Comment les animaux se colorent avec des structures à l’échelle nanométrique

Viviane Callier pour Quantamagazine revient sur le spectre fascinant des couleurs dont se revêtent certains animaux :

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Les animaux sculptent les propriétés optiques de leurs tissus à l’échelle nanométrique pour se donner des « couleurs structurelles ». De nouveaux travaux ont permis de comprendre comment ils s’y prennent.

Paons, caméléons panthères, aras écarlates, poissons clowns, toucans, pieuvres à anneaux bleus et bien d’autres encore : Le règne animal compte d’innombrables habitants à la beauté extraordinairement colorée. Mais dans de nombreux cas, les scientifiques en savent beaucoup plus sur la façon dont les animaux utilisent leurs couleurs que sur la façon dont ils les fabriquent. De nouveaux travaux continuent de révéler ces secrets, qui dépendent souvent de l’auto-assemblage fantastiquement précis de caractéristiques minuscules dans et sur les plumes, les écailles, les poils et la peau – un fait qui rend les réponses extrêmement intéressantes pour les physiciens de la matière molle et les ingénieurs de l’industrie photonique.

De nombreuses couleurs observées dans la nature, notamment dans le règne végétal, sont produites par des pigments, qui reflètent une partie du spectre lumineux tout en absorbant le reste. Les pigments verts, comme la chlorophylle, reflètent la partie verte du spectre, mais absorbent les grandes longueurs d’onde rouges et jaunes, ainsi que les petites longueurs d’onde bleues. Les longueurs d’onde spécifiques qui sont réfléchies ou absorbées dépendent de la composition moléculaire du pigment et des distances exactes entre les atomes de ses structures moléculaires.

Les plantes étant des maîtres de la synthèse biochimique, leurs cellules peuvent concocter de nombreux types de pigments, mais les animaux, dans l’ensemble, ont perdu les voies métaboliques permettant de fabriquer la plupart d’entre eux. La mélanine, le pigment prédominant chez les animaux, est soit brune (eumélanine), soit jaune rougeâtre (phéomélanine) – une palette plutôt limitée. Pour fabriquer l’arc-en-ciel de couleurs plus riches dont ils ont besoin pour se décorer et se déguiser, pour courtiser leurs partenaires et pour éloigner les prédateurs, les animaux peuvent souvent obtenir les pigments nécessaires dans leur alimentation. Les rouges et les jaunes vifs des oiseaux, par exemple, proviennent principalement des pigments caroténoïdes présents dans leur nourriture.

L’extrémité bleue du spectre, en revanche, représente un défi différent, car peu de pigments bleus sont disponibles dans la nature. Pourtant, les geais bleus, les tétras néon, les grenouilles de plomb et bien d’autres animaux ont trouvé une solution qui ne repose pas sur les pigments, en développant des astuces optiques pour produire des bleus (et certains verts) d’une manière différente. Ils créent ce que l’on appelle des couleurs structurelles.

Les couleurs structurelles agissent comme des filtres qui ne laissent passer que certaines longueurs d’onde. Leurs mécanismes photoniques spécifiques varient d’une espèce à l’autre, mais ils fonctionnent parce que les structures à l’échelle nanométrique de leurs matériaux sont comparables aux longueurs d’onde de la lumière. Ces structures diffractent différemment les couleurs de la lumière et créent des effets d’interférence.

« Il s’agit d’avoir de multiples structures minuscules qui diffusent la lumière, puis de faire interagir ces ondes diffusées – cette interaction renforcera certaines couleurs et éliminera les autres« , explique Richard Prum, expert de la coloration des plumes d’oiseaux à l’université de Yale.

Cette approche structurelle de la coloration présente l’avantage de l’adaptabilité : « Peu importe le matériau avec lequel on le fabrique, tant qu’il est transparent« , explique Mathias Kolle, qui étudie les matériaux optiques d’inspiration biologique au Massachusetts Institute of Technology.

