Papillons et biomimétisme

Par Karen McDonald

Traduction par Marilynn Paquette

Le biomimétisme est la science et l’art qui reproduisent les meilleures idées biologiques de la Nature afin de résoudre des problèmes de matières humaines. » ¹ Les humains utilisent le biomimétisme depuis des milliers d’années, mais ont récemment réappris comment la nature règle les problèmes. En utilisant la nature en tant que modèle, nous pouvons créer des systèmes plus efficaces ayant été prouvés au fil du temps. Cet article fera connaître le biomimétisme aux élèves par des activités qui les amèneront à examiner les propriétés uniques des ailes du papillon Morpho et à comprendre comment elles peuvent nous aider à résoudre des problèmes humains.

Si nous pouvons imiter l’habileté qu’a le papillon Morpho de créer de l’irisation physique, nous pourrons fabriquer de la peinture, des tissus, des voitures et des affichages électroniques pour les cellulaires, des téléviseurs et des ordinateurs écologiques sans colorant. Cette technologie a également été proposée pour la fabrication de billets de banque avec la technologie anticontrefaçon qui serait difficile à reproduire.

La plupart des gens ne savent pas que les ailes des papillons sont en fait transparentes. Elles sont recouvertes d’écailles minces et délicates qui leur donnent leur coloration. Lorsque l’aile d’un papillon est touchée, les écailles peuvent tomber. Ces écailles ne repoussent pas une fois qu’elles sont tombées. La perte d’écailles ne blesse pas le papillon, mais elle incommode son vol. Les écailles sont imperméables. Elles rendent également les ailes aérodynamiques et elles sont utiles pour l’absorption de la lumière, la communication, la conservation de la chaleur et pour un avertissement en couleurs pour les prédateurs. La couleur des écailles provient de la mélanine pour les bruns et les noirs, alors que les verts, bleus et rouges ainsi que les couleurs iridescentes sont causés par la diffusion de la lumière par la forme et la structure des écailles.

Papillon Morpho

Le Morpho est un genre de papillon ayant 80 espèces reconnues. Sa taille varie entre 3 et 20 pouces et il est principalement retrouvé dans les régions tropicales comme l’Amérique du Sud, l’Amérique Centrale et le Mexique. Le Morpho adulte se nourrit exclusivement de jus de fruits en décomposition.

Ils sont de nature solitaire et habitent pour la plupart des forêts inhabitées, mais vont parfois dans des régions ensoleillées afin de se réchauffer. La durée du cycle de vie du Morpho est d’environ 4 mois et demi. Les larves et les adultes sont vénéneux puisqu’ils absorbent des poisons de la plante dont ils se nourrissent lorsqu’ils sont des chenilles. Les morphos sont surtout remarqués pour les couleurs très vibrantes des mâles de l’espèce, qui sont généralement bleus ou vert métallique. Les femelles sont d’un bleuâtre plus terne allant jusqu’au noir. Ce ne sont pas tous les Morpho qui sont bleus ou verts ; quelques-uns sont blancs ou de couleur pâle, mais tous possèdent des taches en forme d’yeux (ocelles) ou pcelli sur leurs ailes inférieures. Ces dessins visent à confondre et à alarmer les prédateurs qui s’aventurent trop près.

Ailes du Morpho

Les couleurs bleues et vertes iridescentes des ailes du Morpho sont dues à la nature des écailles des ailes et aux propriétés de la lumière. Il y a deux types de coloration visible sur les ailes des mâles et femelles Morpho. Le premier type de coloration provient de la lumière qui est absorbée et le deuxième, de la lumière projetée. La coloration de la lumière qui est absorbée inclut le brun et les taches en formes d’yeux sur la partie inférieure des ailes. Ces couleurs sont produites par les pigments sur les écailles qui absorbent toutes les couleurs du spectre de la lumière sauf le brun, qui est reflété par nos yeux. Ceci est la façon dont nous voyons les couleurs. Les côtés dorsaux des ailes du Morpho sont uniques puisqu’ils sont iridescents (plus pour les mâles), ce qui signifie que selon l’angle ou le mouvement de la personne qui les regarde, et comment les ailes bougent, elles semblent changer de couleur.

D’autres exemples de l’irisation de la nature : des bulles de savon, de l’huile dans l’eau et des coquilles d’ormeau. L’irisation sur les ailes du Morpho est causée par la diffusion de la lumière par les écailles, et non par l’absorption de la lumière.

