Reproduire les merveilles de la nature

Les petits trébuchent et se cognent la tête ; les plus grands tombent des arbres ou de bicyclette ; les sportifs se télescopent sur les terrains de jeu ; les automobilistes ont quantité d’accidents. Et pourtant, tous s’en tirent généralement sans trop de dommages. Si la résistance et l’élasticité de notre corps nous semblent naturelles, les biologistes commencent à s’apercevoir que tout en nous, des os à la peau, est prodigieux.

LA COMBINAISON force/résistance/légèreté est omniprésente dans la nature. Des pousses tendres s’insinuent dans les fentes du béton ou du rocher et les font éclater pour devenir des arbres robustes. Ces arbres résistent à des vents qui renversent les poteaux électriques et éventrent les maisons. En forant le bois, le pic soumet sa tête à des forces qui réduiraient en bouillie un cerveau ordinaire. La peau du crocodile et celle de l’alligator font ricocher lances, flèches et balles (voir Job 41:1, 26). Tout cela déroute l’homme depuis des millénaires et lui inspire un respect mêlé de crainte.

Ces 40 dernières années, le progrès technique a fourni aux scientifiques de nouveaux outils pour sonder les mystères du vivant, cachés pour la plupart dans les profondeurs microscopiques de la cellule. L’organisation de la cellule vivante est absolument incroyable et stupéfiante de complexité. Cependant, les savants ne souhaitent pas seulement percer les secrets de la nature ; ils veulent aussi les reproduire, au moins dans leur principe. Ce dernier champ d’étude est si prometteur que l’on a créé une nouvelle science : la chimie biomimétique, du grec bios, “ vie ”, et mimêsis, “ imitation ”.

La perspective d’un monde meilleur ?

“ La chimie biomimétique est l’étude des structures biologiques [et] de leurs fonctions ”, explique La chimie biomimétique : organisation et applications des matériaux du vivant (angl.). Son but, ajoute l’ouvrage, est de ‘ favoriser la naissance d’idées et de transformer ces idées en systèmes artificiels modelés sur les mécanismes biologiques ’.

Selon le scientifique Stephen Wainwright, “ la chimie biomimétique va absorber la chimie biomoléculaire, la remplacer et devenir la science biologique la plus passionnante et la plus importante du XXI^e siècle ”. Et pour le professeur Mehmet Sarikaya, “ nous sommes à la veille d’une révolution des matériaux comparable aux débuts de l’âge du fer ou de la révolution industrielle. Nous entrons de plain-pied dans une nouvelle ère des matériaux. Je pense qu’au siècle prochain la chimie biomimétique transformera largement notre mode de vie ”.

Cette transformation a déjà débuté, comme nous le verrons. Mais arrêtons-​nous auparavant sur quelques-unes des merveilles encore inexpliquées qui occupent les scientifiques. Nous réfléchirons également à ce que signifie toute cette organisation et verrons le sens qu’elle donne au monde étonnant qui nous entoure.

À l’école de la nature

“ Beaucoup de nos meilleures inventions sont des imitations de ce que nous avons vu chez d’autres formes de vie. ” — Les techniques de la nature (angl.), de Phil Gates.

COMME nous l’avons dit dans l’article précédent, la chimie biomimétique a pour objet l’amélioration des matériaux et des machines par l’imitation de la nature. La nature fabrique ses produits sans polluer, des produits qui, tout en étant élastiques et légers, sont d’une incroyable solidité.

Par exemple, à poids égal, l’os est plus solide que l’acier. Si sa forme y est pour quelque chose, c’est au niveau moléculaire que résident les raisons principales de sa robustesse. “ L’excellence des organismes vivants tient à la structure et à l’assemblage de leurs composants les plus petits ”, explique Phil Gates. En scrutant ces composants, les scientifiques isolent les substances qui donnent aux produits de la nature, de l’os à la soie, une solidité et une légèreté ô combien jalousées ! Ils ont découvert que ces substances sont des composites.

Incroyables composites

Les composites sont des matériaux solides composés de deux substances ou plus dont l’association confère à l’ensemble des propriétés supérieures à celles de leurs constituants pris isolément. Considérons l’exemple de la fibre de verrea. On produit ce composite, largement utilisé dans la fabrication des coques de bateaux, des cannes à pêche, des arcs, des flèches et d’autres articles de sport, en incorporant de fines fibres de verre à du plastique liquide ou gélatineux, un polymère. Quand le polymère prend, ou durcit, on obtient un composite léger, souple et solide. En variant le type de fibres et de plastique utilisés, on peut créer une diversité phénoménale de produits. Bien entendu, les composites artificiels ne soutiennent pas la comparaison avec ceux que l’on trouve dans le corps humain, chez les animaux ou dans les plantes.

