Le biomimétisme

Les éxemples que vous allez lire ci-dessous ne font pas partie de notre TPE.

Le diable épineux, pour récolter de l'eau dans le désert:

Le diable épineux est un petit reptile vivant dans les déserts d'Australie, dont le corps est recouvert d'épines (ce qui lui a valut ce nom). Ce petit reptile est capable par un étrange procédé, de récupérer de l'eau dans le désert. En effet, cet animal peut recueillir l'humidité présente dans le sol avec.... son pied! Ensuite, il n'a qu'a faire « glisser » les gouttes d'eau sur son corps grâce à ses épines, pour les acheminer jusqu'à sa bouche. Outre, le fait qu'il n'a pas besoin de se baisser pour boire, le diable épineux est capable d'attraper la moindre goutte d'eau à partir d'une surface détrempée. Pour l'instant, les scientifiques n'ont pas encore déterminer quel est le secret de ce petit animal. Cependant, s'ils arrivent à percer ce mystère, les conséquences qui s'en suivraient seraient révolutionnaires, et permettraient aux peuplades des déserts de s'abreuver sans parcourir des kilomètres pour chercher de l'eau. Pour l'instant, une étude du biologiste Andrew Parker étudie ces petits animaux. Il a mit en évidence la présence de structures hydrophobes qui faciliteraient l'écoulement de l'eau jusqu'à la bouche du diable épineux.

Le requin, pour créer de nouvelles combinaisons de plongée

Dans cet article, nous allons voir grace au requin, que la thèse qui voudrait qu'une surface soit le plus lisse possible, pour être la plus aérodynamique possible n'est pas forcément vraie. En effet, le requin est un poisson très rapide (pouvant aller jusqu'à 100km/h pour le mako), qui a une peau très rugueuse (et donc, peu lisse). Car le requin possède de minuscules écailles (0.06 mm), striées est anguleuses, appelées les denticules cutanés.

L'eau s'engouffre donc dans les micro-rainures de l'animal, ce qui engendre des remous, et qui permettent a l'eau de rester très proche de l'animal, et qui diminue a résistance a l'eau (ce phénomène s'appelle « l'effet riblet »). Ce phénomène s'explique de deux manières:

- l'écoulement serait fortement ralenti dans le creux des rainures, un frottement plus faible en résultant donc.

       - l'écoulement serait en quelque sorte restructuré, canalisé, donc avec moins d'effets négatifs.

Pour rester dans l'eau, ce phénomène a dors et déjà été copié par l'entreprise Speedo pour créer des combinaisons pour les nageurs professionnels plus performantes (dont l'une a été porté par Michael Phelps lors des Jeux olympiques 2008 de Pékin ). Certains bateaux on aussi utilisé ce système pour leurs coques, ainsi que certains avions, comme l'airbus A320.

Le vol du hibou, pour créer des trains moins bruyants.

Malgré sa taille parfois imposante, le hibou est un des oiseaux dont le vol est le plus silencieux. Ce vol discret lui permet de capturer ses proies sans se faire repérer par ces dernières. Après s'être inspirer du martin-pêcheur, les chercheurs japonais ont cherchés, pour leur nouveau train (le Shinkansen), de percer le secret du silence du vol du hibou. Ils ont découvert que les petites plumes dentelées situées sur les ailes de celui-ci permettaient d'atténuer considérablement les nuisances sonores. Les japonais ont donc plagié ce procédé pour rendre leurs nouveau train silencieux. Ils ont remarqués que le bruit du train augmente en effet à partir d'une certaine vitesse, à cause du roulement des roues sur le rail. Ce bruit est due aux pantographes qui permettent d'alimenter le train en électricité. En créant des pantographes en formes d'ailes reproduisant la structure de celles du hibou, la nuisance sonore est amoindri, pour le confort des passagers... et de l'environnement dans lequel circule le train.

