the primary context of human life on Earth, and understanding them properly has become a global issue. Finally, it is critical to note that cities are similar across civilizations despite the multiplicity of individualities that underlie them.The urban phenomenon and the empirical similarities between the cities of the world invite us to look for common causes: this is the grounding reason for a science of cities in which we place ourselves. Our quantitative work is unique in its methodology, which stems from statistical physics, but threefold in its objectives.We focus on urban demography, the main variable of urban systems, of which we study both the static distribution and the dynamic evolution, proposing a new law of urban growth.We also study the social dynamics of cities, which characterize the economic interactions between individuals and the dynamics of segregation and gentrification. Finally, we aim at describing urban transportation, the networks on which cities rely, and quantify the non-trivial environmental and economic consequences of the interplay between private and public transport., Les villes étonnent, surprennent et intéressent une communauté scientifique large et ancienne d'économistes, de sociologues, de géographes et d'historiens dans laquelle les physiciens et les mathématiciens trouvent aussi leur place. Les villes étonnent d'abord parce qu'elles existent, ce qui n'a rien d'évident et traduit le fait, essentiel, d'un intérêt des individus à se regrouper. Les villes surprennent ensuite parce qu'elles se ressemblent à travers le monde malgré la multiplicité des individualités qui les sous-tendent. Les villes intéressent enfin parce qu'elles se développent au point d'être devenues majoritaires sur Terre et que leur bonne compréhension est devenue un enjeu global.La curiosité du phénomène urbain et les similitudes empiriques entre les villes du monde invitent à y rechercher des causes communes : c'est là le fondement d'une science des villes dont notre thèse procède. Ce travail, quantitatif, est unique dans sa méthode, issue de la physique statistique, mais triple dans son objet. Il s'intéresse en effet à la démographie urbaine, variable-mère des systèmes urbains, dont il étudie autant la répartition statique que l'évolution dynamique, proposant une nouvelle loi de la croissance urbaine ; aux dynamiques sociales dans les villes, caractéristiques des interactions économiques entre les individus et des dynamiques de ségrégation ou de gentrification que nous cherchons à quantifier ; aux transports urbains enfin, matrices d'existence des villes, dont la dualité entre transports particuliers et transports en commun a des conséquences environnementales et économiques non triviales dont nous proposons de dégager la bonne compréhension.

L’émergence de la complexité, et de la vie en particulier, demeure l’une des énigmes les plus complexes pour la science moderne. Des travaux récents ont souligné la pertinence d’un apport de la physique statistique et de la théorie des phénomènes critiques — et en particulier de la théorie des phénomènes à criticalité auto-régulée — relativement à ces champs d’intérêt, tout autant que du rôle des phénomènes de coopération biochimique dans les premiers instants du vivant. La description des mécanismes par lesquels la vie a pu apparaître est par ailleurs d’un intérêt pratique pour l’astrophysique, puisque notre compréhension de ceux-ci module la manière dont l’analyse de biosignatures s’effectue dans le cadre de la recherche de la vie ailleurs dans l’Univers. L’analyse proposée ici porte sur un modèle en théorie des jeux permettant d’étudier les phénomènes de coopération implémenté dans un contexte spatial servant à émuler la dynamique d’un système ayant pu voir apparaître la vie. Une analyse de l’espace des paramètres du modèle révèle que celui-ci affiche des phénomènes de transition de phase et d’auto-organisation de structures spatiales, ces éléments se révélant des adjuvants à l’émergence de la coopération entre joueurs a priori égoïstes, dans un contexte qui à prime abord n’est pas d’emblée favorable à l’apparition de comportements coopératifs. Les résultats obtenus ici semblent supporter que la coopération biochimique puisse apparaître via un phénomène de transition de phase et que le modèle sous-jacent de dilemme du prisonnier itéré sur réseau présenté ici agit comme un système à criticalité autorégulée., The emergence of complexity, and of life more specifically, is still one of the most intractable conundrums for modern science. Recent work emphasized the relevance of statistical physics and critical phenomena theory’s contribution to those questions — especially of self-organized criticality theory — just as much as the role of biochemical cooperation in life’s first moments. Moreover, the description of the mechanisms by which life could have appeared is of particular interest for astrophysics, because our comprehension of those mechanisms influences how biosignatures are analyzed in the context of the search for life elsewhere in the Universe. The analysis presented here concerns a model in game theory that allows to study cooperation phenomena — implemented in spatial context as to emulate the dynamics of a system in which life could have appeared. An analysis of the model’s parameter space reveals that it displays phase transition and self-organization of spatial structures phenomenon, those elements being adjuvants to the emergence of cooperation between a priori egoist players, in a context that is initially not favorable to the emergence of cooperative behavior. The results obtained here thus seem to support the idea that both biochemical cooperation can emerge through phase transition phenomena, and that the underlying lattice iterated prisoner’s dilemma model used here behaves like a self-organized critical system.

This thesis seeks to quantify the time to first passage over a target (FPT) of a class of random walks for which the walker is endowed with long-range memory effects that emerge from the interaction of the walker with the territory he has visited at previous times. The first part is devoted to the study of the links between aging and persistence exponent. We present examples of aging processes that are asymptotically diffusive and that are characterized by anomalous persistence exponents. In a second part, we establish that the attractively reinforced walks fall into different categories for which we have characterized their aging and first-pass properties. We highlight the importance of such reinforcement effects in the analysis of real cell trajectories. In a third part, we show that these long-range memory effects can induce non-trivial aging, persistence and transience exponents in both infinite and confined geometries. In particular, we quantify the dependence of the FPT distribution in confinement on different geometric parameters. In a fourth part, we study the first-pass properties of a walker following a generalized Langevin equation in the presence of a harmonic potential. From the position of the walker in the future of the FPT, we predict the values of the mean time of first passage. Finally, we address the question of the joint distribution of the first-pass time and the number of distinct sites visited at the FPT time., Cette thèse cherche à quantifier le temps de premier passage sur une cible (FPT) d'une classe de marches aléatoires pour lesquelles le marcheur est doté d'effets de mémoire à longue portée qui émergent de l'interaction de celui-ci avec le territoire qu'il a visité à des temps antérieurs. La première partie est consacrée à l'étude des liens entre vieillissement et exposant de persistance. Nous y présentons des exemples de processus vieillissants, asymptotiquement diffusifs, et qui sont caractérisés par des exposants de persistance anormaux. Dans une seconde partie, nous établissons que les marches à renforcement attractif se répartissent selon différentes catégories pour lesquelles nous avons caractérisé leurs propriétés de vieillissement et de premier passage. Nous soulignons l'importance de tels effets de renforcement dans l'analyse de trajectoires cellulaires réelles. Dans une troisième partie, nous montrons que ces effets de mémoire à longue portée peuvent induire un vieillissement et des exposants de persistance et de transience non triviaux à la fois dans des géométries infinies et confinées. Nous quantifions notamment la dépendance de la distribution du FPT en confinement envers les différents paramètres géométriques. Dans une quatrième partie, nous entamons l'étude des propriétés de premier passage d'un marcheur suivant une équation de Langevin généralisée en présence d'un potentiel harmonique. À partir de la position du marcheur dans le futur du FPT, nous prédisons les valeurs du temps moyen de premier passage. Enfin, nous abordons la question de la distribution jointe du temps de premier passage et du nombre de sites distincts visités à l'instant du FPT.

Soft dense suspensions, as microgels for example, cover a large spectrum of materials made of a large amount of soft elastic entities immersed in a newtonian fluid. Although the nature of those soft entities can be very different (particles, droplets, bubbles...), dense suspensions share some common rheological properties. For example, at densities below but close to jamming density, a sheared suspension typically exhibits shear-thinning, meaning that its viscosity decreases with the shear rate, whereas above jamming, the material exhibits a yield-stress fluid behaviour, remaining solid under a given yield-stress value and flowing according a Herschel-Bulkley law once this yield has been overcome.Establishing an evolution equation for the stress tensor as a response to a given time-dependent deformation is of great importance to describe and understand the flow of such systems. Most attempts to obtain a constitutive model, even if successfully describing the rheology of the materials, are phenomenological. They are typically based on symmetries, such as frame indifference, and while usually motivated by a microscopic physical picture, they do not directly relate the parameters they rely on to microscopic (i.e., particle-level) quantities.The goal of our work is to derive a 2D constitutive model directly from the microscopic dynamics of the constitutive entities using statistical physics tools to move from microscopic to macroscopic level. The exact macroscopic equations then obtained are closed making some physically motivated approximations on the microstructure of the system. We first applied this method to soft dense suspensions above jamming, getting a constitutive model with a strong physical content able to describe a Bingham yield-stress fluid. We then applied this model to some rheological protocols and verified that our model qualitatively describe some non trivial behaviours observed both experimentally and numerically. Using the link between microscopic and macroscopic level on which is built our model we were able to give some simple microscopic explanation for some of those phenomena. Finally, we adapted the same method for the case of soft dense suspensions below jamming and get a new constitutive model that we tested on some simple protocols., Les suspensions denses molles, telles que les suspensions de micro-gel par exemple, couvrent un large spectre de matériaux composés d'un grand nombre d'entités molles et élastiques en suspension dans un fluide newtonien. Bien que la nature des entités constituant ces suspensions puisse être très diverse (particules, gouttes, bulles...etc), ces dernières partagent toutes des propriétés rhéologiques communes. Par exemple, alors que pour des densités légèrement plus faibles que la densité de jamming, elles présentent toutes en cisaillement simple un comportement de fluide rhéofluidifiant, leur viscosité décroissant avec le taux de cisaillement imposé, au-dessus de cette densité, elles se comportent comme des fluides à seuil, demeurant solide tant que la contrainte ne dépasse pas un certain seuil et s'écoulant selon une loi d'Herschel-Bulkley une fois que le seuil est dépassé.L'obtention d'un modèle constitutif permettant d'exprimer la dynamique du tenseur des contraintes en fonction de la déformation du matériau revêt une importance cruciale afin de décrire ces phénomènes et les comprendre. La plupart des modèles constitutifs existant à l'heure actuelle, s'ils permettent une bonne description de ces matériaux, demeurent des modèles phénoménologiques basé sur des considérations d'invariance et de symétrie et qui, s'ils sont généralement motivés par une image microscopique du système, ne font pas apparaître dans les paramètres dont ils dépendent de relation directe avec l'échelle microscopique (c'est-à-dire l'échelle des entités constitutives). L’objet de cette thèse est ainsi la dérivation d'un modèle constitutif 2D, directement à partir de la dynamique microscopique de ces entités constitutives. Le passage d'une échelle microscopique à l'échelle macroscopique se fait à l'aide d'outils de physique statistique. Il est alors nécessaire de fermer les équations obtenues en faisant certaines approximations physiquement motivées quant à la microstructure du système. Nous avons appliqué cette méthode dans un premier temps au cas de suspensions au-dessus du jamming, obtenant un modèle constitutif tensoriel au fort contenu physique et permettant de décrire un fluide à seuil de Bingham. Nous avons appliqué ce modèle à différents protocoles rhéologiques et vérifié qu'il capturait qualitativement certains comportements non-triviaux observés expérimentalement ou numériquement. Utilisant le lien entre échelle microscopique et macroscopique sur lequel est bâti ce modèle, nous avons également pu fournir une image physique simple des phénomènes microscopiques expliquant l'émergence de certains de ces comportements à l'échelle macroscopique. Nous avons dans un second temps repris notre dérivation dans le cas de suspensions en-dessous du jamming et obtenu un nouveau modèle constitutif que nous avons testé sur quelques protocoles simples.

