L’optique est la science de la lumière. Pour se reproduire, chasser ou se camoufler, savoir bien utiliser la lumière est d'une importance première dans le monde du vivant. L’optique y est omniprésente ! En s'inspirant des prouesses optiques biologiques, on peut innover de façon brillante. Laissez l'optique vous éclairer sur les merveilles du vivant et celles du biomimétisme !
Apparence : être vu ou passer inaperçu
Bien manier l’optique est essentiel pour l’apparence. Certains êtres vivants cherchent à être vus, pour se reproduire par exemple. Au contraire, d’autres veulent à tout prix passer inaperçu : le camouflage optique joue un rôle essentiel dans la prédation, que ce soit pour le prédateur ou pour la proie, c’est à celui qui passera le mieux inaperçu !
Être vu
Couleurs structurelles, des structures hautes en couleur !
Pour être vu, mieux vaut arborer des couleurs très voyantes ! Les couleurs que l’on observe le plus communément sont des couleurs dites “pigmentaires” : ce sont des molécules (appelées pigments) qui sont responsables de la coloration. A la différence de ces couleurs pigmentaires, il existe dans le vivant des couleurs étincelantes, dites “structurelles”.
Elles sont dues à des phénomènes optiques (notamment des interférences) qui se produisent sur des structures extrêmement petites. Leur taille est comparable à la longueur d’onde de la lumière visible, et donc inférieure à 1 millième de millimètre ! Une nouvelle preuve que la nature est experte en ingénierie et optique de grande précision !
On retrouve ces structures optiques chez un grand nombre d’êtres vivants : des oiseaux (paon, canard colvert, colibri,...), des arthropodes (mygale bleue, papillon morpho,...) ou des végétaux (baies).
Les superbes couleurs structurelles du colibri d'Anna et du papillon morpho
Crédits image de gauche : Becky Matsubara
Les couleurs structurelles sont souvent iridescentes : la coloration dépend de l’angle sous lequel on les regarde ! Un spectacle optique époustouflant, par exemple dans le cas du colibri d’Anna (vidéo).
Mais ces couleurs sont aussi à l’origine d’innovations optiques éblouissantes ! Colorations plus résistantes, lutte contre la contrefaçon ou encore détection de gaz, les applications biomimétiques sont hautes en couleurs ! Pour plus d’information, n’hésitez pas à consulter notre article sur l’incroyable papillon morpho et les innovations qu’il a inspirées.
Bioluminescence : naturellement brillant !
Certains êtres vivants arborent des couleurs pour se faire repérer, d’autres produisent de la lumière. La bioluminescence désigne l’ensemble des phénomènes par lesquels un être vivant émet de la lumière. Ce sont des réactions chimiques, souvent complexes, qui donnent lieu à ces spectacles impressionnants. On les retrouve sous différentes formes, chez des espèces animales comme végétales, terrestres comme marines.
La luciole, par exemple, est bien connue pour sa capacité à produire de la lumière. Mais comme ce mode de production de lumière est assez peu efficace, la luciole se doit aussi d’être une experte de l’optique ! Pour exploiter au mieux le peu de lumière produite, elle la concentre et la dirige grâce aux écailles de son abdomen. La structure optique de ces écailles a ainsi inspiré une LED 50 % plus lumineuse que les LEDs classiques !
Les animaux marins ne sont pas en reste : 76 % des espèces marines sont bioluminescentes ! Le composé bioluminescent d’une méduse est d’ailleurs utilisé comme marqueur génétique. Cette protéine est appelée GFP (pour “Green Fluorescent Protein”, protéine verte fluorescente). En fusionnant le gène responsable de la production de cette protéine à celui d’autres protéines dans l’ADN d’autres êtres vivants, on peut les rendre fluorescentes. On peut ainsi suivre avec précision leur production par l’organisme ! Et ce, sans danger pour l’organisme étudié !
Luciole et méduse, deux experts de la production de lumière
Pour plus de détails sur le phénomène de bioluminescence et les transpositions biomimétiques associées, allez voir notre article sur la bioluminescence !
Le camouflage optique
Manipuler la lumière
A la différence des êtres vivants précédents, d’autres ont tout intérêt à ne pas se faire voir ! Le camouflage optique est une tactique essentielle dans la nature. Il permet à des êtres vivants de passer inaperçu et ainsi d’échapper aux prédateurs. Certains organismes sont ainsi capables de piéger la lumière.
Par exemple, les papillons de nuit doivent passer inaperçus dans un environnement difficile : le moindre signal optique est très facilement détectable dans l’obscurité. Ils ne doivent donc absolument pas réfléchir la lumière, même pas avec leurs yeux ! Pour cela, leurs yeux sont équipés de nanostructures à la forme très particulière. Elles dirigent la lumière pour la piéger et ne pas la réfléchir ! Ces structures inspirent des systèmes optiques anti-reflet ultra-performants : ils piègent 99,8 % de la lumière qu’ils reçoivent !