Le chimpanzé, pour avoir de nouveaux médicaments a base de végétaux

Un quart de tous les médicaments modernes sont directement dérivées de plantes. Mais il reste encore des centaines de milliers de plantes à examiner qui pourraient avoir une valeur médicinale. Cependant, étudier toutes ces espèces prendrait un temps énorme. Pour commencer cette lourde tache, on pourrait observer... les chimpanzés! En effet, avec leur 99% de gènes communs avec le corps humain, et avec une intelligence très développé pour celle d'un animal, les chimpanzés ont, depuis les millions d'années de leur existence, acquis la connaissance des plantes qui peuvent être utiles face a telle ou telle maladie. Certains arbres comme le Vernonia, par exemple, possèdent ainsi des composés chimiques qui semblent prometteurs dans le traitement des parasites comme les oxyures, ankylostomes, et giardia sont utilisés par les chimpanzés depuis des millénaires, et peuvent être utilisés pour combattre ces parasites chez l'Homme.

Exemple 2 : De la feuille de lotus aux surfaces autonettoyantes

 Le lotus et un végétale poussant en milieu aquatique, dont juste les feuilles et la fleur sortent de l’eau. Le lotus est une plante dite chlorophyllienne, c'est-à-dire qu’elle capable d’ingérer du dioxyde de carbone en journée, pour en créer du dioxygène, ce qui est indispensable a tout forme de vie sur terre. Mais pour cette plante, pratiquer phénomène est assez compliqué, car elle vie pour beaucoup dans des zones marécageuse, ou elle est constamment aspergé de poussière, or pour pratiquer la photosynthèse, il est indispensable d’avoir ses feuilles propres. Cette plante a donc trouvée une technique imparable pour enlever les impuretés qui l’asperge tous les jours. En effet, les feuilles de cette plante ne sont jamais mouillées, car elles sont composés d'une multitude de petites structures superhydrophobes, autonettoyantes et imperméables accompagnée d’une cire, qui elle aussi, repousse l’eau. Quand une goutte d’eau tombe sur la feuille, elle roule sur jusqu’au centre de la feuille, en emportant toutes les saletés avec elle. De plus, quand on observe ces feuilles au microscope, on apercoit que les feuilles sont composés d 'une multitude de petites bosses qui vise a limiter le contact entre l'eau et la feuille. Cette propriété existe aussi chez le chou, chez les feuilles de capucines et chez les nénuphars, mais en moindre mesure.

Cette caractéristique a pour conséquence de diminuer un maximum la surface de contact entre la goutte d’eau et la feuille de lotus. Car l’hydrophobie des surfaces (d’une plante par exemple) s’explique par l’angle de contact. Plus cette angle est grand, plus la surface est hydrophobe. On parle de superhydrophobie quand cet angle atteint 160° (ce qui signifie que seulement 2 à 3% de la surface des gouttes se trouvent en contact avec la surface de la plante). Par leur double structure, les feuilles du Lotus peuvent atteindre un angle de contact d’environ 170° par lequel une goutte d’eau a une surface de contact de seulement environ 0,6%

figure a: une goutte d'eau sur une surface hydrophobe

figure b: une goutte d'eau sur une surface hydrophile

Ce phénomène intéresse certains grands fabriquant de vitres ou de peintures extérieures. Car, dans les villes, les vitrines (des magasins par exemples) et les murs sont constamment salis par les passants, les voitures, etc… De plus, cela crée aussi un milieu idéal plein de nutriments pour certaines bactéries indésirables, qui dégradent la peinture avec le temps. Au contraire, les peintures utilisés sur le modeler du lotus (appelés Lotusan), repoussent l’eau et la poussière, et ont un effet auto-nettoyant, qui empêchent la propagation de bactéries, de mousses ou d’algues. Sur le marché européen et asiatique le lotusan fut vendu avec les promesses que celui-ci pouvait rester propre pendant cinq ans sans utiliser de détergents

NB : Cette caractéristique est connue depuis seulement 20 ans dans les pays occidentaux, mais depuis 2000 ans en Asie (et c’est pour cela que le lotus est symbole de pureté dans la religion bouddhiste)!

III) Pour améliorer la vie de tous les jours

Elle a beau être parfaite, les scientifiques cherchent toujours a améliorer notre vie de tous les jours. Nous allons donc voir, dans cette partie, que la nature peut, la encore, servir de modèle pour améliorer notre confort...

