Les innovations biomimétiques inspirées des climats froids

Saviez-vous que certains poissons disposent de protéines d’antigel dans leur sang qui les empêchent de geler dans les eaux froides ?

Publication 22 mars 2021 à 00:03 CET, Mise à jour 23 mars 2021 à 16:30 CET
Les ours polaires ont l’air d'être blancs, mais leurs pelages sont en fait transparents, composés de ...

Les ours polaires ont l’air d'être blancs, mais leurs pelages sont en fait transparents, composés de minuscules poils creux qui réfléchissent la lumière et sont résistants à l’eau tout en étant extrêmement légers. Ce sont ces qualités qui ont inspiré les matériaux « aérogel » de pointe pour l’industrie aérospatiale. 

Photographie de Andy Mann / National Geographic

Pourquoi les poissons ne gèlent-ils pas en Arctique ? C’est le genre de question qu’un enfant pourrait poser. Et jusqu’à très récemment, nous n’avions pas vraiment de réponse. La nature est pleine de mystères, autant d’énigmes pour les scientifiques que d’inspiration pour les franchises de films de science-fiction. 

Mais au cours des dernières décennies, les humains ont non seulement identifié les mécanismes derrière ces capacités mais ils ont aussi appris à les reproduire.  Un tout nouveau domaine de recherche et de développement est né, combinant science, technologie et ingénierie : le biomimétisme.  

Mais revenons à ces poissons. En Arctique, les températures de l’eau de surface en hiver sont légèrement supérieures à -1,8°C, ce qui correspond au point de congélation de l’eau salée.  Cependant le sang des poissons gèle à environ -0,9°C, ce qui, à première vue, ne ferait pas de l’Arctique un habitat idéal.  À moins d’avoir de l’antigel dans le sang.

Dans les années 1960, le biologiste moléculaire Arthur DeVries a découvert une protéine dans le sang des poissons qui empêche la formation de particules de glace,   abaissant ainsi efficacement la température à laquelle leur sang gèle. Ce que l’on n’avait pas compris à l’époque, c’était la façon dont la protéine fonctionnait réellement. 

Une lessive inspirée par la nature
Les chimistes se tournent vers certains des plus grands phénomènes de la nature pour mieux développer des lessives plus durables.

Ce n’est que 40 ans plus tard que les scientifiques ont identifié le processus moléculaire derrière celle-ci  : la protéine ralentit la formation de liaisons qui se produit habituellement rapidement dans les molécules d’eau, les empêchant ainsi de former des cristaux de glace. C’est une astuce assez géniale, et bien plus efficace que le type d’antigel couramment utilisé sur les pare-brise des véhicules, qui doit activement se lier aux molécules d’eau pour fonctionner.  

Aujourd’hui, les protéines antigel (antifreeze proteins, AFP) sont développées dans une gamme de catégories de produits et de services afin de : conserver la crème glacée sans qu’elle ne soit trop dure et sans cristaux,  préserver les cellules et les tissus pour la recherche et les traitements biomédicaux , et même fabriquer du béton super-durable résistant aux dommages causés par le gel et le dégel.     

Les ours polaires ont une méthode très différente pour résister au froid, tout aussi remarquable étant donné qu’ils passent parfois des jours à nager dans les eaux arctiques. Ils ont trois principaux modes d’adaptation qui leur permettent de réguler leur température corporelle : une couche épaisse de graisse sous-cutanée,  une peau noire qui absorbe les rayons infrarouges   et enfin, une sous-couche de poils et fourrure dense et isolante dont les poils creux réfléchissent la lumière.  C’est cette dernière caractéristique que les chercheurs ont utilisée comme source d’inspiration pour le type de matériaux de pointe qui font évoluer notre exploration de l’espace. 

Les poissons des latitudes arctiques ont développé un antigel naturel qui leur permet de survivre dans les eaux gelées. Les chimistes appliquent maintenant ce principe pour développer une nouvelle génération d’antigels très efficaces à utiliser dans de nombreux secteurs.

Photographie de Paul Nicklen/ National Geographic

Les bactéries vivant sur des algues restent fixées à la surface de la plante en utilisant un biofilm pour assurer l'adhérence. Lorsqu’ils sont prêts à changer d’endroit, ils utilisent une enzyme pour se « décoller » eux-mêmes ; les propriétés de cette enzyme ont maintenant été optimisées pour une utilisation dans les lessives.

Photographie de Scott Leslie / Minden Pictures / National Geographic

Le micro-organisme en question, une bactérie , utilise les algues comme source de nourriture et refuge en s’accrochant à leur surface. Lorsqu’il est prêt à changer d'hôte, il libère une enzyme pour se « décoller » et se laisser porter par le courant océanique.  Les chercheurs de l’Université de Newcastle ont réalisé que l’enzyme pouvait être développée pour être utilisée dans les produits de consommation. 

Cela ne veut pas dire que les scientifiques récoltent des algues pour fabriquer des lessives : L’enzyme phosphodiestérase naturelle a fourni un prototype  à partir duquel les chercheurs, dirigés par Neil Lant, chercheur pour Ariel,  et en collaboration avec Novozymes, partenaire de biotechnologie, ont pu concevoir une protéine qui améliorerait considérablement les les performances des lessives Ariel. Ce processus impliquait d’abord l’identification d’une enzyme similaire très efficace inspirée de la nature, puis l’optimisation de sa séquence d’acides aminés pour obtenir l’équilibre requis entre stabilité et performance dans la lessive liquide.   

Le produit final, Purezyme, est une enzyme brevetée  très efficace pour éliminer les taches qui collent aux textiles, même à l’eau froide,  tout en se décomposant sans danger pendant le traitement des eaux usées pour revenir dans le cycle de l’eau.  

La biomimétique nous rappelle l’ingéniosité de l’évolution. Il ne s’agit pas seulement des propriétés miraculeuses qui existent dans la nature, mais aussi du fait que l’évolution a donné naissance à une espèce, nous les humains, qui peut agir comme son agent, en utilisant cette ingéniosité dans de nouvelles situations : des véhicules capables de voyager dans l’espace aux capsules que nous mettons dans nos machines à laver pour nettoyer nos vêtements.  

Et comme la nature est la source de toute évolution, y compris la nôtre, il est urgent de la protéger. Il y a beaucoup de petites choses que nous pouvons faire pour changer la donne. Par exemple, en Europe, en moyenne, jusqu’à 60 % des émissions de gaz à effet de serre liées aux lavages en machine proviennent du chauffage de l’eau de nos lave-linges, plus que de l’emballage ou des composants des lessives. Diminuer la température de quelques degrés seulement peut réduire considérablement le gaspillage d’énergie. 

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