Like any numerical model, the models usually used to simulate the climate system have a finite resolution, linked to the size of the grid cells on which the model equations are integrated. For a large part of the problems raised in climatology, the mesh size remains, and will surely remain, much larger than the smallest scale necessary for the integration of the equations. This problem appears in particular in the representation of the smallest vortices of atmospheric and oceanic flows. To correct the undesirable effects linked to the lack of resolution, it is necessary to introduce a model for the sub-grid phenomena. The usual approaches generally introduce parameters which are difficult to calibrate in the context of the study of the climate and do not always manage to agree with the observations. One of the central questions of the numerical simulation of the climate system is therefore to find the right sub-grid modeling method(s). Two approaches are investigated to resolve this problem.The first is the construction of simplified climate models based on the energy balance and the Maximization of Entropy Production (MEP) as the closure hypothesis. This approach has the particularity to not introduce additional parameters to represent the processes modeled with MEP. We show that a minimal description of the dynamics in a radiative-convective model using the MEP hypothesis allows us to represent the most important aspects of atmospheric convection. The MEP hypothesis is extended to represent time-dependent problems by applying this hypothesis only to the fast components of a system. This result opens the possibility of using this type of model to represent the seasonal cycle.The second approach consists in implementing a sub-grid analysis and modeling method in a simple system: a diffusive lattice-gas. The temporal variation of the coarse-grained flow of particles at different scales is analyzed before being modeled by statistical physics methods. The sub-grid model, constructed without adding any additional parameters, is based on a local stochastic relaxation equation of the particle current. The analysis method is then used to study the dynamics of vorticity in the Von-Karman flow.; Comme tout modèle numérique, les modèles usuellement utilisés pour simuler le système climatique ont une résolution finie, liée à la taille des mailles de la grille sur laquelle on intègre les équations du modèle. Pour une grande partie des problèmes soulevés en climatologie, la taille des mailles reste, et restera sûrement, bien supérieure à la plus petite échelle nécessaire pour l'intégration des équations. Ce problème apparaît en particulier dans la représentation des plus petits tourbillons des écoulements atmosphériques et océaniques. Pour corriger les effets indésirables liés au manque de résolution, il faut introduire un modèle qui représente les phénomènes sous-mailles. Les approches usuelles introduisent généralement des paramètres qui sont difficiles à calibrer dans le contexte de l'étude du climat, et ne parviennent pas toujours à être en accord avec les observations. Une des questions centrales de la simulation numérique du système climatique est donc de trouver la(es) bonne(s) méthode(s) de modélisation sous-maille. On envisage ici deux approches pour tenter de résoudre ce problème.La première est la construction de modèles simplifiés de climat basés sur le bilan d'énergie et la Maximisation de Production d'Entropie (MEP) en hypothèse de fermeture. Cette approche présente la particularité de ne pas introduire de paramètres supplémentaires pour les processus représentés par MEP. On montre qu'une description minimale de la dynamique dans un modèle radiatif-convectif utilisant l'hypothèse MEP permet de représenter les aspects les plus importants de la convection atmosphérique. Le formalisme de MEP est étendu pour représenter des problèmes dépendant du temps en appliquant cette hypothèse uniquement aux composantes rapides du système. Ce résultat ouvre la perspective d'utilisation de MEP dans des modèles simplifiés du cycle saisonnier.La seconde approche consiste à mettre en oeuvre une méthode d'analyse et de modélisation sous-maille dans un système simple : un gaz sur réseaux diffusif. La variation temporelle du flux de particules à gros-grain à différentes échelles est analysée avant d'être représentée par des méthodes de physique statistique. Le modèle sous-maille, construit sans ajout de paramètre supplémentaire, est basé sur une équation de relaxation stochastique locale du courant de particule. La méthode d'analyse est ensuite employée pour étudier la dynamique de la vorticité dans l'écoulement de Von-Karman.

National audience; Since the outbreak of the COVID-19 epidemic, "epidemiological models" have emerged in an unprecedented way in the public space, giving rise to numerous debates. In particular, they have been mobilized as justifications for radical policy decisions such as lockdown, the closure of national borders or the monitoring of citizens' movements. Where do these models come from, and what does their apparent irruption of the last months mean?; Depuis l'essor de l'épidémie de COVID-19, les « modèles épidémiologiques » ont surgi de manière inédite dans l'espace public, donnant lieu à de nombreux débats. Ils ont notamment été mobilisés comme justifications à des décisions politiques radicales comme le confinement, la fermeture des frontières nationales ou la surveillance des déplacements des citoyen•ne•s. D'où viennent ces modèles, et que recouvre leur apparente irruption de ces derniers mois ?

This thesis is concerned with various aspects of large deviations theory in relation with statistical physics. Both theoretical and numerical considerations are dealt with. The first part of the work studies long time large deviations properties of diffusion processes. First, we prove new ergodicity results for Feynman-Kac dynamics, both in continuous and discrete time. This leads to new fine results (in the sense of topology) for large deviations of empirical measures of diffusion processes. Various numerical problems are then covered. We first provide precise error estimates on discretizations of Feynman-Kac dynamics, for which the nonlinear features of the dynamics demand new tools. In order to reduce the variance of naive estimators, we provide an adaptive algorithm relying on the technique of stochastic approximation. We finally consider a problem concerning low temperature systems. We present a new method for constructing an approximation of the optimal control from the instanton (or reaction path) theory. The last part of the thesis is concerned with the different topic of Coulomb gases, which appear both in physics and random matrix theory. We first present an efficient method for simulating such gases, before turning to gases under constraint. For such gases, we prove new concentration results in the limit of a large number of particles, under some conditions on the constraint. We also present a simulation algorithm, which confirms the theoretical expectations., Cette thèse s’intéresse à différents problèmes de grandes déviations en rapport avec la physique statistique, qu’elle aborde sous l’angle théorique aussi bien que numérique. La première partie concerne l’étude de grandes déviations en temps long pour les processus de diffusion. Tout d’abord, de nouveaux résultats d’ergodicité sont montrés pour les dynamiques de Feynman-Kac, en temps discret et en temps continu. Ceci conduit à de nouveaux résultats fins (au sens de la topologie considérée) sur les grandes déviations de mesures empiriques de processus de diffusion. Divers aspects numériques sont ensuite abordés. Tout d’abord, des estimées d’erreur précises sont fournies pour les discrétisations de processus de Feynman-Kac, la non-linéarité de la dynamique demandant le développement de nouveaux outils. Afin de réduire la variance des estimateurs classiques de grandes déviations, un algorithme adaptatif est ensuite présenté, qui utilise les techniques dites d’approximation stochastique. Enfin, nous abordons une problème numérique concernant les systèmes à basse température, et présentons une méthode pour construire une approximation du contrôle optimal à partir de la théorie du chemin de réaction. La dernière partie de cette thèse porte sur un sujet légèrement différent, celui des gaz de Coulomb, qui apparaissent en physique mais aussi dans la théorie des matrices aléatoires. Nous présentons d’abord une méthode efficace pour la simulation de tels gaz, avant de nous tourner vers l’étude des gaz sous contrainte. Pour ceux-ci, nous prouvons de nouveaux résultats de concentration dans la limite d’un grand nombre de particules, sous certaines conditions sur la contrainte. Nous présentons également un algorithme de simulation qui confirme les attentes théoriques.