Voici les 2 exemples que nous allons étudier:

    - Le martin-pêcheur 

    - Le lotus

  Exemple 1 : La toile d’araignée aux nouveaux gilets par-balles

Araignée attendant patiemment une proie sur sa toile

  Les araignées sont souvent perçues comme étant des êtres nuisibles, laids, qui font peur et qui, par conséquent, doivent être éliminés. Cependant les toiles qu’elles produisent pour capturer leurs proies ont toujours étonné les scientifiques par leur solidité, et leur élasticité. En effet, ces toiles ont d’étonnantes caractéristiques :

-Elles sont 5 fois plus résistante que l’acier (bien que leur densité soit 6 fois moindre) et 3 fois plus que le kevlar (certaines, sont même encore 10 fois plus résistantes que ce dernier).

-Elles sont 2 fois plus souples que le nylon.

-Elles présentent une capacité d’absorption des chocs défiant toutes les lois de la gravité.

-Elles sont capables de s’allonger 5 fois et de reprendre leur taille initiale

-Elles sont tellement légères qu’une toile assez grande pour faire le tour de la terre ne pèserait que 320 grammes.

-il faut dix fois plus d'énergie pour rompre une toile d’araignée que tout autre matériau biologique similaire

En fait la soie d’araignée est constituée de deux protéines comme le montre ce diagramme:

 La séricine (de formule brute C₁₂H₂₅N₅O₈) n’est pas à l’origine des qualités textiles de la soie; elle ne lui donne que sa coloration. Elle enveloppe et soude les filaments de fibroïne constituant le fil et ainsi se trouve vers les parties extérieures du brin. Les propriétés de la soie reposent donc sur la fibroïne (qui est, comme la séricine, une protéine). Il en existe deux sortes: la spidroïne 1 et la spidroïne 2. Celles-ci se caracterisent principalement par leur différence en prolyne (de formule brute C₅H₉NO₂) et tyrosine (de formule brute C₉H₁₁NO₃) qui sont deux acides aminés. La fibroïne (ou comme on l'a vu spidroïne) est une molécule complexe composée majoritairement d'une combinaison de 2 acides aminés spécifiques au fil d'araignée : la glycine (44%) et l'alanine (29%).)

Il existe deux régions qui présentent des séquences répétitives d’acides aminés: une séquence riche en alanine et une séquence riche en glycine. Ces séquences répétitives d’acides aminés donnent lieu à des structures fortement cohérentes qui procurent au fil de soie ses propriétés uniques. En effet la séquence riche en alanine forme une structure repliée appelée feuillet bêta. Cette structure aussi appelée la forme secondaire d'une protéine s’apparente à un feuillet de papier en accordéon. Lorsque la protéine de soie se replie, les feuillets bêta se juxtaposent pour produire une protéine densément constituée (comme le montre la figure ci-dessus). Les feuillets bêta, de plusieurs protéines, sont maintenus entre eux par plusieurs liaisons hydrogènes pour former des cristallites bêta, qui donnent à la soie sa force et sa résistance. Pour sa part, la séquence riche en glycine forme des spirales. Ces spirales ne sont modifiées qu’au moment où la soie est sécrétée ou étirée. Au moment de leur sécrétion, les spirales forment un type d’hélice particulier. Ce type d’hélice augmente davantage la résistance mécanique de la soie d’araignée, elle est appelée hélice 31. Ces hélices confèrent à la soie d’araignée son élasticité qui peut être comparée à un ressort. A titre d’exemple, une toile de deux microns de diamètre peut soutenir un poids de un gramme, une de un ou deux millimètre peut soutenir un poids de 65kg, et une toile ayant pour diamètre celui d’un pouce pourrait servir pour soutenir un pont suspendu !

Ce matériau pourrait servir à la création de gilets pas balles, plus légers, plus fins et plus efficaces. On estime aussi qu’il pourrait servir a la création d’outil médicaux, tels que des valvules artificielles pour le cœur, des os, des tendons factices, des sutures pour les plaies qui ne laissent pas de cicatrices, ou même de nouvelles ceintures de sécurités qui disposent de la meilleure élasticité que celles d’aujourd’hui.