Pour plus d’informations sur les capacités fascinantes des papillons de nuit au-delà de l’optique, allez consulter notre article dédié.
D’autres êtres vivants, comme la seiche, sont capables de modifier leur couleur ! Pour cela, les seiches disposent de cellules remplies de pigments : des chromatophores. La seiche est capable de contracter ou dilater ces cellules, rendant la couleur portée par le pigment plus ou moins visible. C’est le mécanisme que l’on retrouve aussi chez le caméléon. Il est à l'origine de systèmes de camouflage optiques bio-inspirés, notamment pour le secteur militaire. Un matériau flexible, reproduisant, sans intervention externe, la couleur de l’objet qu’il recouvre, a notamment été créé. Les recherches sont en cours pour améliorer le contrôle de la contraction/dilatation des éléments contenant les pigments, et donc l’efficacité de ces systèmes.
Vision : les formidables capacités de détection optique des êtres vivants
Concentrer la lumière
Certains êtres vivants vivent dans des conditions optiques difficiles, avec peu de lumière disponible. Il y a notamment l’exemple des animaux marins vivant à des profondeurs importantes. Ils doivent tirer profit au mieux du peu de lumière disponible pour voir et analyser leur environnement. Ainsi, le homard, vivant en moyenne à 300 m de profondeur, est pourvu de systèmes optiques particulièrement efficaces. Ses yeux sont composés de facettes (à la manière des yeux des insectes), et chaque facette est prolongée par un cône tapissé de tissu réfléchissant. Cette structure concentre efficacement la lumière, et permet donc au homard de voir dans un environnement très obscur.
Ses yeux ont inspiré un concept de système optique concentrant la lumière pour un télescope spatial sur lequel travaille la NASA. Sa “vision” extrêmement performante pourrait permettre de détecter les phénomènes à l'origine des ondes gravitationnelles (comme la collision entre des trous noirs) ! A croire que le biomimétisme n’a pas toujours les pieds sur Terre !
Des détecteurs qui voient tout !
La lumière est une source d’information pour le vivant. Et certains animaux arrivent à analyser en profondeur cette information optique, pour connaître leur environnement avec toujours plus de précision !
C’est par exemple ce que fait la crevette mante, équipée des yeux parmi les plus performants du règne animal ! Elle est capable de voir bien plus de couleurs que nous, grâce à une plus grande diversité d’opsines - des protéines réagissant à une couleur particulière. Si nous, humains, en possédons 3 différentes (comme les trois couleurs primaires), et voyons donc le monde en 3 couleurs, la crevette mante en possède 12 ! Elle peut donc voir des couleurs situées dans l'ultraviolet, invisibles pour l’Homme.
Mais les capacités optiques de la crevette mante ne s’arrêtent pas là ! Elle est de plus capable de détecter la polarisation de la lumière (une propriété liée à son orientation quand elle se déplace). Cette détection est permise par une structure particulière de ses récepteurs optiques, ainsi que par la capacité de ses yeux à tourner.
Un système aussi développé fait évidemment l’objet de transpositions biomimétiques particulièrement intéressantes ! Des caméras pour véhicules autonomes s’inspirent ainsi des mécanismes présents chez la crevette mante pour détecter et analyser la polarisation de la lumière. Cette caméra permet de détecter les autres véhicules et obstacles jusqu’à 3 fois plus loin qu’une caméra optique classique ! Elle permet ainsi d’envisager des véhicules autonomes bien plus performants. On pourra aussi citer un autre capteur bio-inspiré, utilisé dans le domaine médical : en utilisant le fait que les cellules cancéreuses sont visibles par lumière polarisée, il permet de détecter les cancers précoces, et donc d’intervenir plus tôt pour soigner la maladie.
Conclusion
Le biomimétisme dans le domaine de l’optique n’a pas fini d’éclairer notre façon d’innover ! Le vivant est un formidable vivier d’inspiration en ce qui concerne la manipulation de la lumière, et il déploie des systèmes très inspirants pour analyser la lumière qu’il reçoit. Les applications sont extrêmement variées et cross-secteurs : mobilité, médical, biens de consommation, etc. Les technologies optiques bio-inspirées ont un rôle majeur à jouer dans l’innovation actuelle et future !
Pour aller plus loin, les sources utilisées pour la rédaction de cet article :
Le papillon morpho : https://asknature.org/strategy/wing-scales-cause-light-to-diffract-and-interfere/
La production de lumière par les lucioles : https://www.scientificamerican.com/article/how-and-why-do-fireflies/
La structure des yeux des papillons de nuit : https://optics.org/news/11/11/30
Le télescope inspiré des yeux du homard : https://www.nasa.gov/feature/goddard/2017/proposed-nasa-mission-employs-lobster-eye-optics-to-locate-source-of-cosmic-ripples