La coloration par la diffusion de la lumière sous forme de vagues de lumière par interférence est nommée coloration physique ou structurelle. Les écailles des ailes du Morpho se superposent comme les bardeaux d’une maison et chaque couche possède un micro-patron. Ce motif peut être décrit comme quelque chose qui ressemble à une brosse à dents avec des poils doux en dents de scie.

Diagramme 1 : Vue agrandie d’un papillon Morpho et sa microstructure.

Les poils de la brosse ont une périodicité, ce qui signifie qu’elles sont espacées à des intervalles précis. Si les poils étaient placés à l’aveuglette, les ailes du Morpho apparaîtraient blanches puisque la lumière reflétée rebondirait de manière aléatoire. L’espacement des écailles et la microstructure des ailes sont essentiels pour l’irisation parce que la lumière rebondit sur les couches d’écailles et entre les poils pour créer les angles nécessaires pour l’interférence de la lumière (Giraldo, Yoshioka, et Stavenga 2007).

L’interférence de la lumière crée soit un effet filtrant ou un grossissement des couleurs (voir le diagramme 2). En interférence constructive, les vagues de lumière sont à l’angle, de sorte qu’elles amplifient certaines couleurs spectres et améliorent les couleurs visibles. En interférence destructive, seulement certaines couleurs de la lumière sont visibles parce que les vagues de lumière (les crêtes et les creux) sont opposées et interfèrent entre elles. Selon l’endroit où vous vous trouvez et l’angle sous lequel vous regardez les ailes des papillons, la réfraction de la lumière et l’interférence des ondes lumineuses créent les couleurs que vous voyez. Sous un même angle, une écaille peut être d’un bleu brillant ou être noire sous un autre angle.

Diagramme 2 : Illustration de l’interférence constructive ou destructive de la lumière.

 Comment communique un papillon ?

Supposez que vous êtes un papillon adulte et que vous vous nourrissez joyeusement de nectar, tout en étant toujours en alerte face aux prédateurs, aux compétiteurs et aux partenaires. Comment communiquez-vous, tout en évitant de vous faire dévorer et au même moment, en indiquant à un prédateur que vous n’êtes pas appétissants ?  Pour le papillon Morpho, la solution réside dans l’utilisation d’indices visuels.

La plupart des couleurs des papillons sont conçues pour soit se confondre dans l’environnement, soit pour impressionner. Dans plusieurs cas (comme les monarques ou les morphos), les couleurs font savoir aux prédateurs que les chenilles ainsi que les papillons adultes possèdent du poison dans leur corps (qu’ils ingèrent à travers les plantes qu’ils mangent) et qu’ils sont toxiques s’ils sont mangés. L’intérieur des ailes du Morpho sont d’une couleur brun terne ; alors lorsqu’ils sont au repos, ou que leurs ailes sont fermées, ils sont parfaitement camouflés dans leur environnement, Leurs taches en forme d’yeux effraient leurs prédateurs puisqu’ils ressemblent aux yeux d’un prédateur plus grand. La partie ventrale de leurs ailes, spécialement celle des mâles, est souvent tape-à-l’œil dans le but d’accrocher l’œil d’un partenaire potentiel ou d’utiliser leurs couleurs pour mettre en relief leurs aptitudes à défendre leur territoire. Les écailles des papillons se brisent facilement et s’usent avec l’âge, alors un mâle possédant de magnifiques écailles toujours intactes est probablement plus jeune et plus en forme ou a plus de facilité à échapper aux prédateurs et à conserver en entier les écailles de ses ailes. L’avantage de ces indices visuels est de limiter l’interaction physique entre les rivaux, ce qui leur permet d’utiliser moins d’énergie pour les batailles et d’avoir moins de chance de briser leurs ailes pendant les confrontations. Les femelles peuvent aussi évaluer les mâles rapidement sans dépenser trop d’énergie.

La façon dont le papillon se comporte détermine comment les couleurs sur ses ailes sont utilisées pour la communication. Le Morpho peut ouvrir et fermer les ailes, exposant le côté dorsal et les écailles iridescentes puis refermer de nouveau ses ailes. C’est un genre de code Morse.

Résoudre les problèmes des papillons

Les papillons sont légers, délicats et assez robustes pour migrer sur une distance de centaines de milles. Ils utilisent également la lumière à leur avantage pour produire des couleurs iridescentes. Pour les humains, il faut plusieurs couches de couleurs et de pigments pour produire l’irisation, ce qui est coûteux et utilise parfois des technologies qui sont dommageables pour l’environnement. En utilisant la lumière ambiante et la

périodicité (l’espacement) des écailles, les couches d’écailles et la microstructure d’écailles, le papillon peut refléter la lumière et interférer avec les ondes lumineuses de la lumière pour créer de multiples couleurs sans produits chimiques. Ces couleurs sont éclatantes et peuvent être vues de loin. En imitant l’habileté qu’a le papillon Morpho à créer l’irisation physique, nous pouvons résoudre le problème de la création de teintures, de couleurs pour les tissus ou pour les voitures, des affichages des cellulaires et plus encore, tout cela en respectant l’environnement. Le biomimétisme fournit cette solution.

