Une plante carnivore aquatique aux pièges ultra-rapides
Publié par Michel le 17/02/2011 à 00:00
Source: CNRS
Illustrations: Voir les légendes
Comment les utriculaires, ces plantes carnivores aquatiques couramment rencontrées dans les marais arrivent-elles à capturer leurs proies en moins d'une milliseconde ? Une équipe de physiciens du Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (CNRS/Université Joseph Fourier Grenoble 1) vient d'identifier l'ingénieux processus mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui...) qui permet à la plante (Les plantes (Plantae Haeckel, 1866) sont des êtres pluricellulaires à la base de la chaîne alimentaire. Elles forment l'une des subdivisions (ou...) de prendre au piège tous les petits animaux aquatiques un peu trop curieux qui s'en approcheraient. C'est l'inversion de sa courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de cet objet. Par exemple :) et la libération de l'énergie élastique (L'énergie élastique est l'énergie représentant la déformation élastique d'un objet solide ou d'un fluide (pression d'un gaz ou d'un liquide).) associée qui sont à l'origine du piège aquatique le plus rapide que l'on connaisse. Ces résultats sont publiés le 16 février 2011 sur le site de la revue Proceedings of the Royal Society of London B.


Coupe longitudinale d'un piège (appelé utricule) de l'utriculaire (Utricularia vulgaris) vue ici au microscope électronique à balayage
(MEB). Les utriculaires carnivores aquatiques utilisent ces pièges à aspiration pour la capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce dernier. La capture de l'objet...) d'animaux aquatiques.
Cette image est disponible à la photothèque du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), phototheque@cnrs-bellevue.fr
Crédit: © Carmen Weißkopf.

Les utriculaires sont des plantes carnivores qui capturent de petites proies au moyen de remarquables pièges à aspiration. Ne possédant pas de racines, elles sont constituées de feuilles filiformes et fourchues sur lesquelles sont fixés les pièges en forme d'outre, de quelques millimètres seulement. Seules les fleurs sortent de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), montées sur de longues tiges. Les pièges sont sous la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est...). Lorsqu'un animal (Un animal (du latin animus, esprit, ou principe vital) est, selon la classification classique, un être vivant hétérotrophe,...) aquatique (puce d'eau, cyclopes, daphnies, ou petites larves de moustique) touche ses poils sensitifs, le piège l'aspire en une fraction de seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une mesure d'angle plan....) ainsi que l'eau qui sera ensuite évacuée par les parois.

Pour comprendre le processus mécanique impliqué, les chercheurs ont observé et enregistré avec une caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil de prise de vues animées, pour le cinéma, la télévision ou la vidéo.) haute cadence les mouvements extrêmement rapides de la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de capture. Les chercheurs montrent qu'il existe une phase de "flambage (Le flambage est la tendance qu'a un matériau soumis à une force de compression longitudinale à fléchir, et donc à se déformer dans une direction...)" de la porte du piège qui inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que...) sa courbure et lui permet de s'ouvrir et de se refermer très rapidement, emprisonnant ainsi sa proie (Une proie est un organisme capturé vivant, tué puis consommé par un autre, qualifié de prédateur.). Le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) d'aspiration (moins d'une milliseconde) est bien plus court que ce qui était supposé auparavant.


LégendCoupe longitudinale d'un piège (appelé utricule) de l'utriculaire (Utricularia vulgaris) vue ici au microscope électronique
à balayage (MEB). Les utriculaires carnivores aquatiques utilisent ces pièges à aspiration pour la capture d'animaux aquatiques.
Cette image est disponible à la photothèque du CNRS, phototheque@cnrs-bellevue.fr
Crédit: © Carmen Weißkopf.

Quel est précisément le fonctionnement mécanique de ce piège implacable ? Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d'abord le piège se prépare: en quelques heures (L'heure est une unité de mesure  :), la plante pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) lentement le liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) intérieur vers l'extérieur, ce qui met le piège en sous-pression. Pendant cette phase d'armement, de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) élastique est stockée dans les parois du piège. Celui-ci est alors tendu, prêt à se refermer sur sa proie. Le moindre toucher (Le toucher, aussi appelé tact ou taction, est l'un des cinq sens de l'homme ou de l'animal, essentiel pour la survie et le développement des êtres vivants,...) d'un poil (Le poil est une production filiforme de l'épiderme, couvrant partiellement ou intégralement la peau des mammifères. Lorsque la couverture de la peau est...) sensitif situé sur la porte déclenche son ouverture. L'ouverture commence par le "flambage" de la porte, c'est à dire un changement soudain de forme. La porte agit donc comme une valve élastique: initialement bombée vers l'extérieur, elle se retourne brutalement vers l'intérieur, inversant sa courbure. La libération de l'énergie élastique stockée dans les parois du piège crée alors un tourbillon d'aspiration, avec des accélérations allant jusqu'à 600 g (1), laissant peu de chances d'évasion à la proie qui a déclenché (Un déclenché (ou tonneau déclenché) est une figure de voltige aérienne.) le mécanisme. Puis, très vite, la porte s'inverse à nouveau et reprend sa forme initiale. Le piège est alors hermétiquement refermé sur sa proie qui sera dissoute par les enzymes digestives de la plante, lui apportant de précieux nutriments. Jusqu'à sa prochaine capture... Ces résultats observés par caméra haute cadence ont par ailleurs été confirmés par les simulations numériques des chercheurs, faisant l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être...) d'une seconde publication dans Physical Review E.

Pour voir le film: http://www-lsp.ujf-grenoble.fr/equipe/d ... armottant/


Simulation numérique de la porte élastique du piège lors de l'ouverture.
Comme le piège est sous dépression, il suffit d'une petite perturbation pour inverser brutalement la courbure
de la porte vers l'intérieur.
Ce phénomène appelé instabilité de flambage, se produit dans la vie (La vie est le nom donné :) courante lorsque l'on met sous dépression
une paroi bombée (par exemple un ballon, ou une bouteille en plastique).L'inversion de courbure a pour effet d'ouvrir la porte,
dès que le bord libre n'est plus appuyé sur le seuil (en bleu).
Cette image est disponible à la photothèque du CNRS, phototheque@cnrs-bellevue.fr
© Marc Joyeux.


Note:

(1) 600 fois l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui indique la...) de la chute libre. 1g est la constante d'accélération due à la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) terrestre. L'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme...) par exemple ne peut pas survivre à un choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de civilisation ou de particules de hautes énergies.) de plus de 20 g.


Référence:

Ces travaux seront publiés dans Proceedings of the Royal Society of London B (Biological sciences) sous presse (2011), "Ultrafast underwater suction traps" O. Vincent, C. Weißkopf, S. Poppinga, T. Masselter, T.
Speck, M. Joyeux, C. Quilliet and P. Marmottant.
Le modèle numérique du piège sera publié dans Physical Review E, sous presse (2011) "Mechanical model of the ultra-fast underwater trap of Utricularia" par M. Joyeux, O. Vincent and P. Marmottant.
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