Les scientifiques ont étudié la microstructure des dents qui rongent le corail du poisson-perroquet à tête raide, photographié ici, pour en savoir plus sur la puissante morsure de ce poisson. (Crédit : Alex The Reef Fish Geek/Nautilus Scuba Club, Cairns, Australie)
Alors, vous pensiez que le grand requin blanc fictif mangeur d’êtres humains dans le film « Jaws » avait une morsure puissante.
Mais ne négligez pas la puissante bouche du poisson-perroquet – ses dents robustes lui permettent de mâcher le corail toute la journée, pour finalement le mâcher et le broyer par digestion en sable fin. C’est vrai : son « bec » crée des plages. Un seul poisson-perroquet peut produire des centaines de livres de sable chaque année.
A présent, une étude menée par des scientifiques – dont ceux du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l’Énergie – a révélé une microstructure tissée semblable à une cotte de mailles qui confère aux dents du poisson-perroquet leur mordant et leur résilience remarquables.
La structure naturelle qu’ils ont observée fournit également un plan pour la création de matériaux synthétiques ultra-durables qui pourraient être utiles pour les composants mécaniques de l’électronique, et dans d’autres appareils qui subissent des mouvements répétitifs, de l’abrasion et des contraintes de contact.
Matthew Marcus, un scientifique du personnel travaillant à l’Advanced Light Source (ALS) du Berkeley Lab – une source de rayons X connue sous le nom de source de lumière synchrotron qui a fait partie intégrante de l’étude sur le poisson-perroquet – a été intrigué par le poisson-perroquet lors d’une visite en 2012 de la Grande Barrière de Corail au large des côtes australiennes.
Voir une animation de cette image. Cette image, générée à partir de données de tomographie par micro-ordinateur à rayons X recueillies à l’Advanced Light Source du Berkeley Lab, montre une vue d’un quart du bec d’un poisson perroquet. La structure plus dense, semblable à l’émail (émaloïde) est représentée en jaune et en vert, et le tissu osseux (dentine) derrière chaque dent et l’os environnant est représenté en cyan et en bleu. (Berkeley Lab)
Une vidéo sur la vie marine qu’il a regardée sur un bateau de tourisme océanique lui a rappelé le rôle des poissons-perroquets dans la décomposition du corail en sable fin. Ils se régalent principalement des polypes et des algues qui vivent à la surface des squelettes de coraux, et contribuent à nettoyer les récifs. La dureté des dents du poisson-perroquet, mesurée près de la surface de morsure, est d’environ 530 tonnes de pression par pouce carré – ce qui équivaut à une pile d’environ 88 éléphants d’Afrique – comprimée sur un pouce carré d’espace.
« On m’a rappelé que c’est un poisson qui croque du corail toute la journée, et qui est responsable d’une grande partie du sable blanc sur les plages », a déclaré Marcus. « Mais comment ce poisson peut-il manger du corail et ne pas perdre ses dents ? »
De retour à l’ALS, Marcus a demandé à Pupa Gilbert – biophysicienne et professeur au département de physique de l’Université du Wisconsin-Madison qui étudie comment les êtres vivants produisent des minéraux – si elle était intéressée par l’étude des dents du poisson-perroquet.
Gilbert a déclaré avoir « répondu avec enthousiasme » au défi. Elle a dirigé une équipe internationale dans l’étude, recevant des becs de poisson-perroquet de collaborateurs en Polynésie française. Ses collaborateurs de l’Université technique de Nanyang à Singapour – Ali Miserez, un professeur associé qui étudie les matériaux biologiques aux propriétés uniques, et son groupe – ont effectué des mesures mécaniques pour l’étude. Gilbert a réalisé la plupart des études structurelles pour comprendre le fonctionnement des dents de poisson-perroquet.
Marcus a servi de premier auteur dans cette dernière étude, dirigée par Gilbert et publiée en ligne le 20 octobre dans la revue ACS Nano. Gilbert avait déjà inclus Marcus dans l’une de ses études qui portait sur la nacre, le revêtement irisé résistant aux fractures, connu sous le nom de nacre, qui tapisse l’intérieur de certaines coquilles de mollusques. La nacre a inspiré des travaux de R&D visant à imiter ses propriétés de résistance à l’aide de matériaux synthétiques.
Cette étude et d’autres similaires se sont appuyées sur une technique connue sous le nom de cartographie PIC (polarization-dependent imaging contrast), que Gilbert a inventée et continue de développer à l’ALS. Dans la cartographie PIC, la polarisation des rayons X est tournée pour permettre l’analyse et l’affichage de l’orientation des cristaux à l’échelle nanométrique dans la nacre et d’autres biominéraux.
« L’ALS est le premier endroit où la cartographie PIC a été réalisée », a déclaré Gilbert. « Vous pouvez comprendre d’un coup d’œil comment chaque nanocristal dans une image donnée est orienté. »
Elle ajoute : « Si vous regardez une dent, un os, une coquille de mollusque ou un morceau de corail, c’est super intéressant. Il vous indique comment les nanocristaux sont disposés les uns par rapport aux autres. Vous pouvez voir ces magnifiques images qui sont mieux que de l’art abstrait, et apprendre comment les biominéraux se forment et fonctionnent. »
Une technique basée sur les rayons X, appelée cartographie PIC, montre la taille et l’orientation des fibres à l’arrière (à gauche), au milieu (au centre) et à l’extrémité (à droite) de la couche émaillée de la dent mordante d’un poisson perroquet. L’angle d’orientation des cristaux est codé en couleur (graphique en bas). (Crédit : Berkeley Lab)
Dans cette dernière étude, Gilbert, Marcus et Miserez ont voulu voir comment la structure cristalline fine des dents de poisson-perroquet contribue à leur incroyable résistance. Les chercheurs ont pu visualiser l’orientation des cristaux individuels, ce qui a montré leur structure tissée de manière complexe.