Cellular organisms appear organized. Bacteria use membraneless compartments to confine chemical reactions in space and time. There is a general paradigm of intracellular space self-organization that distinguishes between self-assembly, molecular structures assembled by passive phase transition mechanisms, and dissipative structures, generated for example by reaction-diffusion processes. If self-assemblies correspond to the evolution towards thermodynamic equilibrium, dissipative structures are manifestations of an out-of-equilibrium energy cost. We illustrate this paradigm by studying the segregation of bacterial genome, in this case the F-plasmid segregation of Escherichia coli, based on the ParABS partition system. Segregation is a crucial step in the bacterial cell cycle since it ensures the transmission of genetic information in daughter bacteria before division.The ParABS system consists of a parS centromeric sequence; a ParB protein which is able to bind to DNA, specifically on the parS sequence and not specifically elsewhere; and a ParA ATPase protein than can bind to DNA. Interactions between ParB proteins on DNA and specific adsorption on the parS sequence lead to the formation of a three-dimensional focus called the ParBS complex located around the parS sequence. Interactions between ParA and ParB proteins lead to the positioning of this complex at the center of the cell cytoplasm. After replication, two ParBS complexes exist and are segregated by the action of ParA proteins at positions 1/4 and 3/4 of the intracellular space.We first seek to explain the formation of ParBS complexes by a passive phase separation mechanism between high- and low-density states of ParB proteins in space. We construct two statistical physics models using tools borrowed from the physics of phase transitions. Our second approach rigorously defines all the elements of the biological system consisting of the interacting DNA-polymer and ParB proteins and allows us to formulate a first-order phase transition existence criterion that is verified by the DNA. We can draw the phase diagrams of this transition. These two models allow us to argue that the physiological thermodynamic regime of this biological system is a regime of metastable coexistence in ParB proteins on DNA. The parS sequence plays the role of a defect or nucleation seed. We use a third approach to explain the relationship between the three-dimensional and DNA distributions of ParB proteins around the parS sequence.We try to explain the fluorescence recovery curves from photobleaching experiments on ParBS complexes. We construct an in silico photobleaching method, i.e. we reproduce these recovery curves from a phenomenological equation solved numerically. We then develop a system of equations that describe the evolution of proteins on DNA from the previous statistical physical approach to produce an in silico photobleaching taking into account that ParBS complexes are the result of phase separation. We show that a pure passive system does not allow photobleaching experiments because of the Ostwald maturation undergone by the complexes. We correct this approach by including ParA proteins and their biochemical cycle in our simulations. We show that the interactions between ParA and ParB proteins and the hydrolysis of ATP allows the survival of several ParBS complexes thanks to an inversion mechanism of Ostwald's ripening. This fundamental approach explains the positioning of ParBS complexes during segregation.; Les organismes cellulaires apparaissent organisés. Les bactéries utilisent des compartiments sans membrane pour confiner les réactions chimiques dans l'espace et le temps. Il existe un paradigme général de l'auto-organisation de l'espace intracellulaire qui distingue les auto-assemblages, structures moléculaires assemblées par des mécanismes passifs de transition de phase, et les structures dissipatives, engendrés par exemple par des processus de réaction-diffusion. Si les auto-assemblages correspondent à l'évolution vers l'équilibre thermodynamique, les structures dissipatives sont des manifestations d'une dépense d'énergie hors équilibre thermodynamique. Nous illustrons ce paradigme en étudiant la ségrégation du matériel génétique chez les bactéries, en l'occurrence celle du plasmide F de Escherichia coli qui repose sur le système de partition ParABS. La ségrégation est une étape cruciale du cycle cellulaire bactérien puisqu'elle assure la transmission de l'information génétique dans les bactéries filles avant la division. Le système ParABS est constitué d'une séquence centromérique parS ; d'une protéine ParB capable de se lier à l'ADN, spécifiquement sur la séquence parS et non-spécifiquement ailleurs ; d'une protéine ATPase ParA capable de se lier à l'ADN. Les interactions entre protéines ParB sur l'ADN et l'adsorption spécifique sur la séquence parS mène à la formation d'un foyer tridimensionnel appelé complexe ParBS localisé autour de la séquence parS. Les interactions entre protéines ParA et ParB mènent au positionnement de ce complexe au centre du milieu cellulaire. Après réplication, deux complexes ParBS existent et son ségrégés par l'action des protéines ParA aux positions 1/4 et 3/4 de l'espace intracellulaire.Nous cherchons d'abord à expliquer la formation des complexes ParBS par un mécanisme passif de séparation de phase entre états de haute et basse densité en protéines ParB dans l'espace. Nous construisons deux modèles de physique statistique à l'aide d'outils empruntés à la physique des transitions de phase. Notre deuxième approche définit rigoureusement tous les éléments du système biologique constitué de l'ADN-polymère et des protéines ParB en interaction et nous permet de formuler un critère d'existence de transition de phase du premier ordre qui est vérifié par l'ADN. Nous parvenons à tracer les diagrammes de phase de cette transition. Ces deux modèles nous permettent d'argumenter que le régime thermodynamique physiologique de ce système biologique est un régime de coexistence métastable en protéines ParB sur l'ADN. La séquence parS joue le rôle d'un défaut ou d'une graine de nucléation. Nous utilisons une troisième approche pour expliciter le lien entre les distributions tridimensionnelle et sur l'ADN des protéines ParB autour de la séquence parS. Nous cherchons à expliquer les courbes de recouvrement de fluorescence issus d'expériences de photoblanchiment sur les complexes ParBS. Nous construisons une méthode de photoblanchiment in silico, c'est-à-dire que nous reproduisons ces courbes de recouvrement à partir d'une équation phénoménologique résolue numériquement. Nous développons un système d'équations qui décrivent l'évolution des protéines sur l'ADN à partir de l'approche physique statistique précédente pour produire un photoblanchiment in silico prenant en compte que les complexes ParBS sont issus d'une séparation de phase. Nous montrons qu'un pur système passif ne permet pas de faire des expériences de photoblanchiment à cause de la maturation d'Ostwald subie par les complexes. Nous corrigeons cette approche pour inclure les protéines ParA et leur cycle biochimique dans nos simulations. Nous montrons ainsi que les interactions entre les protéines ParA et ParB et l'hydrolyse de l'ATP permet la survie de plusieurs complexes ParBS grâce à un mécanisme d'inversion du murissement d'Ostwald. Cette approche fondamentale permet d'expliquer le positionnement des complexes ParBS durant la ségrégation.

Cellular organisms appear organized. Bacteria use membraneless compartments to confine chemical reactions in space and time. There is a general paradigm of intracellular space self-organization that distinguishes between self-assembly, molecular structures assembled by passive phase transition mechanisms, and dissipative structures, generated for example by reaction-diffusion processes. If self-assemblies correspond to the evolution towards thermodynamic equilibrium, dissipative structures are manifestations of an out-of-equilibrium energy cost. We illustrate this paradigm by studying the segregation of bacterial genome, in this case the F-plasmid segregation of Escherichia coli, based on the ParABS partition system. Segregation is a crucial step in the bacterial cell cycle since it ensures the transmission of genetic information in daughter bacteria before division.The ParABS system consists of a parS centromeric sequence; a ParB protein which is able to bind to DNA, specifically on the parS sequence and not specifically elsewhere; and a ParA ATPase protein than can bind to DNA. Interactions between ParB proteins on DNA and specific adsorption on the parS sequence lead to the formation of a three-dimensional focus called the ParBS complex located around the parS sequence. Interactions between ParA and ParB proteins lead to the positioning of this complex at the center of the cell cytoplasm. After replication, two ParBS complexes exist and are segregated by the action of ParA proteins at positions 1/4 and 3/4 of the intracellular space.We first seek to explain the formation of ParBS complexes by a passive phase separation mechanism between high- and low-density states of ParB proteins in space. We construct two statistical physics models using tools borrowed from the physics of phase transitions. Our second approach rigorously defines all the elements of the biological system consisting of the interacting DNA-polymer and ParB proteins and allows us to formulate a first-order phase transition existence criterion that is verified by the DNA. We can draw the phase diagrams of this transition. These two models allow us to argue that the physiological thermodynamic regime of this biological system is a regime of metastable coexistence in ParB proteins on DNA. The parS sequence plays the role of a defect or nucleation seed. We use a third approach to explain the relationship between the three-dimensional and DNA distributions of ParB proteins around the parS sequence.We try to explain the fluorescence recovery curves from photobleaching experiments on ParBS complexes. We construct an in silico photobleaching method, i.e. we reproduce these recovery curves from a phenomenological equation solved numerically. We then develop a system of equations that describe the evolution of proteins on DNA from the previous statistical physical approach to produce an in silico photobleaching taking into account that ParBS complexes are the result of phase separation. We show that a pure passive system does not allow photobleaching experiments because of the Ostwald maturation undergone by the complexes. We correct this approach by including ParA proteins and their biochemical cycle in our simulations. We show that the interactions between ParA and ParB proteins and the hydrolysis of ATP allows the survival of several ParBS complexes thanks to an inversion mechanism of Ostwald's ripening. This fundamental approach explains the positioning of ParBS complexes during segregation.; Les organismes cellulaires apparaissent organisés. Les bactéries utilisent des compartiments sans membrane pour confiner les réactions chimiques dans l'espace et le temps. Il existe un paradigme général de l'auto-organisation de l'espace intracellulaire qui distingue les auto-assemblages, structures moléculaires assemblées par des mécanismes passifs de transition de phase, et les structures dissipatives, engendrés par exemple par des processus de réaction-diffusion. Si les auto-assemblages correspondent à l'évolution vers l'équilibre thermodynamique, les structures dissipatives sont des manifestations d'une dépense d'énergie hors équilibre thermodynamique. Nous illustrons ce paradigme en étudiant la ségrégation du matériel génétique chez les bactéries, en l'occurrence celle du plasmide F de Escherichia coli qui repose sur le système de partition ParABS. La ségrégation est une étape cruciale du cycle cellulaire bactérien puisqu'elle assure la transmission de l'information génétique dans les bactéries filles avant la division. Le système ParABS est constitué d'une séquence centromérique parS ; d'une protéine ParB capable de se lier à l'ADN, spécifiquement sur la séquence parS et non-spécifiquement ailleurs ; d'une protéine ATPase ParA capable de se lier à l'ADN. Les interactions entre protéines ParB sur l'ADN et l'adsorption spécifique sur la séquence parS mène à la formation d'un foyer tridimensionnel appelé complexe ParBS localisé autour de la séquence parS. Les interactions entre protéines ParA et ParB mènent au positionnement de ce complexe au centre du milieu cellulaire. Après réplication, deux complexes ParBS existent et son ségrégés par l'action des protéines ParA aux positions 1/4 et 3/4 de l'espace intracellulaire.Nous cherchons d'abord à expliquer la formation des complexes ParBS par un mécanisme passif de séparation de phase entre états de haute et basse densité en protéines ParB dans l'espace. Nous construisons deux modèles de physique statistique à l'aide d'outils empruntés à la physique des transitions de phase. Notre deuxième approche définit rigoureusement tous les éléments du système biologique constitué de l'ADN-polymère et des protéines ParB en interaction et nous permet de formuler un critère d'existence de transition de phase du premier ordre qui est vérifié par l'ADN. Nous parvenons à tracer les diagrammes de phase de cette transition. Ces deux modèles nous permettent d'argumenter que le régime thermodynamique physiologique de ce système biologique est un régime de coexistence métastable en protéines ParB sur l'ADN. La séquence parS joue le rôle d'un défaut ou d'une graine de nucléation. Nous utilisons une troisième approche pour expliciter le lien entre les distributions tridimensionnelle et sur l'ADN des protéines ParB autour de la séquence parS. Nous cherchons à expliquer les courbes de recouvrement de fluorescence issus d'expériences de photoblanchiment sur les complexes ParBS. Nous construisons une méthode de photoblanchiment in silico, c'est-à-dire que nous reproduisons ces courbes de recouvrement à partir d'une équation phénoménologique résolue numériquement. Nous développons un système d'équations qui décrivent l'évolution des protéines sur l'ADN à partir de l'approche physique statistique précédente pour produire un photoblanchiment in silico prenant en compte que les complexes ParBS sont issus d'une séparation de phase. Nous montrons qu'un pur système passif ne permet pas de faire des expériences de photoblanchiment à cause de la maturation d'Ostwald subie par les complexes. Nous corrigeons cette approche pour inclure les protéines ParA et leur cycle biochimique dans nos simulations. Nous montrons ainsi que les interactions entre les protéines ParA et ParB et l'hydrolyse de l'ATP permet la survie de plusieurs complexes ParBS grâce à un mécanisme d'inversion du murissement d'Ostwald. Cette approche fondamentale permet d'expliquer le positionnement des complexes ParBS durant la ségrégation.