Références

Giraldo, M.A. S. Yoshioka, and D.G. Stavenga. Far field scattering pattern of differently structured butterfly scales. Journal of Comparitive Physicology 194:201-207.

Endnotes

(1). Biomimicry Institute, 2009. <biomimicryinstitute.org>

(2). “Butterfly Alphabet” by Kjell B. Sandved; Scholastic Inc. 1996. Shows the scales of a butterflies and the alphabet found in the scales on their wings.

Activités en classe

Écailles sous la portée

Objectifs :

Les élèves seront en mesure d’expliquer la structure d’une aile de papillon et pourquoi elles sont recouvertes d’écailles.

Les élèves dessineront des ailes et des écailles de papillon.

Les élèves seront en mesure d’expliquer les motifs d’une aile de papillon et de spéculer sur les fonctions de ces motifs.

Matériel : microscope et boîte de Pétri, un ensemble par élève, feuilles de dessin, crayons, livres contenant des images d’écailles de papillon (par exemple “Butterfly Alphabet” par Kjell B. Sandved )²

Procédure :

1. Ailes de papillon : Il n’est pas recommandé de capturer des papillons vivants seulement pour avoir leurs ailes. Elles peuvent être trouvées dans un grand nombre de lieux, comme sur des papillons morts ou des papillons coincés dans des rebords de fenêtre ou dans des toiles d’araignées. Vous pouvez faire un projet de classe ayant pour but de trouver des papillons et des papillons de nuit morts. Assurez-vous d’informer les élèves de toucher au minimum les ailes. Si vous les ramassez, soyez sûrs de les entreposer dans un endroit sécuritaire à l’abri des rayons directs du soleil et des vents forts. Vous pouvez aussi commander des spécimens d’insectes de compagnies de produits biologiques telles que Carolina Biological Supply Co ou même monter des lames pour les microscopes composés. Si vous êtes intéressés spécialement par les ailes iridescentes des papillons, vous pouvez commander un ou deux spécimens préservés et couper de petits bouts d’ailes pour chaque groupe d’élèves.
2. Préparez les ailes des papillons dans les boîtes de Pétri, une par élève ou par groupe d’élèves. Placez l’aile couchée au fond de la boîte de Pétri pour une meilleure observation.
3. Discutez avec les élèves à propos de la structure des ailes et des écailles d’un papillon. Cette discussion devrait idéalement être faite avant l’activité.
4. Demandez aux élèves d’observer les ailes et les écailles. Ils peuvent faire bouger la boîte pour observer les couleurs des ailes, puis les observer sous un microscope. Demandez-leur de comparer l’irisation versus les écailles pigmentées.
5. Demandez aux élèves de dessiner les écailles qu’ils voient et de tenter de décrire leur texture et leurs formes. Si vos élèves sont plus jeunes, vous pouvez leur demander de colorier les écailles.
6. Si vous utilisez des microscopes, assurez-vous que les élèves incluent un maximum de détails dans leurs dessins.

Lumière et prismes

Objectifs :

Les élèves seront en mesure d’expliquer comment l’eau réagit à la lumière.

Les élèves seront capables de nommer les couleurs trouvées dans le spectre

visible de la lumière. Les élèves vont élaborer sur le concept de l’illumination et de

la façon dont fonctionnent les microstructures des ailes d’un papillon Morpho.

Matériel : un verre d’eau par élève ou par paire d’élèves, crayons, prismes, boîtes de crayons, papier blanc et lampes de poche.

Contexte : Afin d’aider les élèves à comprendre le concept du biomimétisme en utilisant des ailes de papillons, vous devrez vous assurer qu’ils possèdent de bonnes connaissances en ce qui concerne les propriétés de la lumière. Ces exercices servent à démontrer la réflexion de la lumière et des couleurs du spectre visible de la lumière.

Comment apparaît un arc-en-ciel

Les arcs-en-ciel se produisent seulement lorsque la lumière, qui est derrière nous, brille sur de la vapeur d’eau. Les gouttelettes d’eau dans la vapeur d’eau ralentissent la lumière blanche. La lumière qui arrive derrière nous traverse la gouttelette d’eau sous un certain angle. Ceci ralentit la lumière. Elle rebondit derrière les gouttes d’eau. Ensuite, elle les traverse et se reflète devant les gouttes d’eau.  Ce reflet final de la lumière à travers le devant des gouttes brise la lumière en un spectre visible, un arc-en-ciel est ainsi formé.