La fluorapatite, le minéral responsable de la structure cristalline des dents de poisson perroquet, contient du calcium, du fluor, du phosphore et de l’oxygène.
L’étude a montré que les cristaux de fluorapatite qui confèrent aux dents de poisson perroquet leur solidité mesurent chacun environ 100 nanomètres (milliardièmes de mètre) de large et plusieurs microns (millionièmes de mètre) de long, et sont assemblés en faisceaux entrelacés. Les faisceaux diminuent en diamètre moyen d’environ 5 microns à environ 2 microns vers la pointe de chaque dent.
Bien que l’émail dentaire de nombreuses espèces animales différentes puisse paraître similaire aux microscopes conventionnels, Gilbert a noté que ces images peuvent négliger l’orientation unique des cristaux dans la structure de l’émail des dents. Et l’orientation des cristaux, dit-elle, « raconte une grande histoire sur la façon dont différentes dents sont spécialisées pour différentes fonctions. »
Dans le cas du poisson-perroquet, les rangées de dents en croissance continue, qui forment une structure en forme de bec qui remplace constamment les dents plus anciennes et usées par de nouvelles dents, font également partie intégrante de leur comportement alimentaire spécialisé. Seuls les chitons ont des dents plus dures que celles des poissons-perroquets, a précisé Gilbert, et aucun autre biominéral n’est plus rigide que les dents des poissons-perroquets à leur extrémité mordante.
Cette animation 3D en fausses couleurs (voir l’animation plus grande) montre la disposition des rangées de dents de poisson-perroquet. (Crédit : Berkeley Lab)
« Les dents de poisson-perroquet sont les biominéraux les plus cool de tous », a déclaré Gilbert. « Elles sont les plus rigides, parmi les plus dures, et les plus résistantes à la fracture et à l’abrasion jamais mesurées ». Les poissons-perroquets ont environ 1 000 dents situées sur une quinzaine de rangées, et chaque dent est cimentée à toutes les autres et entourée d’os pour former un bec solide – les dents de requin, en revanche, ne sont pas interconnectées de cette manière.
Les mesures mécaniques de l’étude, qui ont porté sur des échantillons de dents d’un poisson-perroquet à tête raide (Chlorurus microrhinos), ont révélé que la dureté et la rigidité augmentent vers l’extrémité de chaque dent. Les expériences de cartographie PIC à l’ALS ont révélé qu’à mesure que la dureté et la rigidité augmentent, le diamètre des faisceaux cristallins se rétrécit.
En plus de l’étude de cartographie PIC, qui a utilisé un outil connu sous le nom de microscope électronique à photoémission (PEEM) à l’ALS, des expériences distinctes de l’ALS ont utilisé une technologie d’imagerie 3D connue sous le nom de microtomographie à rayons X et une autre méthode à rayons X connue sous le nom de microdiffraction pour analyser plus en détail les orientations et les souches cristallines des dents.
Ce graphique (voir plus grand) montre que, dans le sens de la morsure, l’émail de poisson perroquet est l’un des plus rigides de tous les biominéraux, et qu’avec l’émail de requin, il est plus dur que les autres dents de vertébrés. (Crédit : ACS Nano, 10.1021/acsnano.7b05044)
« La caractéristique de tissage et les orientations cristallines sont complètement ouvertes à être explorées pour la production de matériaux synthétiques », a déclaré Gilbert. « Le tissage est l’une des choses les plus anciennes que les gens ont appris à faire. On pourrait penser à tisser réellement des cristaux, car les cristaux deviennent flexibles lorsqu’ils sont très fins. »
D’ores et déjà, a noté Gilbert, il existe de nombreux efforts bien développés pour reproduire la structure de l’émail humain à l’aide de méthodes de nanofabrication.
Gilbert et Marcus ont suggéré que les futures expériences de l’ALS pourraient se concentrer sur un ensemble distinct de dents (dents pharyngiennes) qui décomposent davantage les morceaux de corail dans la gorge des poissons-perroquets.
« Le ciel est la limite à ce stade », a déclaré Gilbert. « Cette première observation des propriétés mécaniques est passionnante, et maintenant beaucoup plus de travail peut être fait sur les propriétés structurelles. »
L’Advanced Light Source est une installation d’utilisateur du DOE Office of Science.
D’autres scientifiques de l’Advanced Light Source de Berkeley Lab et de l’Université du Wisconsin-Madison ont également participé à cette étude, ainsi que des chercheurs de l’Université technologique de Nanyang à Singapour. Ces travaux ont été soutenus par l’Office of Science du ministère américain de l’Énergie, la National Science Foundation et la Singapore National Research Foundation.
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Le Lawrence Berkeley National Laboratory relève les défis scientifiques les plus urgents du monde en faisant progresser l’énergie durable, en protégeant la santé humaine, en créant de nouveaux matériaux et en révélant l’origine et le destin de l’univers. Fondée en 1931, l’expertise scientifique du Berkeley Lab a été récompensée par 13 prix Nobel. L’Université de Californie gère le Berkeley Lab pour l’Office of Science du ministère américain de l’Énergie. Pour en savoir plus, consultez le site www.lbl.gov.
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