Les vrilles des plantes de concombre se tordent en raison d'une contraction asymétrique d'un ruban de fibres interne de cellules spécialisées, provoquant l'ajout de boucles lorsqu'elles sont séparées au lieu de se dérouler.

Introduction

Au lieu de dépenser de l'énergie pour construire des troncs massifs comme le font les arbres, les plantes grimpantes - comme le lierre grimpant sur une vieille maison - "empruntent" de la hauteur aux voisins, s'agrippent à eux et se hissent vers le ciel. Les plantes de concombre, par exemple, poussent des vrilles qui tournent en rond jusqu'à ce qu'elles attrapent quelque chose qu'elles peuvent escalader.

"La vrille frappe un objet, s'enroule rapidement et le saisit fermement. Au cours de quelques heures, il se contracte en une flèche, entraînant la tige et formant une excellente source », a écrit le naturaliste Charles Darwin.

On sait depuis longtemps que c'est ce que font les vrilles. Mais ce qui n'a pas été compris, c'est comment ils le font.

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La stratégie

Une fois attaché à un objet, une vrille de concombre s'enroule pour créer un point de transition au milieu, avec des spirales opposées, ou , ci-dessus et ci-dessous. Cet enroulement aide à raccourcir la vrille et à soulever la plante vers le point d'attache.

Des scientifiques de l'Université de Harvard ont décidé de percer le mystère en séparant une vrille. Lorsqu'ils ont étiré les deux extrémités, ils s'attendaient à ce qu'il se déroule et s'aplatisse. La torsion de l'intrigue était que la séparation des deux extrémités ajoutait en fait des torsions - le premier exemple connu d'un ressort «à enroulement excessif».

Pour comprendre pourquoi les vrilles s'enrouleraient davantage sous tension, les scientifiques ont analysé leurs structures et ont trouvé des rubans de fibres relativement plats à l'intérieur. Ces rubans de fibres sont constitués de deux couches de cellules qui contiennent de la lignine, une substance organique rigide . De plus, la couche intérieure contient plus de lignine que l'extérieur, ce qui la rend plus rigide.

Image : Joshua Puzey et Sharon Gerbode / http://www.seas.harvard.edu/news-events/press-releases/uncoiling-the-cucumbers-enigma / Copyright © - Tous droits réservés

L'image du haut montre une bobine de concombre intacte et celle du bas montre le ruban de fibres extrait de la vrille. Les deux réagissent à la contrainte en se surenroulant, c'est-à-dire en augmentant le nombre de bobines.

Image: Raoul Pop / CC BY NC - Attribution Creative Commons + Non commercial

Une vrille de concombre en action.

Ces résultats ont montré qu'à mesure qu'un ruban grandit, il se contracte de manière asymétrique. En d'autres termes, la bande intérieure plus rigide se raccourcit par rapport à l'extérieur, tirant le ruban (et donc la vrille qui l'entoure) en une queue de cochon ou en spirale.

Le mécanisme exact de cette contraction asymétrique n'est pas connu, mais ils ont émis l'hypothèse que l'eau joue un rôle. La lignine est hydrophobe (ce qui signifie qu'elle repousse l'eau). Au fur et à mesure que les vrilles se développent, la lignine s'accumule en plus grande quantité dans la couche interne des cellules. Les scientifiques pensent que la lignine hydrophobe expulse plus d'eau des cellules internes, les dégonflant et les raccourcissant par rapport aux cellules externes.

Ils pensent également que la rigidité différentielle des couches de cellules permet à l'hélice de se tordre tout en résistant à la flexion. Pour modéliser les deux couches de cellules dans des rubans de fibres, ils ont ajouté des matériaux de rigidités différentes à l'intérieur et à l'extérieur d'un ressort en silicone. Lorsqu'ils ont tiré les deux extrémités du ressort modèle, il s'est comporté exactement comme les vrilles de concombre réelles, en s'enroulant et en ajoutant plus de bobines. En conséquence, ils ont conclu que la rigidité en flexion plus élevée des vrilles de concombre par rapport à leur rigidité en torsion les rend résistantes à l'aplatissement tout en ajoutant des spires pour compenser la tension.

Cependant, lorsqu'une force suffisante est appliquée, une vrille de concombre finira par se dérouler. Ce déroulement de deuxième étape est en fait une réponse plus forte à une tension plus élevée par rapport au surenroulement.

Le potentiel

Les scientifiques ont appelé les ressorts «auto-adaptatifs» des vrilles de concombre en raison de leur double réponse à la tension. Étant donné que les ressorts sont comme des batteries pour l'énergie mécanique, les ressorts intelligents et les ressorts à surenroulement pourraient nous aider à stocker l'énergie de nouvelles façons.

Les applications de cette stratégie pourraient conduire à des robots grimpants efficaces ou à des amortisseurs pour la stabilité des structures endommagées. Ils pourraient être utilisés pour modifier la surface pour la collecte sélective d'huiles, de colorants, de polluants ou même de micro-organismes nocifs.

Dernière mise à jour le 26 juillet 2023