Les couleurs structurelles ont aussi souvent l’attrait visuel de l’iridescence. Étant donné que la lumière réfléchie par le haut d’une couche de couleur structurelle peut être déphasée par rapport à la lumière réfléchie par le bas, la couleur peut sembler s’éclaircir ou changer de teinte lorsqu’elle est vue sous différents angles. Cet effet est frappant dans le bleu vif des papillons morphos, par exemple. Les écailles d’une aile de papillon morpho sont sculptées de minuscules rainures bordées de protubérances en forme d’arbre qui diffractent et réfléchissent les ondes lumineuses, les faisant interférer entre elles d’une manière qui produit un bleu irisé.

Dans une étude de 2015, Kolle et ses collègues ont rapporté leur découverte de la façon dont un mollusque, la patelle à rayons bleus, génère les bandes bleues vives distinctives sur sa coquille. Les couches de cristaux de carbonate de calcium transparents de la coquille sont disposées en de multiples feuilles microscopiques, chaque couche diffractant et réfléchissant un éclat de lumière. Les ondes lumineuses diffractées interagissent entre elles ; selon l’épaisseur de chaque couche et la longueur d’onde de la lumière, les ondes s’additionnent ou s’annulent. En choisissant la bonne épaisseur de couche (100 nanomètres), la patelle fait en sorte que toutes les longueurs d’onde, sauf les bleues, s’annulent.
Deux photos montrant une patelle à rayons bleus et une coupe transversale des couches nanostructurées qui colorent sa coquille.

D’autres animaux exploitent des phénomènes similaires dans leurs couleurs structurelles. Par exemple, l’une des astuces derrière l’art du changement de couleur des pieuvres et autres céphalopodes est que certaines des cellules chromatophores de leur peau contiennent des couches de protéines appelées réflectines qui peuvent rapidement passer d’un état ordonné à un état désordonné. En épaississant et en amincissant ces couches, les animaux peuvent réfléchir différentes longueurs d’onde et modifier les couleurs qu’ils montrent au monde.

Contrairement à la pieuvre, cependant, la patelle ne peut pas changer la forme de ses couches après qu’elles aient été déposées. La façon dont la patelle construit la structure en couches avec une telle précision reste un mystère. « La dynamique de la science des matériaux qui la sous-tend est incroyablement incomprise« , a déclaré M. Kolle. Mais les travaux de Prum, de Vinod Saranathan, du Yale-NUS College, de l’Université nationale de Singapour et d’autres chercheurs ont permis, ces dernières années, de mieux comprendre comment certains oiseaux produisent les couleurs structurelles de leur plumage bleu brillant : un processus de séparation de phases.

À fort grossissement, les barbes (filaments) colorées des plumes ont une structure mousseuse, avec de petites sphères d’air uniformes en suspension dans la protéine bêta-kératine. La lumière diffusée par chaque bulle d’air interagit avec la lumière qui rebondit sur les bulles voisines. « Et parce qu’elles ont la bonne taille pour le faire, elles produisent une couleur bleue, turquoise ou ultraviolette« , explique M. Prum.

Des études indiquent qu’à l’intérieur des cellules d’une plume d’oiseau en développement, la bêta-kératine est d’abord distribuée dans le cytoplasme aqueux. Des changements chimiques dans la cellule provoquent la séparation spontanée de la bêta-kératine et de l’eau, créant des gouttelettes d’eau sphériques dans une matrice de protéines polymérisées. Après la mort de la cellule, l’eau s’évapore et les espaces se remplissent d’air, laissant une boule miniature de bulles d’air qui reflète la lumière à la bonne longueur d’onde.

Prum compare ce processus à l’ouverture d’une bouteille de bière. « Soudain, vous obtenez une condensation – le dioxyde de carbone dissous forme une bulle, et la bulle grandit jusqu’à une certaine taille, puis flotte vers le haut« , a-t-il déclaré. « Ce truc ressemble exactement à la tête d’une bière ».