Annick Lesne presents the contribution of renormalization methods to the understanding of critical phenomena, around the key concepts of scale invariance, universality class, and fractal dimension., Annick Lesne, Directrice de recherche au CNRS, Laboratoire de physique théorique de la matière condensée (LPTMC, UMR 7600) & Institut de génétique moléculaire de Montpellier (IGMM, UMR 5535).Annick Lesne présente l’apport des méthodes de renormalisation à la compréhension des phénomènes critiques, autour des concepts clés d’invariance d’échelle, de classe d’universalité, et de dimension fractale.

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019; Aachen 1 Online-Ressource (212 Seiten) : Illustrationen (2019). = Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019, The central question of systems biology is to understand how individual components of a biological system engage in novel behavior and produce unique phenomena with the system itself constraining the components. The evolution of disease-related phenotypes in biological cells is driven by emerging patterns arising from the mutual interactions of thousands of molecular entities of a similar type, such as genes or proteins. Each network of entities interact with the respective networks of other entities, where the nature of the detailed interaction across these multiple levels of molecular functionalities is not known. Nevertheless, network biology reveals generic organizational structures within the interaction networks of similar entities across the functional level. Moreover, in terms of systems theory, living cells are open systems in quasi-steady state type equilibrium in continuous exchange with their environment. Hence, it has been hypothesized that the translation of computational techniques that have been successfully applied in statistical thermodynamics in order to describe the evolution of emerging patterns as phase transitions in non-living systems may provide new insights to emerging behavior of biological systems. However, in contrast to complex interaction networks in physics, the topology of biological interaction networks is characterized by almost scale-free network topologies. Therefore, computational techniques in solid state physics requiring invariance groups in the interaction network topology, e.g. translational invariance, periodicities or symmetries, are not directly applicable to biological systems. Moreover, the size of the biological networks(𝑁 ≈ 10^5 to 10^6) is very small compared to structures in solid state physics. On the one hand, such that size-related effects may not be neglected, but are far too large for a brute force calculation of the sum over the states as well. In the first part of the thesis, we will systematically evaluate the translation of computational techniques from solid-state physics to biological interaction networks and develop specific translational rules to tackle the finite size problem, the topology problem and the challenge of the necessary reduction of complexity for the scale-free network topologies. We will focus our computational analysis on biological networks in a quasi-steady state with a focus on disease propagation in chronic diseases as well as dynamical networks arising from neurological challenges. Because of the high degree of uncertainty of the detailed biological mechanisms driving the respective networks in cells, we will focus our analysis on the established generic features in network biology which provide a reasonable approximation of the reality in single cells, namely systems where any entity can exhibit only two states. In addition, we present an approximation of the Ising model on scale-free networks by an Ising model on the lattice by approximating the adjacency matrix with an effective coupling constant. The latter part of the thesis focusses on modeling and analysis of neuronal networks. Neurons emit spikes when they reach a specific threshold voltage owing to input from external sources, usually neighboring neurons. Traditional schemes adopted to propagate neuron dynamics may miss spikes arriving from upstream neurons. We present a general method to catch these spikes using the geometric idea of back propagation of the threshold plane. Also, we present an analysis of calcium oscillations in dopaminergic neurons that distinguishes firing patterns of neural cells at early from advanced stages of differentiation based on their periodicity, the structure of correlation matrixes and spiking frequency. The methods outlined in this thesis offer a framework for investigating complexity in biologically relevant networks of large sizes and hence have applicability outside of the specific network types considered herein., Published by Aachen

In mechanical engineering, failure is a risk that must be anticipated and is still a threat for structures. The failure of pre-cracked systems occurs when the energy released by the propagation of the pre-existing crack exceeds a critical threshold (Griffith's energy release rate) which represents a property of the material. On the contrary, the failure of systems without pre-existing defects occurs when the applied stress reaches the strength, also property of the material. The existence of two criteria for failure suggests different driving mechanisms, which raises the question of intermediate cases with moderate stress concentrations. Different existing approaches are consistent with the two limit cases but there is no clear consensus in the scientific community.In this work, we study the mechanisms of brittle failure on the atomic scale in order to understand the underlying physical mechanisms. Macroscopic failure comes from the breaking of bonds at the atomic scale. We therefore use molecular simulation techniques to study the elementary physics of brittle failure initiation. Two types of atomic structure are studied. The first one is a triangular lattice toy model whose simplicity allows precise analytical interpretation of the molecular simulation results. The study is extended to a more realistic system: graphene. This material, which has a high strength and a rather low toughness in comparison, has one of the smallest process zones compared to other brittle materials, which makes it possible to apply the concepts of brittle failure up to the nanometric scale of molecular simulation. We first investigate the failure of materials at 0K. At this temperature, an atomic system is in static equilibrium. The breaking of bonds can be treated as instability. The analysis of the energy profile of the atomic system provides a means of identifying the mechanisms of failure. We show that we can identify failure initiation by looking for negative or zero eigenvalues of the Hessian matrix. The corresponding eigenvectors indicate the modes of failure and show the appearance of transition bands between motions of groups of atoms for intact systems, whose width recalls the size of the process zone, generally introduced in macroscopic theories of failure initiation. We also study the effect of defects on the instability modes and their degeneracy. This study provides a general technique to capture fracture initiation mechanisms irrespective of the stress concentration in the structure. We focus afterwards on finite temperatures. We study the combined effects of temperature, system size and loading rate. Starting from the kinetic theory, we identify general scaling laws providing a size-loading rate-temperature equivalence and relating the strength and toughness to the limit at 0K. The difference between the scaling law of strength and that of toughness lies in the fact that failure is not sensitive to the size of the pre-cracked system but to the number of crack tips. This indicates an essential statistical difference between strength and fracture failures which makes it possible to better understand the transition from one to the other.In order to better understand the transition between the two types of failure, we treat the case of elliptic holes with different aspect ratios and we focus at the same time on the effect of this transition on instability modes. We study in the last part the case of non-periodic structures with free surfaces. We determine the various parameters characterizing this situation and the effect of the presence of surface phenomena on instability modes; En ingénierie mécanique, la rupture des matériaux est un risque qu'il convient d'anticiper et qui reste aujourd'hui une menace pour les structures. La rupture des systèmes pré-fissurés a lieu quand l'énergie libérée par la propagation de la fissure préexistante excède un seuil critique (taux de restitution d'énergie) qui représente une propriété du matériau. Au contraire, la rupture de systèmes sans défauts préexistants survient lorsque la contrainte appliquée atteint la résistance, également propriété du matériau. L'existence de deux critères pour la rupture semble indiquer des mécanismes d'amorçage différents, ce qui soulève la question des cas réels intermédiaires qui présentent des concentrations de contrainte modérées. Différentes approches existantes sont cohérentes avec les deux situations limites mais il n'y a pas de consensus clair dans la communauté scientifique. Dans cette thèse, nous étudions les mécanismes de la rupture fragile à l'échelle atomique afin d'en comprendre l'origine physique pour différentes concentrations de contraintes. La rupture provient de la rupture des liaisons à l'échelle atomique. Nous utilisons donc des techniques de simulation moléculaire pour étudier la physique élémentaire de l'initiation de la rupture fragile. Dans ce but, on étudie deux types de structure atomique. Le premier est un matériau modèle à maille triangulaire, dont le potentiel permet d'interpréter analytiquement, et avec précision, les résultats des simulations moléculaires. L'étude est étendue à un système plus réel : le graphène. Ce matériau, qui présente une résistance élevée au regard de sa faible ténacité, a l'une des plus petites tailles de zone d'élaboration par rapport aux autres matériaux fragiles, ce qui permet d'appliquer numériquement les concepts de la rupture fragile jusqu'à l'échelle nanométrique de la simulation moléculaire. On s'intéresse dans un premier temps à la rupture des matériaux à 0K. À cette température, un système atomique est en équilibre statique. La rupture peut donc être traitée comme une instabilité. L'analyse du profil énergétique du système atomique fournit un moyen d'identifier les mécanismes de rupture. Nous montrons qu'on peut identifier la rupture en cherchant les valeurs propres nulles ou négative de la matrice hessienne. Les vecteurs propres correspondants indiquent les modes de rupture et montrent l'apparition de bandes de transition entre mouvements de groupes d'atomes pour des systèmes intacts, dont la largeur rappelle la longueur d'élaboration, généralement introduite dans des théories macroscopiques d'initiation de la rupture. On étudie aussi l'effet de la présence de défauts sur les modes d'instabilité et leur dégénérescence. Cette étude fournit une technique générale pour identifier les mécanismes d'initiation de rupture quelle que soit la concentration de contrainte dans la structure. On s'intéresse ensuite aux températures non nulles. On étudie les effets combinés de la température, de la taille du système et du taux de chargement. En partant de la théorie cinétique, nous montrons qu'il existe des lois d'échelle générales fournissant une équivalence taille-vitesse de chargement-température et permettant de relier résistance et ténacité à la limite à 0K. La différence entre la loi d'échelle en résistance et celle en ténacité réside dans le fait que la rupture ne soit pas sensible à la taille du système pré-fissuré mais au nombre de pointes de fissure. Cela indique une différence statistique essentielle entre la rupture en résistance et la fracture ce qui permet de mieux comprendre la transition de l'une à l'autre. Dans l'esprit de mieux comprendre la transition entre les deux types de rupture, on traite le cas de trous elliptiques à différents rapports d'aspects et on analyse en même temps l'effet de cette transition sur les modes d'instabilité. On étudie en dernière partie, l'effet des surfaces libres et les différents paramètres caractérisant cette situation

International audience

The purpose of this work is to understand how intrinsic shape of individual fibers controls the collective behavior of fiber stacks, in particular the mechanical (elasticity) and electrical properties. We consider long fibers, aligned towards one preferential direction with a significant disorder shape. Our study is experimental and numerical. We propose a two dimensions self consistent mean field model which describes the collective elasticity from the individual properties of fibers : the disorder distribution and the bending modulus. We obtain an equation of state which describes with a good agreement the stacks elasticity, without any fit parameters, however up to a multiplicative constant. We obtain similar results between experimental and numerical studies.; L'objectif de ce travail est de comprendre comment la forme intrinsèque des fibres individuelles contrôle les propriétés collectives des empilements, en particulier leurs propriétés mécaniques (élasticité) et électriques. Nous nous intéressons à des fibres longues, alignées selon une direction privilégiée et présentent un désordre de forme important. Notre étude est expérimentale et numérique. Nous proposons un modèle à deux dimensions, de champ moyen auto-cohérent, décrivant l'élasticité collective de l'empilement à partir des propriétés individuelles des fibres : leurs distribution de désordre ainsi que leurs module de courbure. Nous obtenons une équation d'état qui décrit avec un bon accord l'élasticité de nos empilements de fibres, sans paramètre ajustable, mais à un facteur multiplicatif près. Nous obtenons des résultats comparables entre les études expérimentale et numérique.