Chez l’homme et chez l’animal, au lieu de fibres de verre ou de carbone, c’est une protéine fibreuse appelée collagène qui forme la base des composites donnant leur solidité à la peau, aux intestins, aux cartilages, aux tendons, aux os et aux dents (à l’exception de l’émail)b. Selon un ouvrage de référence, les composites à base de collagène figurent “ parmi les matériaux composites de structure les plus perfectionnés que l’on connaisse ”.

Prenons le cas des tendons, qui fixent les muscles au squelette. Les tendons sont remarquables, non seulement par la résistance de leurs fibres, mais encore par la disposition de ces fibres. Dans son livre La nature imitée (angl.), Janine Benyus écrit que les tendons, qui conservent leurs mystères, “ sont proprement stupéfiants par leur précision dans quantité de domaines. Le tendon de notre avant-bras est un faisceau vrillé de câbles comparable à ceux d’un pont suspendu. Chaque câble est un faisceau vrillé de câbles plus petits, eux-​mêmes des faisceaux vrillés de molécules, lesquelles sont, on le sait, des faisceaux vrillés, hélicoïdaux, d’atomes. On s’émerveille à chaque pas devant cette beauté mathématique ”. Et l’auteur d’ajouter qu’on a ici affaire à une “ très haute technicité ”. Quoi d’étonnant que les scientifiques soient, de leur propre aveu, enthousiasmés par les mécanismes de la nature ? — Voir Job 40:15, 17.

Nous l’avons dit, les composites artificiels ne sont qu’une pâle imitation des composites naturels. Ce qui ne les rend pas moins remarquables. Leur avènement est d’ailleurs classé parmi les dix grands progrès techniques de ces 25 dernières années. Par exemple, les composites à base de graphite ou de fibres de carbone ont produit une nouvelle génération de pièces pour les industries aéronautique et spatiale, d’articles de sport, de voitures de formule 1, de voiliers et de membres artificiels, pour ne citer que quelques éléments d’une liste qui s’allonge rapidement.

Extraordinaire blanc de baleine

Les baleines et les dauphins ne le savent pas, mais leur corps est recouvert d’un tissu aux propriétés extraordinaires : le blanc de baleine. “ De tous les matériaux que nous connaissons, le blanc de baleine est peut-être le plus polyvalent ”, relève-​t-​on dans La chimie biomimétique : organisation et applications des matériaux du vivant, où l’on explique que ce tissu (une forme de graisse) agit comme une merveilleuse bouée et aide ainsi l’animal à faire surface pour respirer. Il offre à ce mammifère, animal à sang chaud, une excellente isolation contre le froid. Et il constitue le garde-manger idéal lors des voyages migratoires (longs de plusieurs milliers de kilomètres), durant lesquels la baleine ne s’alimente pas. En effet, à poids égal, la graisse est deux à trois fois plus énergétique que les protéines et le sucre.

“ Le blanc de baleine, qui ressemble à du caoutchouc, est également très élastique, ajoute l’ouvrage précité. Selon nos estimations les plus fiables, l’accélération que produit en retour la compression de cette substance élastique lors de chaque coup de queue pourrait réduire de 20 % la dépense énergétique de la locomotion durant les longues périodes de nage continue. ”

On récolte le blanc de baleine depuis des siècles, mais c’est récemment que l’on a découvert qu’environ la moitié du volume de cette substance est un réseau complexe de fibres de collagène. Bien que les scientifiques n’aient pas encore compris les mécanismes de ce mélange de composites adipeux, ils pensent avoir découvert un autre produit miracle dont la reproduction trouverait de nombreuses applications.

Un génie à huit pattes

Ces dernières années, on s’intéresse également beaucoup à l’araignée, pour percer le secret de fabrication d’un autre composite : la soie qu’elle produit. Beaucoup d’insectes fabriquent de la soie, mais celle de l’araignée est spéciale. Matériau parmi les plus solides qui existent sur terre, c’“ est une substance de rêve ”, pour reprendre les termes d’un auteur scientifique. La soie de l’araignée est si remarquable que la liste de ses propriétés étonnantes donne le vertige.

Pourquoi les scientifiques usent-​ils de superlatifs pour décrire cette soie ? D’abord parce qu’elle est cinq fois plus résistante que l’acier, mais aussi très élastique, une combinaison de propriétés rare. Son extensibilité est 30 % supérieure à celle du nylon le plus élastique. Pourtant, la toile d’araignée ne fait pas rebondir les objets comme un trampoline, ce qui aurait pour effet de projeter les proies dans les airs. “ Pour transposer cela à l’échelle humaine, c’est comme si l’on attrapait en vol un avion de ligne avec un filet de pêche ”, dit Science News.