Dans les plumes bleues des geais bleus et de la plupart des autres oiseaux, ces bulles sont désordonnées. Mais au moins une espèce, l’oiseau à ailes bleues d’Asie du Sud-Est, tire le bleu chatoyant de ses plumes d’épaule de cristaux de bulles parfaitement ordonnés, comme Saranathan, Prum et leurs collègues l’ont rapporté dans les Actes de l’Académie nationale des sciences le 8 juin. Les chercheurs ont découvert ces cristaux gyroïdes lorsqu’ils ont placé les plumes de l’oiseau feuille sous une puissante ligne de faisceaux de rayons X à l’Argonne National Laboratory.

Le gyroïde, une surface minimale continue qui forme une structure hautement périodique, est en quelque sorte l’inverse d’une sphère : Alors qu’une sphère a une courbure positive uniforme, le gyroïde est un objet en forme de selle avec une courbure négative uniforme. L’une de ses particularités est qu’il divise l’espace en deux labyrinthes de systèmes de tunnels, séparés par une membrane, qui se reflètent parfaitement l’un l’autre. Lorsque les deux ensembles de tunnels sont remplis de fluide à l’intérieur d’une cellule vivante, la structure est connue sous le nom de double gyroïde ; lorsqu’un seul ensemble de tunnels est rempli, la structure est un simple gyroïde.

 

Les monocristaux de gyroïde de l’oiseau feuille présentent la même propriété optique que les couches de la patelle. « Vous avez des changements localement périodiques de l’indice de réfraction« , ou un arrangement périodique de différents matériaux diffusant la lumière, a expliqué Bodo Wilts, un physicien de la matière molle à l’Institut Adolphe Merkle de Fribourg, en Suisse.

Auparavant, les gyroïdes simples n’avaient été observés dans la nature qu’à l’échelle de quelques papillons, comme l’ont signalé Saranathan, Prum et leurs collègues en 2010. Gerd Schröder-Turk, qui étudie les matériaux biophotoniques à l’université Murdoch en Australie, et ses collègues ont montré que lorsque ces écailles se développent, la membrane du réticulum endoplasmique dans les cellules de l’écaille forme une feuille avec un fluide de chaque côté, créant ainsi un double gyroïde. L’un des tunnels se remplit alors de chitine et se solidifie. Lorsque les cellules meurent, elles laissent derrière elles un seul gyroïde.

Les chercheurs pensaient que ce processus de moulage ou de modélisation était la seule façon dont les gyroïdes simples pouvaient se former dans la nature. Au lieu de cela, tout porte à croire que l’oiseau feuille fabrique ses gyroïdes de la même manière que son proche parent le geai bleu fabrique ses boules de bulles désordonnées – par séparation de phases. Selon Saranathan et Prum, c’est quelque chose qui n’aurait pas pu être prédit sur la base de la théorie existante en physique de la matière molle.

Cette découverte suggère que des cristaux de ce type peuvent s’auto-assembler, ce qui est encourageant pour les ingénieurs qui cherchent de meilleurs moyens de fabriquer des matériaux pour des applications photoniques. Pour transmettre plus efficacement la lumière bleue, par exemple, un câble à fibres optiques pourrait être revêtu du type de matériau réfléchissant le bleu trouvé dans l’oiseau-feuille, afin qu’aucun photon bleu ne puisse s’échapper.

« Toutes les fibres optiques qui sont aujourd’hui laborieusement fabriquées avec de la mécanique de précision – les oiseaux le font par auto-assemblage« , a déclaré Prum. Apprendre à cultiver des dispositifs photoniques auto-assemblés « permettrait de réaliser de réelles économies ».

Kolle est d’accord. L’année dernière, dans Nature Photonics, lui et son équipe ont décrit une méthode améliorée de microscopie d’imagerie en champ sombre qui utilise un matériau inspiré des écailles des ailes des papillons Papilio. Il travaille maintenant avec un étudiant pour observer comment sont sculptées les rainures à l’échelle nanométrique dans les écailles des ailes de la coccinelle peinte. La compréhension de ce processus chez cette espèce devrait permettre de comprendre comment l’architecture de base des écailles se développe chez la plupart des papillons : « J’espère qu’il existe des principes biomécaniques … que nous pourrons appliquer pour fabriquer ces matériaux dans un système complètement différent« , a-t-il déclaré.

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