The purpose of this work is to understand how intrinsic shape of individual fibers controls the collective behavior of fiber stacks, in particular the mechanical (elasticity) and electrical properties. We consider long fibers, aligned towards one preferential direction with a significant disorder shape. Our study is experimental and numerical. We propose a two dimensions self consistent mean field model which describes the collective elasticity from the individual properties of fibers : the disorder distribution and the bending modulus. We obtain an equation of state which describes with a good agreement the stacks elasticity, without any fit parameters, however up to a multiplicative constant. We obtain similar results between experimental and numerical studies., L'objectif de ce travail est de comprendre comment la forme intrinsèque des fibres individuelles contrôle les propriétés collectives des empilements, en particulier leurs propriétés mécaniques (élasticité) et électriques. Nous nous intéressons à des fibres longues, alignées selon une direction privilégiée et présentent un désordre de forme important. Notre étude est expérimentale et numérique. Nous proposons un modèle à deux dimensions, de champ moyen auto-cohérent, décrivant l'élasticité collective de l'empilement à partir des propriétés individuelles des fibres : leurs distribution de désordre ainsi que leurs module de courbure. Nous obtenons une équation d'état qui décrit avec un bon accord l'élasticité de nos empilements de fibres, sans paramètre ajustable, mais à un facteur multiplicatif près. Nous obtenons des résultats comparables entre les études expérimentale et numérique.

International audience

Knits mechanical properties are fundamentally different from those of its constitutive yarn. For instance, a fabric knitted with an inextensible yarn demonstrates a surprising inclination for deformability. Like mechanical systems where geometry plays a preponderant role, such as origami, the mechanical response of knitted fabrics is governed by the pattern imposed on the yarn. In the process of knitting, the yarn is constrained to bend and to cross itself following a periodic pattern, anchoring its topology. The three factors which determine the mechanical response of a knit are the elasticity of the yarn, its topology, and friction between crossing strands. This thesis explores several phenomena that arise from the interplay of these factors. First, we focused on the elasticity of a knit. Working from experimental data, we developed a theory to decipher the mechanical response of model knits under traction, taking into account the unaltered topology, bending energy, and inextensibility of the yarn. Next, we explored fluctuations in the mechanical response of a knit. Those fluctuations originate from yarn-yarn friction, preventing free yarn redistribution in the stitch until a contact slides and triggers propagative slips. Measures of the force response and deformation fields reveal that those events follow an avalanching dynamic, including a power law distribution of their size. Finally, the impact of topology and metric on knit three-dimensional shapes, along with spontaneous configuration transitions in a knit structure, are studied., Les propriétés mécaniques d’un tricot diffèrent drastiquement de celles du fil dont il est constitué. Par exemple, une étoffe tricotée d’un fil inextensible présente une étonnante propension à la déformabilité. À l’instar des systèmes mécaniques où la géométrie joue un rôle prépondérant, tels les origamis, la réponse mécanique d’un tricot va être déterminée par le chemin imposé au fil. Lors du tricotage, le fil est contraint de se courber et de former des points de croisement suivant un motif répétitif, figeant de cette manière sa topologie. Les trois ingrédients sur lesquels repose la réponse mécanique d’un tricot sont l’élasticité du fil, sa topologie et le frottement aux contacts. Une sélection des nombreux phénomènes qui émergent du couplage entre ces ingrédients fait l’objet de cette thèse. Premièrement, l’intérêt a été porté sur l’élasticité du tricot. En se basant sur une expérience de traction d’un tricot-modèle, une théorie, qui vise à décrire cette réponse mécanique, a été construite en tenant compte de la conservation de la topologie, l’énergie de flexion et l’inextensibilité du fil. Dans un second temps, l’accent est mis sur les fluctuations de la réponse mécanique. Ces fluctuations ont pour origine la friction du fil qui empêche sa répartition dans la maille jusqu’à ce qu’un contact glisse brusquement, déclenchant alors une succession de glissements. La mesure de la réponse en force et du champ de déformations montrent que ces évènements suivent une dynamique d’avalanches. Enfin, l’action de la topologie et de la métrique du tricot sur sa forme tridimensionnelle, ainsi que la transition de configuration spontanée de la structure d’un tricot, ont été examinés.

The thermal-like behavior of a two-dimensional granular suspension maintained in an out-of equilibrium steady state is experimentally studied. We uncovered a state equation relating the density of particles and two measureable quantities that we interpret as a pressure and a temperature. The comparison of the equation of state to the hard disks one shows that there is attractive interaction between particles. The dependency of the temperature to the physical quantities of our suspension shows two regimes of fluctuations that we interpret as a viscous and an inertial regime. In the viscous regime, the system is additive: there is no long range correlation on fluctuations of density, which is surprising in a suspension where velocity correlations are usually known to be long ranged. Second, the system is subjected to liquid-to-crystal phase transition characterized by large fluctuations and heterogeneities that rise near the critical point. Heterogeneities are made of many locally crystallized patches of particles surrounded by a disordered fluid phase. The analysis of their morphologies shows scale invariance and allowed to extract several critical exponents using tools of percolation theory. Third, the energy flux which goes through the suspension in order to keep the system in a out of equilibrium steady state can be expressed simply with respect to physical quantities of the system, and shows that the way we inject energy is independent from the phase or the fluctuations regime of the system., Les comportements thermiques d'une suspension granulaire en deux dimensions maintenue dans un état stationnaire hors équilibre ont été étudiés expérimentalement. L'analyse de la distribution spatiale des particules a montré qu’il existe une équation d’état reliant la densité de particules et deux autres quantités mesurables que nous interprétons comme une température et une pression granulaire. Cette équation d’état révèle l’existence d’interactions interactions attractives entre les particules. De plus, la dépendance de cette température aux différentes quantités physiques du problème montre qu'il existe deux régimes de fluctuations, que nous interprétons comme des régimes inertiels et visqueux. Dans ce dernier régime, la suspension se comporte de manière additive : il n'existe pas de corrélations à longue portée sur les fluctuations de densité, ce qui est étonnant dans une suspension où les corrélations de vitesses sont connues pour être à longue portée. Deuxièmement, le système exhibe une transition de phase ordre/désordre caractérisée par de grandes fluctuations et des hétérogénéités qui émergent proche du point critique. Ces hétérogénéités sont constituées d'amas de particules localement cristallisées dans une phase fluide désordonnée. L'analyse de la morphologie de ces structures révèlent une invariance d'échelle et a permis d'extraire plusieurs exposants critiques à l'aide d'outils de la théorie de la percolation. Troisièmement, la puissance injectée pour maintenir le système dans un état stationnaire hors équilibre peut être relié simplement à certaines quantités physiques de la suspension, et montre que l'injection de l'énergie se fait de la même manière quelque soit la phase ou le régime de fluctuations de la suspension.

Résumé Cet article propose une synthèse d'un ouvrage qui pose les fondements d'une approche narratologique d'orientation stylistique et rhétorique visant à décrire avec le plus de précision possible le mécanisme des récits littéraires immersifs et intrigants. Partant du constat de l'existence d'une forte polysémie autour de la notion d'intrigue, je proposerai de partir d'une définition fonctionnelle apte à souligner le rapport étroit entre la dynamique du récit et la mise en intrigue, qui noue, entretien et dénoue une tension dans l'expérience esthétique. J’évoquerai également la manière dont la caractérisation des personnages et la mutabilité de leurs rôles peuvent déterminer de manière essentielle le profil de la tension narrative. Resumo: Este artigo fornece um resumo de um livro que estabelece as bases para uma abordagem estilística e retórica da narratologia cujo objetivo é descrever com a maior precisão possível o mecanismo de narrativas literárias imersivas e intrigantes. Observando a existência de uma forte polissemia em torno da noção de trama, proponho começar com uma definição funcionalista capaz de enfatizar a estreita relação entre a dinâmica narrativa e o empenho, que constrói, mantém e resolve a tensão na experiência estética. Eu também menciono como a caracterização dos personagens e a mutabilidade de seus papéis podem determinar de forma essencial o perfil da tensão narrativa. Abstract: This article provides a summary of a book that lays the foundation for a stylistical and rhetorical approach of narratology whose aim is to describe with the greatest possible precision the mechanism of immersive and intriguing literary narratives. Noting the existence of a strong polysemy around the notion of plot, I propose to start with a functionalist definition capable to emphasize the close relationship between narrative dynamics and emplotment, which builds, maintain, and resolve tension in the aesthetic experience. I also mention how the characterization of characters and the mutability of their roles can determine in an essential way the profile of narrative tension.

