Le chatoiement irisé qui rend les oiseaux tels que les paons et les colibris si frappants est enraciné dans une nanostructure naturelle si complexe que les gens commencent tout juste à la reproduire technologiquement. Le secret de la façon dont les oiseaux produisent ces couleurs brillantes réside dans une caractéristique clé de la conception à l’échelle nanométrique de la plume, selon une étude menée par des chercheurs de l’Université de Princeton et publiée dans la revue eLife.
Les chercheurs ont découvert une modification évolutive de la nanostructure des plumes qui a plus que doublé la gamme de couleurs irisées que les oiseaux peuvent afficher. Cette idée pourrait aider les chercheurs à comprendre remark et quand l’irisation brillante a évolué pour la première fois chez les oiseaux, ainsi qu’inspirer l’ingénierie de nouveaux matériaux capables de capturer ou de manipuler la lumière.
Au fur et à mesure que les oiseaux irisés se déplacent, des structures à l’échelle nanométrique dans les minuscules filaments en forme de branches de leurs plumes – appelées barbules – interagissent avec la lumière pour amplifier certaines longueurs d’onde en fonction de l’angle de eyesight. Cette irisation est connue sous le nom de coloration structurelle, dans laquelle des nanostructures cristallines manipulent la lumière.
“Si vous prenez une seule barbule d’une plume irisée, la coupez et la placez sous un microscope électronique, vous verrez une construction ordonnée avec des details noirs, ou parfois des anneaux ou des plaquettes noirs, dans un substrat gris”, a déclaré le leading auteur Klara Norden, un doctorat étudiant dans le laboratoire de l’auteur principal Mary Caswell Stoddard, professeur agrégé d’écologie et de biologie évolutive à Princeton et professeur associé au Significant Meadows Environmental Institute (HMEI) de Princeton. “Les points noirs sont des sacs remplis de pigments appelés mélanosomes, et le gris qui les entoure est de la kératine de plumes. Je trouve ces buildings à l’échelle nanométrique tout aussi belles que les couleurs qu’elles produisent.”
Curieusement, les constructions des mélanosomes se présentent sous diverses formes. Ils peuvent être en forme de tige ou de plaquette, pleins ou creux. Les colibris, par exemple, ont tendance à avoir des mélanosomes creux en forme de plaquettes, tandis que les paons ont des mélanosomes en forme de bâtonnets. Mais pourquoi les oiseaux ont développé des nanostructures irisées avec autant de styles différents de mélanosomes est un mystère, les scientifiques ne sachant pas si certains forms de mélanosomes sont meilleurs que d’autres pour produire une massive gamme de couleurs vives.
Pour répondre à cette issue, les chercheurs ont combiné l’analyse évolutive, la modélisation optique et les mesures du plumage, ce qui leur a permis de découvrir les principes généraux de conception derrière les nanostructures de plumes irisées.
Nordén et Stoddard ont travaillé avec le co-auteur Chad Eliason, chercheur postdoctoral au Subject Museum, pour d’abord examiner la littérature et compiler une foundation de données de toutes les nanostructures de plumes irisées décrites chez les oiseaux, qui comprenaient moreover de 300 espèces. Ils ont ensuite utilisé un arbre généalogique d’oiseaux pour illustrer quels groupes ont développé les différents sorts de mélanosomes.
Il existe cinq principaux types de mélanosomes dans les nanostructures de plumes irisées : les bâtonnets épais, les bâtonnets minces, les bâtonnets creux, les plaquettes et les plaquettes creuses. À l’exception des tiges épaisses, tous ces varieties de mélanosomes se trouvent dans un plumage brillamment coloré. Parce que le form de mélanosome ancestral est en forme de bâtonnet, les travaux antérieurs se sont concentrés sur les deux caractéristiques évidentes propres aux constructions irisées : la forme des plaquettes et l’intérieur creux.
Cependant, lorsque les chercheurs ont évalué les résultats de leur enquête, ils se sont rendu compte qu’il y avait une troisième caractéristique du mélanosome qui avait été négligée : de fines couches de mélanine. Les quatre kinds de mélanosomes dans les plumes irisées – tiges minces, tiges creuses, plaquettes et plaquettes creuses – créent de fines couches de mélanine, beaucoup furthermore fines qu’une composition construite avec des tiges épaisses. Ceci est significant auto la taille des couches dans les structures est essentielle pour produire des couleurs vives, a déclaré Nordén.
