Des chercheurs de Caltech disent avoir trouvé une manière mathématique d’expliquer pourquoi les mollusques peuvent bâtir des coquilles remarquablement régulières dans des environnements différents. L’étude, menée par l’ingénieur et spécialiste des matériaux Kaushik Bhattacharya et le postdoctorant Huan Liu, décrit la croissance de la coquille à l’aide d’un petit nombre de variables capables de reproduire des formes allant des spirales de nautile aux coquilles en éventail de certains bivalves.
Faits essentiels
- L’étude a été publiée dans Proceedings of the National Academy of Sciences le 23 octobre.
- Les chercheurs disent que leur modèle repose sur trois éléments: la courbe du bord en croissance de la coquille, un facteur d’échelle et un angle de rotation.
- L’approche peut reproduire les coquilles caractéristiques de presque toute classe de mollusques.
- L’équipe dit que le processus est passif et économe en énergie, et qu’il pourrait inspirer la fabrication de pièces complexes.
- L’article s’intitule « Local growth laws determine global shape of molluscan shells ».
Pourquoi ce modèle de croissance des coquilles compte pour l’ingénierie
Pour les ingénieurs et les spécialistes des matériaux, l’intérêt pratique tient à la simplicité du modèle: les chercheurs disent que de nombreuses formes de coquilles peuvent émerger d’une croissance locale répétée au bord de la coquille, plutôt que d’un système qui suit l’ensemble de la structure. Cela rend le résultat pertinent pour imaginer des méthodes plus douces et moins gourmandes en énergie pour fabriquer des pièces complexes.
Les chercheurs évoquent en particulier de possibles usages pour la fabrication de collecteurs spécialisés destinés aux moteurs à réaction. Leur cadre suggère qu’en modifiant seulement deux valeurs de la loi de croissance, on peut produire des coquilles très différentes tout en conservant une forme globale répétable.
- Ce qui détermine la forme: la courbe initiale, la vitesse de croissance et l’angle de rotation.
- Ce qui reste stable: la forme globale de la coquille demeure répétable même si la vitesse de croissance change ou qu’un petit défaut est introduit.
- Ce qui pourrait suivre: de nouvelles méthodes de fabrication imitant une croissance biologique passive.
Comment les mollusques parviennent-ils à reproduire la même coquille?
Les chercheurs disent que la réponse tient à une règle de croissance répétée au bord d’attaque de la coquille. Une fois le protoconque établi, chaque étape de croissance détermine la suivante, et la matière nouvelle n’est ajoutée que le long de cette courbe. Dans le modèle, l’ensemble de la coquille peut être reconstruit en répétant ces actions locales dans le temps.
Bhattacharya et Liu expliquent que les lignes de croissance de la coquille conservent la même forme d’une étape à l’autre, les différences étant captées par l’échelle et la rotation. Ils décrivent ainsi le processus à l’aide d’un groupe de Lie, un cadre mathématique adapté aux actions répétées et continues.
Que montre le modèle à travers les classes de mollusques?
Le modèle a pu générer les formes de presque toutes les coquilles de mollusques connues en changeant la courbe de départ et le facteur d’échelle. Les chercheurs disent que la valeur d’échelle, lambda, a une signification biologique: les coquilles d’une même classe de mollusques ont presque la même lambda, et les cinq classes porteuses de coquille occupent chacune une plage étroite de valeurs.
Ces classes sont les Gastropoda, les Bivalvia, les Cephalopoda, les Monoplacophora et les Scaphopoda. Le résultat suggère que la forme des coquilles n’est pas seulement diverse sur le plan visuel, mais aussi organisée par un petit ensemble de paramètres de croissance sous-jacents.
Que signifie ce résultat pour la conception de matériaux?
L’équipe dit que les coquilles de mollusques sont à la fois passives et économes en énergie, parce que l’animal n’a pas besoin d’un contrôle supplémentaire pour orienter chaque étape ultérieure de construction. C’est ce qui rend cette biologie intéressante comme principe de conception pour la fabrication.
Bhattacharya a déclaré que les résultats suggèrent des méthodes plus douces et moins énergivores pour fabriquer des pièces complexes. L’article a bénéficié du soutien de la bourse postdoctorale Drinkward et de la chaire Howell N. Tyson, Sr. à Caltech.