The increasing need for cross sections far from the valley of stability poses a challenge for nuclear reaction models. So far, predictions of cross sections have relied on more or less phenomenological approaches, depending on parameters adjusted to available experimental data or deduced from systematic expressions. While such predictions are expected to be reliable for nuclei not too far from the experimentally known regions, it is clearly preferable to use more fundamental approaches, based on sound physical principles, when dealing with very exotic nuclei. Thanks to the high computer power available today, all the ingredients required to model a nuclear reaction can now be (and have been) microscopically (or semi-microscopically) determined starting from the information provided by a nucleon-nucleon effective interaction. This concerns nuclear masses, optical model potential, nuclear level densities, photon strength functions, as well as fission barriers. All these nuclear model ingredients, traditionally given by phenomenological expressions, now have a microscopic counterpart implemented in the TALYS nuclear reaction code. We are thus now able to perform fully microscopic cross section calculations. The quality of these ingredients and the impact of using them instead of the usually adopted phenomenological parameters will be discussed. Perspectives for the coming years will be drawn on the improvements one can expect., info:eu-repo/semantics/published

Collective dynamics can be observed among many animal species, and have given rise in the last decades to an active and interdisciplinary field of study. Such behaviors are usually modeled by active matter, in which each individual is self-driven and tends to align its velocity with that of its neighbors.In a classical model introduced by Vicsek & al., as well as in numerous related active matter models, a phase transition between chaotic behavior at high temperature and global order at low temperature can be observed. Even though ample evidence of these phase transitions has been obtained for collective dynamics, from a mathematical standpoint, such active systems are not fully understood yet. Some progress has been achieved in the recent years under an assumption of mean-field interactions, however to this day, few rigorous results have been obtained for models involving purely local interactions.In this manuscript, we describe a lattice active particle system interacting locally to align their velocities. This thesis aims at rigorously obtaining, using the formalism developed for hydrodynamic limits of lattice gases, the scaling limit of this out-of-equilibrium system, for which numerous technical and theoretical difficulties arise., L'étude des dynamiques collectives, observables chez de nombreuses espèces animales, a motivé dans les dernières décennies un champ de recherche actif et transdisciplinaire. De tels comportements sont souvent modélisés par de la matière active, c'est-à-dire par des modèles dans lesquels chaque individu est caractérisé par une vitesse propre qui tend à s'aligner avec celle de ses voisins.Dans un modèle fondateur proposé par Vicsek et al., ainsi que dans de nombreux modèles de matière active liés à ce dernier, une transition de phase entre un comportement chaotique à forte température, et un comportement global et cohérent à faible température, a été observée. De nombreuses preuves numériques de telles transitions de phase ont été obtenues dans le cadre des dynamiques collectives. D'un point de vue mathématique, toutefois, ces systèmes actifs sont encore mal compris. Plusieurs résultats ont été obtenus récemment sous une approximation de champ moyen, mais il n'y a encore à ce jour que peu d'études mathématiques de modèles actifs faisant intervenir des interactions purement microscopiques.Dans ce manuscrit, nous décrivons un système de particules actives sur réseau interagissant localement pour aligner leurs vitesses. L'objet de cette thèse est l'obtention rigoureuse, à l'aide du formalisme des limites hydrodynamiques pour les gaz sur réseau, de la limite macroscopique de ce système hors-équilibre, qui pose de nombreuses difficultés techniques et théoriques.

In this thesis we try to understand why the maximum entropy production principlegives really good results in a wide range of Physics fields and notably in climatology. Thus we study this principle on classical toy models which mimic the behaviour of climat models. In particular we worked on the Asymmetric Simple Exclusion Process(ASEP) and on the Zero Range Process (ZRP). This enabled us first to connect MEP to an other principle which is the maximum Kolmogorov-Sinaï entropy principle (MKS). Moreover the application of MEP on these systems gives results that are physically coherent. We then wanted to extend this link between MEP and MKS in more complicated systems, before showing that, for Markov Chains, maximise the KS entropy is the same as minimise the time the system takes to reach its stationnary state (mixing time). Thus, we applied MEP to the atmospheric convection., Dans cette thèse nous essayons de comprendre pourquoi le Principe de Maximisation de Production d'Entropie (MEP) donne de très bons résultats dans de nombreux domaines de la physique hors équilibre et notamment en climatologie. Pour ce faire nous étudions ce principe sur des systèmes jouets de la physique statistique qui reproduisent les comportements des modèles climatiques. Nous avons notamment travaillé sur l'Asymmetric Simple Exclusion Process (ASEP) et le Zero Range Process (ZRP). Ceci nous a permis tout d'abord de relier MEP à un autre principe qui est le principe de maximisation d'entropie de Kolmogorov-Sinai (MKS). De plus, l'application de MEP à ces systèmes jouets donne des résultats physiquement cohérents. Nous avons ensuite voulu étendre le lien entre MEP et MKS dans des systèmes plus compliqués avant de montrer que, pour les chaines de Markov, maximiser l'entropie de KS revenait à minimiser le temps que le système prend pour atteindre son état stationnaire (mixing time). En fin nous avons appliqué MEP à la convection atmosphérique.

Evolution by natural selection involves the succession of three steps: mutations, selection and proliferation. We are interested in describing and characterizing the result of selection over a population of many variants. After selection, this population will be dominated by the few best variants, with highest propensity to be selected, or highest “selectivity”. We ask the following question: how is the selectivity of the best variants distributed in the population? Extreme value theory, which characterizes the extreme tail of probability distributions in terms of a few universality class, has been proposed to describe it. To test this proposition and identify the relevant universality class, we performed quantitative in vitro experimental selections of libraries of ≻10⁵ antibodies using the technique of phage display. Data obtained by high-throughput sequencing allows us to fit the selectivity distribution over more than two decades. In most experiments, the results show a striking power law for the selectivity distribution of the top antibodies, consistent with extreme value theory.; L'évolution par sélection naturelle se compose d'une succession de trois étapes : mutations, sélection et prolifération. Nous nous intéressons à la description et à la caractérisation du résultat d'une étape de sélection dans une population composée de nombreux variants. Après sélection, cette population va être dominée par les quelques meilleurs variants, ceux qui ont la plus grande capacité à être sélectionnés, ou plus grande « sélectivité ». Nous posons la question suivante : comment est distribuée la sélectivité des meilleurs variants dans la population? La théorie des valeurs extrêmes, qui caractérise les queues extrêmes des distributions de probabilités en terme de 3 classes d'universalités, a été proposée pour répondre à cette question. Pour tester cette proposition et identifier les classes d'universalités rencontrées dans ce genre de problème, nous avons procédé à une sélection quantitative de banques composées de 10⁵ variants d'anticorps grâce à la technique du phage display. Les données obtenues par séquençage à haut débit du résultat de la sélection de nos banques nous permettent d'ajuster la distribution de sélectivités obtenue sur plus de deux décades.

In this thesis, we focus on tools whose aim is to extract structural and temporal properties of dynamic networks as well as diffusion characteristics which can occur on these networks. We work on specific data, from the European MOSAR project, including the network of individuals proximity from time to time during 6 months at the Brek-sur-Mer Hospital. The studied network is notable because of its three dimensions constitution : the structural one induced by the distribution of individuals into distinct services, the functional dimension due to the partition of individual into groups of socio-professional categories and the temporal dimension.For each dimension, we used tools well known from the areas of statistical physics as well as graphs theory in order to extract information which enable to describe the network properties. These methods underline the specific structure of the contacts distribution which follows the individuals distribution into services. We also highlight strong links within specific socio-professional categories. Regarding the temporal part, we extract circadian and weekly patterns and quantify the similarities of these activities. We also notice distinct behaviour within patients and staff evolution. In addition, we present tools to compare the network activity within two given periods. To finish, we use simulations techniques to extract diffusion properties of the network to find some clues in order to establish a prevention policy.; Durant cette thèse, nous nous sommes intéressés aux outils permettant d'extraire les propriétés structurelles et temporelles de réseaux dynamiques ainsi que les caractéristiques de certains scénarios de diffusion pouvant s'opérer sur ces réseaux. Nous avons travaillé sur un jeu de données spécifiques, issu du projet MOSAR, qui comporte entre autre le réseau de proximité des personnes au cours du temps durant 6 mois à l'hôpital de Berk-sur-mer. Ce réseau est particulier dans le sens où il est constitué de trois dimensions: temporelle, structurelle par la répartition des personnes en services et fonctionnelle car chaque personne appartient à une catégorie socio-professionnelle. Pour chacune des dimensions, nous avons utilisé des outils existants en physique statistique ainsi qu'en théorie des graphes pour extraire des informations permettant de décrire certaines propriétés du réseau. Cela nous a permis de souligner le caractère très structuré de la répartition des contacts qui suit la répartition en services et mis en évidence les accointances entre certaines catégories professionnelles. Concernant la partie temporelle, nous avons mis en avant l'évolution périodique circadienne et hebdomadaire ainsi que les différences fondamentales entre l'évolution des interactions des patients et celle des personnels. Nous avons aussi présenté des outils permettant de comparer l'activité entre deux périodes données et de quantifier la similarité de ces périodes. Nous avons ensuite utilisé la technique de simulation pour extraire des propriétés de diffusion de ce réseau afin de donner quelques indices pour établir une politique de prévention.

Active systems, composed of particles capable of using the energy stored in theirmedium to self-propel, are ubiquitous in nature. They are found at all scales :from molecular motors to cellular tissues, bacterial colonies and animal groups.These out-of-equilibrium systems have attracted a lot of attention from the physicscommunity because they show a richer phenomenology than passive systems thatwe can still understand using simple models.In this thesis, we study analytically and numerically minimal models of activeparticles. They allow us to understand different phenomena that are characteristicof active matter and to study the large-scale behavior of several classes of systems.The thermodynamics of active systems is fundamentally different from thatof equilibrium systems. In particular, we show that the mechanical pressure ofan active particle fluid is not given by an equation of state. The pressure isnot a property of the fluid and depends on the details of the interaction with thecontaining vessel.We also study two phase transitions that specific to active matter : The motility-induced phase separation and the transition to collective motion. In both cases, weobserve a phase separation between a liquid and a gas and study their coexistence.For the transition to collective motion, we exhibit two universality classes, basedon the particles’ symmetry, which have different types of coexistence phases., Les systèmes actifs, composés de particules capables de transformer l’énergiestockée dans leur environnement pour s’autopropulser, sont omniprésents dans lanature. On les trouve à toutes les échelles : des moteurs moléculaires aux groupesd’animaux, en passant par les tissus cellulaires et les colonies de bactéries. Cessystèmes hors d’équilibre ont attiré l’attention des physiciens car ils présententune phénoménologie plus riche que les systèmes passifs, que l’on peut cependantcomprendre à partir de modèles simples.Dans cette thèse, nous avons étudié analytiquement et numériquement desmodèles minimaux de particules actives. Ceux-ci nous ont permis de comprendredifférents phénomènes spécifiques à la matière active et d’étudier le comportementà grand échelle de plusieurs classes de systèmes.La thermodynamique des systèmes actifs est fondamentalement différente decelle des systèmes d’équilibre. Nous montrons en particulier que la pression méca-nique d’un fluide de particules actives n’est pas donnée par une équation d’état.La pression n’est donc pas seulement une propriété du fluide et dépend du détaildes interactions avec les parois du récipient dans lequel il est confiné.Nous étudions également deux transitions de phase propres à la matière active :la séparation de phase induite par la motilité et la transition vers le mouvementcollectif. Dans les deux cas, on observe une séparation de phase entre un liquideet un gaz dont nous étudions la coexistence. Pour la transition vers le mouvementcollectif on distingue deux classes d’universalité, en fonction de la symétrie desparticules, qui ont des coexistences de phase différentes.