Cependant, il est quasiment impossible de posséder de la toile d’araignée en grande quantité, tout simplement parce que ces insectes s’entredévorent lorsqu’on les élève. Les chercheurs ont donc cherchés un autre moyen pour en posséder. Et ils ont trouvés la réponse dans…. Le lait de chèvre! En effet, les scientifiques ont réussit a récolter de la spidroïne en collectant du lait de chèvres génétiquement modifiés. Au Canada, il y a déjà un élevage d’une centaine de chèvres capable de fabriquer cette protéine.

Si tout se passe bien, des sutures en fil d'araignée pourraient bientôt être commercialisées. Mais pour les autres applications, il reste encore beaucoup à faire, notamment améliorer la qualité des fibres et augmenter la taille du troupeau. Mais ce n'est pas demain qu'on verra des policiers vêtus de vestes pare-balles en fil d'araignée!

NB : l’araignée est capable de manger sa toile. Ainsi, elle peut la recycler a 90% pour la réutiliser.

Exemple 2: les lucioles, pour créer de nouvelles ampoules plus efficaces, sans électricité

Les lucioles sont de petits insectes volant (pour les mâles), qu'on voit parfois briller la nuit. Les scientifiques se sont penchés sur ces coléoptères, pour savoir comment ils sont capables de créer leur propre lumière, sans électricité. Il s'avère que ces petites bêtes possèdent une véritable usine dans leur abdomen. En effet, Cette production de lumière se fait sur une réaction, provoqué par un enzyme, la luciférase, agissant sur un substrat, appelé la luciférine, au contact du dioxygène. Simple au premier abord, cette bioluminescence est plus bien complexe. Un chercheur américain (W.D.McElroy ) observe que cette « lumière froide » nécessite deux autres éléments: l'ATP (Adénosine Triphosphate), et du magnésium. L'ATP est une molécule qui sert de catalyseur, pour accélérer la réaction entre la luciférase et la luciférine. Et le magnésium, Il sert tout simplement a faire fonctionner l'ATP en se liant avec elle. Des réactions d'autoréductions (qui est une réaction qui met en jeu un transfert d’électrons entre ses réactifs) s'engagent alors dans les cellules de l'insecte, mobilisant ainsi l'énergie chimique cellulaire. La luciférine va être excitée. Puis en se relâchant, celle-ci libère un photon (qui est la particule élémentaire médiatrice de l’interaction électromagnétique), responsable de la lumière émise par les lucioles!

Dans les ampoules traditionnelles, c'est l'électricité qui, en passant, produit de la chaleur dans le filament, pour exciter les atomes. Une grande partie de l'énergie de l'électricité est donc perdu sous forme de chaleur (90 a 97%), Alors que chez les lucioles (et autres animaux utilisant la bioluminescence), l'énergie chimique libérée par la réaction est transformée directement en une autre forme d'énergie, ici lumineuse, sans avoir à passer par un intermédiaire thermique. Chez ces animaux, 100% (ou presque) de l'énergie utilisée se retrouve sous forme de chaleur.

L’homme a trouvé une alternative a la bioluminescence des lucioles en utilisant la chimiluminescence, qui ; au lieu d'être une réaction faisant intervenir la luciferine et la luciférase, fait intervenir le luminol et le peroxyde d'hydrogène, pour créer un lumière bleutée.

Ce phénomène est en train d'être copié par des universitaires de Cambridge, pour créer des arbres bioluminescents qui pourraient éclairer nos rues… Qui sait, dans quelques années, des lampadaires éclaireront nos rues… 

En se démocratisant, ce phénomène permettrait de baisser considérablement (voir de faire disparaître) la part de l'éclairage dans la production d'électricité et donc de réduire la pollution

Nous avons réalisé une expérience pour créer de la lumière a partir d’une réaction chimique. Cependant, la luciférase est un composé très difficiles a obtenir, c’est pourquoi nous avons réalisé cette expérience avec du luminol, comme le font les poissons abyssaux, et non les lucioles.

  Pour voir l'experience, cliquez ici: Experience