Si nous pouvions imiter les chimistes de génie que sont les araignées — deux espèces produisent sept sortes de soie différentes —, imaginez ce que nous serions capables de faire ! Ce serait la révolution des ceintures de sécurité, du fil pour sutures, des ligaments artificiels, des tissus pare-balles ainsi que des cordes et des câbles légers, pour ne mentionner que quelques applications possibles. On s’efforce également de comprendre comment l’araignée peut produire de la soie si efficacement — et sans recourir à des produits chimiques toxiques !

Boîtes de vitesses et moteurs à réaction

Aujourd’hui, c’est la boîte de vitesses et le moteur à réaction qui font bouger le monde. Mais, sous ce rapport aussi, la nature surclasse l’homme. La boîte de vitesses de votre véhicule vous permet de changer de rapport afin d’obtenir un meilleur rendement du moteur. Les boîtes de vitesses de la nature font la même chose, à la différence qu’elles ne relient pas un moteur à des roues, mais une aile à une autre aile. Où les trouve-​t-​on ? Chez la mouche domestique. Les ailes sont couplées à une boîte à trois vitesses, ce qui permet à l’insecte de changer de rapport dans les airs.

Le calmar, le poulpe et le nautile se déplacent tous grâce à un “ moteur ” à réaction. Un moteur que leur envient les scientifiques pour plusieurs raisons : il est composé de pièces molles, donc incassables, il supporte les grandes profondeurs, il allie efficacité et silence. Quand il fuit un prédateur, le calmar peut filer à plus de 30 kilomètres à l’heure et “ bondit parfois hors de l’eau pour atterrir sur les ponts des bateaux ”. — Les techniques de la nature.

Quelques moments de réflexion sur la nature peuvent nous remplir de gratitude et d’un respect mêlé de crainte. La nature est une énigme vivante qui suscite une foule de questions : À quels processus chimiques extraordinaires la luciole et certaines algues doivent-​elles leur éclatante lumière froide ? Comment, dans l’Arctique, des poissons et des grenouilles redeviennent-​ils actifs après avoir été littéralement congelés durant l’hiver ? Comment les baleines et les phoques peuvent-​ils rester si longtemps sous l’eau sans équipement de plongée ? Comment peuvent-​ils enchaîner les plongées à grande profondeur sans souffrir de la maladie des caissons ? Comment le caméléon et la seiche changent-​ils de couleur pour se fondre dans le décor ? Comment les colibris peuvent-​ils traverser le golfe du Mexique avec moins de trois grammes de carburant ? Et l’on pourrait allonger la liste à l’infini.

L’observation de la nature ne peut que laisser l’homme songeur. Son étude inspire aux scientifiques un respect “ proche de la vénération ”, lit-​on dans La nature imitée.

[Encadré, page 5]

Mouches et énergie solaire

En visitant un musée, un scientifique s’est arrêté devant les images d’une mouche préservée dans de l’ambre, rapporte la revue New Scientist. Il a alors noté la présence, sur les yeux de cet insecte appartenant à une espèce disparue, d’une série de réseaux de diffraction. Sans doute, s’est-​il dit, un système qui permettait à l’animal de capter davantage de lumière, particulièrement lorsque l’incidence est rasante. Il avait vu juste, comme ses travaux et ceux de collègues allaient le montrer.

Les scientifiques ont vite réfléchi au moyen de graver des réseaux identiques sur le vitrage des panneaux solaires, afin, espèrent-​ils, d’en augmenter le rendement. Cette innovation pourrait également rendre superflus les coûteux systèmes d’asservissement qui orientent certains capteurs vers le soleil. Des panneaux solaires plus efficaces, c’est une consommation réduite de combustibles fossiles, donc moins de pollution — un objectif méritoire. On le voit, la nature regorge de systèmes géniaux qui n’attendent que d’être découverts, compris et, si possible, reproduits pour notre avantage.

[Encadré, page 6]

À tout seigneur tout honneur

En 1957, l’ingénieur suisse Georges de Mestral a remarqué que les petites capsules épineuses d’un certain fruit qui s’accrochaient obstinément à ses vêtements étaient couvertes de minuscules crochets. L’étude de ce phénomène a rapidement fertilisé son esprit inventif, et c’est ainsi qu’il a passé les huit années suivantes à concevoir une version artificielle de ces capsules. Son invention allait très vite conquérir le monde. Qui, en effet, ne connaît pas... le velcro ?