L’entropie est généralement considérée comme une propriété émergente, tandis que l’émergence de certaines structures organisées serait le résultat d’une dissipation d’entropie. Ainsi, l’émergence est parfois présentée comme ce qui expliquerait l’entropie alors que l’entropie expliquerait l’émergence. Tels quels, ces deux énoncés ne peuvent être tous deux vrais. Face à la polysémie déconcertante des concepts d’émergence, d’entropie et d’explication, je soutiens que cet apparent paradoxe peut être résolu formellement ainsi : l’émergence (en un sens A) explique (en un sens B) l’entropie (en un sens C) et l’entropie (en un sens D) explique (en un sens E) l’émergence (en un sens F). La solution revient donc à préciser A, B, C, D, E, et F. Pour ce faire, je propose un modèle pluraliste (restreint) de l’explication et un examen critique du concept d’entropie. Dans le cas de l’entropie comme explanandum de l’émergence (A, B et C), ce qui émerge est l’irréversibilité comme propriété essentielle de l’entropie thermodynamique, mais l’émergence ne peut être synonyme de non-explicabilité. Je montre alors trois possibilités où l’émergence peut expliquer l’entropie thermodynamique : selon (i) un sens fort, comme une modalité ontologique, (ii) selon un sens intermédiaire d’après ce que j’appelle l’émergence méthodologique (où il y a possibilité d’explication réductive sans réduction dérivationnelle), et (iii) selon un sens faible, comme sa désignation comme membre d’une classe d’émergents. Dans le cas de l’entropie comme explanans de l’émergence (D, E, et F), il faut distinguer l’approche substantielle de l’approche analogique. Dans le premier cas, l’entropie renvoie à une propriété macroscopique robuste et autonome pouvant être mobilisée au sein d’un explanans de l’émergence de nouvelles structures complexes. Dans le second cas, l’entropie exemplifie la réalisabilité multiple et peut être mobilisée, modulo une justification, au sein d’un explanans de l’émergence de propriétés à des niveaux supérieurs. En définitive, la polysémie de ces concepts peut être fructueuse au sein de ce cadre explicatif de phénomènes divers et complexes, de la physique à la biologie., Entropy is generally considered as an emergent property, while the emergence of certain organized structures is supposed to be the result of entropy dissipation. Thus, emergence is sometimes seen as explaining entropy, whereas sometimes the explanation is the other way around, as entropy would explain emergence. As such both statements cannot be true. Faced with the daunting polysemy of these concepts of emergence, entropy and explanation, I argue that this apparent paradox can be formally solved as follows: the emergence (in a sense A) explains (in a sense B) entropy (in a sense, C) and entropy (in a sense D) explains (in a sense E) emergence (in a sense F). The solution is therefore to specify A, B, C, D, E, and F. To do this, I suggest a (restricted) pluralistic model of explanation and a critical examination of the concept of entropy. In the case of entropy as explanandum of emergence (A, B and C), what is emerging is irreversibility as an essential property of thermodynamic entropy, but it cannot be emergence of synonymous of non-explicability. I then show three possibilities that can explain the emergence of thermodynamic entropy: (i) in a strong sense, as an ontological modality, (ii) in an intermediate sense, from what I call ‘methodological emergence’ (where there is a possibility of reductive explanation but no derivational reduction), or (iii) in a weak sense, as its designation as a member of an emergence class. In the case of entropy as explanans of emergence (D, E, and F), one must distinguish the substantive approach from the analogical approach. In the first case, entropy refers to a robust and autonomous macroscopic property that can be mobilized in an explanans of the emergence of new complex structures. In the second case, the entropy exemplifies multiple realizability and can be mobilized, with a proper justification, within an explanans of the emergence of properties at higher levels. Ultimately, the polysemy of these concepts can be fruitful in this explanatory framework for various complex phenomena, from physics to biology., Thèse effectuée en cotutelle avec l’Université de Montréal et l’Université Paris 1 Panthéon-Sorbonne (IHPST)

Scale invariance, collective behaviours and structural reorganization are crucial for portfolio management (portfolio composition, hedging, alternative definition of risk, etc.). This lack of any characteristic scale and such elaborated behaviours find their origin in the theory of complex systems. There are several mechanisms which generate scale invariance but maximum entropy models are able to explain both scale invariance and collective behaviours.The study of the structure and collective modes of financial markets attracts more and more attention. It has been shown that some agent based models are able to reproduce some stylized facts. Despite their partial success, there is still the problem of rules design. In this work, we used a statistical inverse approach to model the structure and co-movements in financial markets. Inverse models restrict the number of assumptions. We found that a pairwise maximum entropy model is consistent with the data and is able to describe the complex structure of financial systems. We considered the existence of a critical state which is linked to how the market processes information, how it responds to exogenous inputs and how its structure changes. The considered data sets did not reveal a persistent critical state but rather oscillations between order and disorder.In this framework, we also showed that the collective modes are mostly dominated by pairwise co-movements and that univariate models are not good candidates to model crashes. The analysis also suggests a genuine adaptive process since both the maximum variance of the log-likelihood and the accuracy of the predictive scheme vary through time. This approach may provide some clue to crash precursors and may provide highlights on how a shock spreads in a financial network and if it will lead to a crash. The natural continuation of the present work could be the study of such a mechanism., Doctorat en Sciences économiques et de gestion, info:eu-repo/semantics/nonPublished

We propose a new parametrization of the distribution of the initial eccentricity in a nucleus-nucleus collision at a fixed centrality, which we name the Elliptic Power distribution. It is a two-parameter distribution, where one of the parameters corresponds to the intrinsic eccentricity, while the other parameter controls the magnitude of eccentricity fluctuations. Unlike the previously used Bessel- Gaussian distribution, which becomes worse for more peripheral collisions, the new Elliptic Power distribution fits several Monte Carlo models of the initial state for all centralities., Revised; Appendix C added. The published version

By means of a stress imposed rheometer coupled with a "vibrating cell", generating a Brownian motion at a macroscopic scale into the samples, we have shown that dense-phase vibrated powders exhibit rheological behaviours archetypal of non-Newtonian visco-elastic fluids and show very close analogies with molecular media near their glass transition. These behaviours have been described through a "free volume" structural model based on a phenomenological two-state approach related to the inherent bimodal behaviour of chain forces in granular packing, the transition between these two states being induced by shear and vibrations. The dynamics of the contact network is described via a kinetic equation accounting for the dynamics of the contact network. To allow experimental assessment, the kinetic equation is turn into a differential constitutive equation, relating stress to strain, from which rheological properties can be derived. Its integration allows predicting and describing several rheological behaviours, in stationary and non-stationary conditions: elastic linear (Hookean) and nonlinear, viscous linear (Newtonian), viscoelastic linear (Maxwellian) and frictional (Coulombian). In addition, a "time-granular temperature superposition principle", inherent to free volume theories and theoretically predicted by the model, has been experimentally verified, the granular temperature being controlled by the energy of vibration.; A l'aide d'un nouveau prototype de rhéomètre à poudre, couplé à une cellule vibrante capable de générer un mouvement brownien à l'échelle macroscopique au sein des échantillons, nous avons montré que les milieux granulaires denses, sous vibrations, se comportent comme des fluides condensés non-newtoniens viscoélastiques et présentent des analogies très étroites avec les milieux moléculaires au voisinage de leur transition vitreuse. Sur la base de ces résultats, nous avons élaboré un modèle de type "volume libre", fondé sur une approche phénoménologique de type système à deux états, associés au caractère bimodal des chaînes de forces dans les empilements granulaires, la transition entre ces états étant induite par les vibrations et le cisaillement. La dynamique du réseau de contacts est ainsi formalisée par une équation cinétique décrivant les probabilités de transitions entre ces deux états. Afin de confronter la théorie à l’expérience via des tests rhéologiques, une équation constitutive différentielle, reliant la contrainte à la déformation, est déduite de l’équation cinétique. Son intégration permet de décrire et de prédire les comportements rhéologiques observées expérimentalement en régimes stationnaires et transitoires, en présence et en l'absence de vibrations: élastique linéaire (hookéen) et non-linéaire, visqueux linéaire (newtonien), viscoélastique linéaire (maxwellien) et frictionnel (coulombien). De plus, l'existence d'un principe de superposition "temps-température granulaire", inhérent aux théories de volume libre et théoriquement prédit par le modèle, a été confirmé par l'expérience, la température granulaire étant contrôlée par l'énergie de vibration.

By means of a stress imposed rheometer coupled with a "vibrating cell", generating a Brownian motion at a macroscopic scale into the samples, we have shown that dense-phase vibrated powders exhibit rheological behaviours archetypal of non-Newtonian visco-elastic fluids and show very close analogies with molecular media near their glass transition. These behaviours have been described through a "free volume" structural model based on a phenomenological two-state approach related to the inherent bimodal behaviour of chain forces in granular packing, the transition between these two states being induced by shear and vibrations. The dynamics of the contact network is described via a kinetic equation accounting for the dynamics of the contact network. To allow experimental assessment, the kinetic equation is turn into a differential constitutive equation, relating stress to strain, from which rheological properties can be derived. Its integration allows predicting and describing several rheological behaviours, in stationary and non-stationary conditions: elastic linear (Hookean) and nonlinear, viscous linear (Newtonian), viscoelastic linear (Maxwellian) and frictional (Coulombian). In addition, a "time-granular temperature superposition principle", inherent to free volume theories and theoretically predicted by the model, has been experimentally verified, the granular temperature being controlled by the energy of vibration.; A l'aide d'un nouveau prototype de rhéomètre à poudre, couplé à une cellule vibrante capable de générer un mouvement brownien à l'échelle macroscopique au sein des échantillons, nous avons montré que les milieux granulaires denses, sous vibrations, se comportent comme des fluides condensés non-newtoniens viscoélastiques et présentent des analogies très étroites avec les milieux moléculaires au voisinage de leur transition vitreuse. Sur la base de ces résultats, nous avons élaboré un modèle de type "volume libre", fondé sur une approche phénoménologique de type système à deux états, associés au caractère bimodal des chaînes de forces dans les empilements granulaires, la transition entre ces états étant induite par les vibrations et le cisaillement. La dynamique du réseau de contacts est ainsi formalisée par une équation cinétique décrivant les probabilités de transitions entre ces deux états. Afin de confronter la théorie à l’expérience via des tests rhéologiques, une équation constitutive différentielle, reliant la contrainte à la déformation, est déduite de l’équation cinétique. Son intégration permet de décrire et de prédire les comportements rhéologiques observées expérimentalement en régimes stationnaires et transitoires, en présence et en l'absence de vibrations: élastique linéaire (hookéen) et non-linéaire, visqueux linéaire (newtonien), viscoélastique linéaire (maxwellien) et frictionnel (coulombien). De plus, l'existence d'un principe de superposition "temps-température granulaire", inhérent aux théories de volume libre et théoriquement prédit par le modèle, a été confirmé par l'expérience, la température granulaire étant contrôlée par l'énergie de vibration.