Diagramme 3 : La lumière visible est projetée à travers les gouttes d’eau ; alors que la lumière traverse les gouttes, les différentes longueurs d’ondes ralentissent, selon leur fréquence et les couleurs du spectre visible se séparent.

Procédure :

1. Projeter la lumière avec de l’eau
2. Demandez aux élèves de remplir les verres d’eau à moitié à leur station.
3. Demandez aux élèves d’émettre des hypothèses sur ce qu’ils vont voir s’ils mettent le crayon dans l’eau, en le regardant d’en haut, puis par les côtés.
4. Placez un crayon dans le verre de façon à ce qu’il soit déposé contre le rebord.
5. Les élèves pourront ainsi observer le crayon à partir du dessus du verre, puis à partir des côtés du verre. Discutez avec eux de ce qu’ils voient et de comment ceci influence les reflets de la lumière, ou la dirige.
6. Expliquez que la réflexion est simplement le ralentissement de la lumière alors qu’elle entre dans une substance translucide, comme de l’eau, et que si cette lumière arrive d’un certain angle (ou de plusieurs angles), cela modifie sa trajectoire. Ceci cause de la distorsion dans l’image que nous voyons. Les gouttes de pluie peuvent faire refléter la lumière, et les arcs-en-ciel sont la lumière qui est reflétée à travers la vapeur d’eau. Les ailes du papillon Morpho, comme l’eau, reflètent la lumière. Dans le prochain exercice, les élèves verront comment les couleurs de la lumière sont reflétées de manière à ce qu’ils voient des couleurs en particulier du spectre.

1. Prisme et lumière visible
2. Débutez avec une discussion sur la lumière visible. De quelle couleur est la lumière ? La plupart répondront qu’elle est blanche. Discutez avec les élèves de la façon dont vous pouvez faire refléter la lumière, comme dans l’exercice précédent, en la ralentissant. Expliquez ensuite que les prismes, comme l’eau, sont une façon de ralentir la lumière et de la faire refléter de sorte que l’on puisse apercevoir toutes les couleurs que contient la lumière.
3. Faites des prédictions sur ce qu’ils devraient voir s’ils utilisent des prismes.
4. Si la journée est ensoleillée, demandez aux élèves d’utiliser leurs prismes pour capter pleinement les rayons du soleil et refléter le spectre de l’arc-en-ciel sur une surface plane. Si la journée est sombre, ou si vous êtes à l’intérieur, vous pouvez utiliser des lampes de poche et faire refléter l’arc-en-ciel sur une feuille de papier blanc.
5. Demandez aux élèves d’utiliser le prisme chacun leur tour pendant que leur partenaire écrit dans l’ordre exact les couleurs qui deviennent visibles. Si vous voulez, vous pouvez prolonger l’activité en amenant les élèves à colorier un petit arc-en-ciel ou un carré de couleurs pour les aider à se rappeler des leçons. L’acronyme VIBVJOR peut aussi être utile (violet, indigo, bleu, vert, jaune, orangé et rouge).
6. Après que les élèves ont complété leurs observations, discutez brièvement des ondes lumineuses et de la réfraction relative aux arcs-en-ciel et aux prismes.
7. Terminez l’activité en faisant référence aux papillons Morpho. L’irisation des ailes des mâles est causée par les microstructures de leurs écailles qui reflètent et changent la trajectoire des rayons lumineux. 

Interférence des bulles et de la lumière

Matériel : une solution constituée d’une part de savon pour dix parts d’eau, du papier absorbant, un bol de plastique par paire d’élèves, des assiettes et des pailles.

Contexte : Pour cette activité, nous allons faire suite aux questions posées dans la section Lumière et prismes de ce compte-rendu : Comment les ailes du Morpho réfléchissent la lumière de manière à ce que nous voyions seulement une ou deux couleurs et non tout l’arc-en-ciel ? 

Revoyez les concepts suivant avec votre classe :

La lumière blanche est composée de beaucoup de couleurs. Ces couleurs voyagent par des ondes, en ayant des crêtes et des creux. Les couleurs comme le rouge et le jaune ont de forts niveaux d’énergie avec des crêtes et des creux plus petits, alors que celles comme le bleu et le mauve voyagent plus lentement, leurs crêtes et leurs creux sont alors plus éloignés. Les ondes lumineuses peuvent interférer entres elles en étant soit constructives (elles s’associent) ou destructives (elles s’annulent mutuellement).