“La théorie prédit qu’il existe une sorte de zone Boucle d’or dans laquelle les couches de mélanine ont juste la bonne épaisseur pour produire des couleurs vraiment intenses dans le spectre obvious par les oiseaux”, a-t-elle déclaré. “Nous soupçonnons que les tiges minces, les plaquettes ou les formes creuses peuvent être des moyens alternatifs d’atteindre cette épaisseur idéale à partir de la taille beaucoup furthermore grande du mélanosome ancestral – les tiges épaisses.”
Les chercheurs ont testé leur idée sur des spécimens d’oiseaux au Musée américain d’histoire naturelle de New York en mesurant la couleur du plumage irisé des oiseaux qui résulte de nanostructures avec différents styles de mélanosomes. Ils ont également utilisé la modélisation optique pour simuler les couleurs qu’il serait doable de produire avec différents varieties de mélanosomes. À partir de ces données, ils ont déterminé quelle caractéristique – de fines couches de mélanine, la forme des plaquettes ou le creux – a la in addition grande impact sur la gamme et l’intensité de la couleur. En combinant les résultats de la modélisation optique et des analyses de plumage, les chercheurs ont déterminé que de fines couches de mélanine, quelle que soit la forme des mélanosomes, doublaient presque la gamme de couleurs qu’une plume iridescente pouvait produire.
“Cette percée évolutive clé – que les mélanosomes pourraient être disposés en fines couches de mélanine – a ouvert de nouvelles possibilités de generation de couleurs pour les oiseaux”, a déclaré Stoddard. “Les divers forms de mélanosomes sont comme une boîte à outils nanostructurelle versatile, offrant différentes voies vers le même but : des couleurs irisées brillantes produites par de fines couches de mélanine.”
Cela peut expliquer pourquoi il existe une si grande diversité de forms de mélanosomes dans les nanostructures irisées. Les nanostructures irisées ont probablement évolué à plusieurs reprises dans différents groupes d’oiseaux, mais, par hasard, de fines couches de mélanine ont évolué de différentes manières à partir d’une tige épaisse. Certains groupes ont développé de fines couches de mélanine en aplatissant les mélanosomes (produisant des plaquettes), d’autres en creusant l’intérieur du mélanosome (en produisant des formes creuses), et d’autres encore en réduisant la taille du bâtonnet (en produisant des bâtonnets minces).
Les résultats de l’étude pourraient être utilisés pour reconstituer une irisation brillante chez les animaux préhistoriques, a déclaré Nordén. Les mélanosomes peuvent être conservés dans les plumes fossiles pendant des millions d’années, ce qui signifie que les paléontologues peuvent déduire la couleur d’origine des plumes – même l’irisation – chez les oiseaux et les dinosaures en mesurant la taille des mélanosomes fossilisés.
“Sur la base des tiges solides et épaisses qui ont été décrites dans le plumage du Microraptor, par exemple, nous pouvons dire que ce théropode à plumes avait probablement un plumage irisé beaucoup plus semblable à celui d’un étourneau qu’à celui d’un paon”, a déclaré Nordén.
La composition des mélanosomes et de la kératine dans les plumes d’oiseaux pourrait contenir des indices pour l’ingénierie de nanostructures irisées avancées capables de capturer ou de manipuler efficacement la lumière, ou être utilisées pour produire des peintures respectueuses de l’environnement qui ne nécessitent ni colorants ni pigments. Les revêtements tremendous noirs tels que Vantablack utilisent également des nanostructures qui absorbent et dispersent plutôt que de refléter la lumière, semblable au plumage noir des espèces de la famille des oiseaux de paradis (Paradisaeidae).
Les plumes irisées pourraient également conduire à une meilleure compréhension des matériaux multifonctionnels, a déclaré Nordén. Contrairement aux matériaux fabriqués par l’homme, qui sont souvent développés pour une seule fonction, les matériaux naturels sont intrinsèquement polyvalents. La mélanine aide non seulement à produire de l’irisation il protège également les oiseaux des rayons ultraviolets dangereux, renforce les plumes et inhibe la croissance microbienne.
“Et si les différents styles de mélanosomes évoluaient initialement pour une raison sans rapport avec la couleur irisée, par exemple pour rendre la plume furthermore résistante mécaniquement ou plus résistante aux attaques microbiennes”, a déclaré Nordén. “Ce sont quelques-unes des queries que nous sommes ravis d’aborder ensuite.”