We have determined by grazing incidence X-ray scattering the interaction potential between two lipid bilayers, one adsorbed on a solid surface and the other floating close by. We find that interactions in this highly hydrated system are two orders of magnitude softer than in previously reported work on multilayer stacks. This is attributed to the weak electrostatic repulsion due to the small fraction of ionized lipids in defectless supported bilayers. We also access the entropic repulsion potentials, allowing us to discriminate between the different existing models. The effects of an electric field on the properties of membranes have also been studied. We show that the field induces a negative tension and an increase of the rigidity. We also show that it is possible to destabilize a supported bilayer by an electric field under certain conditions. Finally, we measure the properties of charged membranes using X-ray scattering, giving access to the limits of the Poisson-Boltzmann theory., Nous avons déterminé par diffusion de rayons X le potentiel d'interaction entre deux bicouches, une première adsorbée sur un substrat solide et une deuxième flottant à proximité. Nous montrons que les interactions dans ces systèmes fortement hydratés sont deux ordres de grandeur plus faibles que dans les travaux précédents menés sur des phases multilamellaires. Cette caractéristique est attribuée à la répulsion électrostatique due à la faible fraction de lipides ionisés. Nous avons de plus accès aux potentiels de répulsion entropique, et testons les différents modèles théoriques existants. Les effets d'un champ électrique sur les membranes ont également été étudiés. Nous montrons que le champ induit une tension négative et une rigidité positive, et mène à la déstabilisation d'une bicouche supportée sous certaines conditions. Finalement, nous mesurons les propriétés de membranes chargées par diffusion de rayons X, nous permettant d'accéder aux limites de la théorie de Poisson-Boltzmann.

Phase noise plays an important role in the performances of electronic oscillators. Traditional approaches describe the phase noise problem as a purely diffusive process. In this paper we develop a novel phase model reduction technique for phase noise analysis of nonlinear oscillators subject to stochastic inputs. We obtain analytical equations for both the phase deviation and the probability density function of the phase deviation. We show that, in general, the phase reduced models include non Markovian terms. Under the Markovian assumption, we demonstrate that the effect of white noise is to generate both phase diffusion and a frequency shift, i.e. phase noise is best described as a convection-diffusion process. The analysis of a solvable model shows the accuracy of our theory, and that it gives better predictions than traditional phase models.

This thesis has grown at the interface between statistical physics and signal processing, combining the perspectives of both disciplines to study the issues of sums and maxima of random variables. Three main axes, venturing beyond the classical (i.i.d) conditions, have been explored: The importance of rare events, the coupling between the behavior of individual random variable and the size of the system, and correlation. Together, these three axes have led us to situations where classical convergence theorems are no longer valid.To improve our understanding of the impact of the coupling with the system size, we have studied the behavior of the sum and the maximum of independent random variables raised to a power depending of the size of the signal. In the case of the maximum, we have brought to light non standard limit laws. In the case of the sum, we have studied the link between linearisation effect and glass transition in statistical physics. Following this link, we have defined a critical moment order such that for a multifractal process, this critical order does not depend on the signal resolution. Similarly, a critical moment estimator has been designed and studied theoretically and numerically for a class of independent random variables.To gain some intuition on the impact of correlation on the maximum or sum of random variables, following insights from statistical physics, we have constructed a class of random variables where the joint distribution probability can be expressed as a matrix product. After a detailed study of its statistical properties, showing that these variables can exhibit long range correlations, we have managed to recast this model into the framework of Hidden Markov Chain models, enabling us to design a synthesis procedure. Finally, we conclude by an in-depth study of the limit behavior of the sum and maximum of these random variables.; Cette thèse s'est développée à l'interface entre physique statistique et traitement statistique du signal, afin d'allier les perspectives de ces deux disciplines sur les problèmes de sommes et maxima de variables aléatoires. Nous avons exploré trois axes d'études qui mènent à s'éloigner des conditions classiques (i.i.d.) : l'importance des événements rares, le couplage avec la taille du système, et la corrélation. Combinés, ces trois axes mènent à des situations dans lesquelles les théorèmes de convergence classiques sont mis en défaut.Pour mieux comprendre l'effet du couplage avec la taille du système, nous avons étudié le comportement de la somme et du maximum de variables aléatoires indépendantes élevées à une puissance dépendante de la taille du signal. Dans le cas du maximum, nous avons mis en évidence l'apparition de lois limites non standards. Dans le cas de la somme, nous nous sommes intéressés au lien entre effet de linéarisation et transition vitreuse en physique statistique. Grâce à ce lien, nous avons pu définir une notion d'ordre critique des moments, montrant que, pour un processus multifractal, celui-ci ne dépend pas de la résolution du signal. Parallèlement, nous avons construit et étudié, théoriquement et numériquement, les performances d'un estimateur de cet ordre critique pour une classe de variables aléatoires indépendantes.Pour mieux cerner l'effet de la corrélation sur le maximum et la somme de variables aléatoires, nous nous sommes inspirés de la physique statistique pour construire une classe de variable aléatoires dont la probabilité jointe peut s'écrire comme un produit de matrices. Après une étude détaillée de ses propriétés statistiques, qui a montré la présence potentielle de corrélation à longue portée, nous avons proposé pour ces variables une méthode de synthèse en réussissant à reformuler le problème en termes de modèles à chaîne de Markov cachée. Enfin, nous concluons sur une analyse en profondeur du comportement limite de leur somme et de leur maximum.

The thesis proposes a numerical study and modelling of the transition to turbulence in plane Couette flow. It is focused on the laminar-turbulent oblique bands regime at the centre of the transition. Two types of approaches are taken, based on the scales considered. On the one hand, one can study the microscopic details of the flow. Direct Numerical simulations are used to identify and characterise a shear instability that creates spanwise vorticity, and allows to measure the advection velocity of these perturbations. The modelling of the background turbulent flow is used to study the instability in term of linear analysis. The convective/absolute transition in the intermediate zone between turbulent and pseudo-laminar flow is emphasised. From these data, a description of the sustaining of turbulence in term of a cycle is proposed. On the other hand, the flow can be seen at the scale of the band. Statistical tools are used to study the oblique band in term of pattern formation. The effect of the intrinsic turbulent noise is studied, particularly with the orientation fluctuation of the band. The modelling in term of Landau--Langevin and corresponding Fokker--Planck equation draws a parallel with the noisy pattern formation and critical phenomena. Using this model, the orientation fluctuations can be understood in term of mean first passage time. Eventually, several topics are considered from both points of view. The study of relaminarisations both at the threshold of disappearance of turbulence and of appearance of the bands helps to identify the mechanisms of local death of turbulence. The study of turbulent spots presents part of their zoology and helps to study the small scale mechanisms at higher Reynolds numbers., La thèse propose une étude numérique et une modélisation de la transition vers la turbulence dans l'écoulement de Couette plan. On se concentre particulièrement sur le régime de bandes oblique laminaire turbulentes, au coeur de la transition. On suit deux types d'approches selon le type d'échelles considérées. D'une part on étudie le détail à petite échelle de l'écoulement. A l'aide de DNS, une instabilité de cisaillement créant de la vorticité transverse est mise en évidence, et la vitesse d'advection des perturbations est mesurée. La modélisation de l'écoulement turbulent et cette instabilité vient confirmer ces mécanismes et met en évidence la transition absolue/convective à l'entrée des bandes. une description du maintien de la turbulence en termes de cycle auto-entretenu est proposée. D'autre part, on étudie l'écoulement 'a l'échelle de la bande. Des outils statistiques permettent d'étudier les bandes en termes de formation de motif. L'effet du bruit intrinsèque issu de la turbulence est mis en évidence, en particulier dans les changements d'orientation. La modélisation du motif en termes d'équation de Landau-Langevin et d'équation de Fokker-Planck correspondante fait le parallèle avec les motifs bruités et les phénomènes critiques. Partant de ce modèle on peut comprendre les retournements en termes de temps de premier passage moyen. Finalement, on regarde deux autres types de problèmes en couplant les approches microscopiques et macroscopiques. L'étude des relaminarisations tant au seuil de disparition de la turbulence qu'au seuil d'apparition du motif permet de mettre en évidence les mécanismes de disparition de la turbulence. L'étude de spots turbulents propose un aperçu de leur zoologie et permet d'approcher les mécanismes petite échelle à plus grand nombre de Reynolds.

Prévoir quand et comment les solides cassent est loin d’être une mince affaire ! En effet, le comportement en rupture observé à l’échelle macroscopique dépend crucialement de la structure du matériau à une échelle fine, et de processus locaux (endommagement, plasticité, décohésions, réactions chimiques avec l'environnement, etc…) qu'il serait impossible de prendre en compte individuellement. Ces mécanismes sont traditionnellement pris en compte par les ingénieurs comme perturbations autour d'un matériau effectif parfaitement homogène. Cette approche souffre de limitations importantes: Une fissure n'étant sensible qu'au champ de contraintes présent dans un voisinage plus ou moins étendu de sa pointe, il est impossible, pour calculer la ténacité, le seuil de rupture ou la durée de vie d'un matériau, de le remplacer par un « matériau effectif » dont les propriétés seraient une moyenne de celle des différents éléments de microstructure qui le composent.. Les travaux, principalement expérimentaux, qui seront présentés au cours de cette soutenance d’habilitation visent à mieux comprendre et décrire les relations entre la microstructure d'un matériau et ses propriétés mécaniques de rupture. Nous verrons notamment comment interpréter les motifs et rugosités observées post-mortem sur les faciès de rupture ; comment expliquer la dynamique intermittente observée pendant la propagation lente d’une fissure dans un matériau hétérogène et, à une autre échelle, dans l’activité sismique associée aux tremblements de terre; et comment rendre compte des vitesses de fissuration observées lors de la rupture dynamique des verres polymériques fragiles.