L’interférence constructive peut être considérée comme deux ondes de lumière qui se rencontrent en ayant exactement les mêmes crêtes et creux afin de créer une vague de lumière plus grosse et puissante. Dans une interférence constructive, vous allez voir les couleurs vibrantes de l’arc-en-ciel puisque les crêtes et les creux de la lumière se renforcent entre eux-elles. Dans cet exercice, les élèves doivent être capables de voir des cercles d’interférence autour de la bulle. L’interférence destructive se produit lorsque deux ondes lumineuses se rencontrent et que leurs crêtes et leurs creux sont opposés. La rencontre des ondes lumineuses les amène à se décaler et à causer de l’interférence avec les autres crêtes et creux. Lorsque vous apercevez de l’interférence destructive, les couleurs sont probablement atténuées ou noir. Tel est le cas lorsque la bulle est très mince ou lorsqu’elle est près de se briser.

Un exemple d’interférence peut être observé avec de l’eau et des ondes. Lorsque vous lancez deux galets dans un étang près l’un de l’autre, les ondulations de l’eau (les vagues et les creux formés par le déplacement de l’eau) entre chaque galet se rencontrent et se ralentissent entre elles. Si vous lancez un galet dans l’eau puis un autre juste après exactement au même endroit, les ondulations de l’eau deviendront plus grandes et plus puissantes ; c’est ce que l’on appelle l’interférence constructive. Ceci peut être démontré à l’aide d’un plat rempli d’eau.

Procédure :

1. Le matériel devrait déjà se trouver aux stations de travail des élèves (une paille, un bol contenant du savon dilué).

2. Demandez aux élèves de tremper avec précaution leur paille dans la solution de savon et de tremper le bout de la paille de sorte à apercevoir un film savonneux.
3. Amenez-les à souffler une bulle sur l’assiette, l’assiette doit attraper la bulle formée. (Si vos élèves éprouvent de la difficulté à faire les bulles, ils peuvent souffler directement dans le bol afin de faire un mélange savonneux).
4. Les élèves pourront ensuite faire leurs observations à propos des couleurs des bulles et des bandes de couleurs qu’ils voient.
5. Demandez aux élèves d’observer ce qui se passe alors que la bulle grossit. Ils devraient voir des bandes de couleurs devenir plus grandes, une tache foncée apparaître, puis l’éclatement de la bulle. Ceci est l’interférence constructive qui se transforme en interférence destructive (la tache foncée).
6. Posez des questions aux élèves à propos de l’interférence de la lumière et ce qu’ils pensent qu’il se produit.

Optionnel : Utilisez des outils différents et demandez aux élèves de faire des formes de bulles différentes et d’observer comment les bandes de couleurs changent.

Comment pouvons-nous apprendre du Morpho bleu ?

En étudiant la structure de l’aile du papillon Morpho bleu, nous pouvons apprendre à imiter sa façon de créer des couleurs, sans l’utilisation de pigment, de manière responsable. Ceci a le potentiel d’aider les humains à créer des technologies plus efficaces pour les ordinateurs, les écrans D.E.L., les teintures, ou les surfaces de tissu. Voici quelques questions de discussion pour aider vos élèves à résumer cette leçon :

Qu’avez-vous appris de la façon dont le Morpho crée la couleur de ses ailes ? Est-ce qu’il en va de même pour les deux côtés du papillon ? Pourquoi oui ou pourquoi non ?

Comment la structure des ailes du Morpho affecte la façon dont elles apparaissent ?

Comment les bulles, les coquilles d’haliotide et les ailes du Morpho sont-elles similaires ? Que pouvons-nous apprendre de l’irisation des ailes du Morpho ? Quels problèmes modernes peuvent être résolus par les ailes du Morpho ?

Quelles autres questions pouvons-nous poser à propos des papillons qui pourraient aider à résoudre des problèmes de nature humaine ?

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Karen McDonald est la coordonnatrice de l’éducation et de l’animation au centre de recherche environnemental Smithsonian à Edgewater, dans le Maryland. Dans ses temps libres, elle crée des modèles éducatifs dans le but de promouvoir un intérêt fort pour le biomimétisme et l’apprentissage de la nature.

Marilynn Paquette est traductrice pigiste à Sherbrooke, au Québec, et a terminé son baccalauréat en traduction professionnelle à l’Université de Sherbrooke en 2015.

Ce qui précède est une traduction de « Butterflies and Biomimicry » qui a été publié en Green Teacher 99, Printemps 2013.