Comment les coquilles prennent-elles leur forme ? Voici les forces derrière leurs torsions et enroulements
20 Septembre 2024
Les mathématiques et la physique, ainsi qu’un peu de chance en matière d’évolution, se combinent pour aider à former certaines des créatures les plus fascinantes du monde.
Chicoreus Miyokoae
Chirat, R., Goriely, A. and Moulton, D.E., 2021. The physical basis of mollusk shell chiral coiling. Proceedings of the National Academy of Sciences, 118(48), p.e2109210118.
Lien vers l'article originel du National Geographic magazine
Vous pouvez le voir dans la spirale logarithmique d’un nautilus. L’iridescence laiteuse d’une ormeau. La tourelle à pointes d’un strombe géant. Précision, élégance, force. Le coquillage est une consonance de forme et de fonction qui rivalise avec et guide la créativité humaine. De la « naissance de Vénus » de Botticelli au design de Frank Lloyd Wright pour le musée Guggenheim à New York, les coquillages ont inspiré des artistes et des architectes tout au long de l’histoire. Notre admiration pour les coquillages est même antérieure à l’écriture. Des archéologues en Israël ont récemment mis au jour les restes d’un collier à coquille fabriqué il y a environ 120000 ans.
Les mystères qu’elles renferment sont aussi durables que notre fascination pour les coquillages. Comment de telles structures complexes et magnifiques ont-elles vu le jour? L’évolution par sélection naturelle peut aider à expliquer pourquoi les coquilles se sont répandues parmi les mollusques, mais elle ne peut pas entièrement élucider comment une créature individuelle construit un squelette aussi exquis que, disons, la coquille exceptionnellement épineuse d’un murex de Vénus. Pour vraiment comprendre le coquillage, nous devons examiner sous sa biologie les mathématiques et la physique qui le sous-tendent. Ces dernières années, les scientifiques qui ont entrepris de tels travaux ont développé une compréhension considérablement plus sophistiquée des forces physiques qui guident la formation des coquilles. Des études novatrices de Derek Moulton, professeur de mathématiques appliquées à l’université d’Oxford, et de ses collègues ont révélé que la plupart de la variété étonnante de coquillages peut être expliquée par quelques principes mathématiques simples.
Photographies par Hugh Turvey
Lissachatina Fulica
Lissachatina Fulica
Murex Pecten
Murex Pecten
Nautilus Macromphalus
Nautilus Macromphalus
Tridacna Squamosa
Tridacna Squamosa
Tonna Galea
Tonna Galea
Chicoreus Ramosus
Chicoreus Ramosus
Chaque mollusque est entouré d’un manteau, un organe semblable à une cloche qui sécrète du carbonate de calcium et le mélange avec un échafaudage de protéines pour former une coquille couche par couche. Lorsqu’un mollusque développe sa coquille, il ajoute de la matière nouvelle à une seule zone : l’ouverture (ou ouverture). Imaginez cela comme un cercle. Si, à chaque nouvelle couche, un mollusque dépose un anneau de matière de la même taille que l’ouverture, sa coquille s’allonge pour former un cylindre. Si, au contraire, le mollusque augmente la circonférence de chaque nouvel anneau, sa coquille deviendra un cône. En déposant plus de matière d’un côté de l’ouverture que de l’autre, un mollusque peut courber une coquille cylindrique pour former un anneau. Imaginez coller une pile de anneaux déviés, l’un sur l’autre — chacun plus épais à gauche qu’à droite. Au lieu de former une tour cylindrique nette comme des anneaux uniformes, ils s’inclinaient d’un côté — comme les coins d’une arche en pierre — et finissaient par faire une boucle. En faisant tourner les points où le manteau sécrète plus ou moins de matière, un mollusque peut tordre une telle boucle dans un tube en spirale.
Alors que ces règles mathématiques simples expliquent bon nombre des formes fondamentales des coquillages, un ensemble plus complexe d’interactions génère leurs caractéristiques les plus ostentatoires. Les épines, les boutons et autres ornements proviennent d’un décalage entre le taux de croissance du manteau du mollusque à corps mou et sa coquille rigide. Cette discordance crée des bosses qui sont exagérées avec chaque nouvelle couche. Le taux de croissance relatif et la rigidité du manteau déterminent la longueur, l’épaisseur et la courbure de ces projections. De tels embellissements peuvent initialement se former en raison d’une combinaison de mutations aléatoires et de résultats inévitables des forces mécaniques impliquées dans la croissance des coquilles. S’ils se révèlent avantageux pour la survie et la reproduction d’une créature, cependant, ils peuvent être perpétués par la sélection naturelle, devenant finalement un trait prédominant.
Bien que nous apprécions principalement les coquillages pour leurs qualités esthétiques, les animaux qu’ils abritent les apprécient pour une raison plus pragmatique : la protection. Il y a environ 540 millions d’années, lors d’une explosion de l’innovation évolutive connue sous le nom d’explosion cambrienne, les animaux prédateurs sont devenus beaucoup plus nombreux et compétents. Les organismes à corps mou et à mouvement lent se trouvaient constamment en danger. Les mollusques marins ont alors développé des coquilles simples mais robustes pour protéger leurs tissus vulnérables. En réponse, les crustacés, les poissons et autres prédateurs ont développé des armes et des techniques de chasse plus sophistiquées.
Finalement, la coévolution du prédateur et de sa proie a contribué à une augmentation spectaculaire de la diversité des coquilles de mollusques. Certains ont développé des coquilles particulièrement grandes et épaisses que seuls les animaux les plus forts ou les plus rusés pouvaient casser. Des ouvertures étroites, parfois renforcées par des portes appelées opercules, rendaient plus difficile l’accès à la proie pour les prédateurs. Les grandes aiguilles ont permis à certains mollusques de se retirer encore plus loin du danger. Les pointes, les épines et les boutons ont contrecarré les pinces et les mâchoires, tout comme les surfaces lisses et glissantes.
Les coquillages ne sont donc pas des constructions pures de la biologie ou de la physique, et ils ne peuvent être décrits adéquatement par la modélisation mathématique ou la théorie darwinienne seule. La beauté sculpturale et exigeante des coquillages que nous trouvons si enchanteurs émerge d’une confluence de géométrie, de mécanique, d’écologie, d’évolution et de chance. Chaque coquille que vous avez ramassée dans le sable ou admirée dans un musée est un palimpseste parsemé de secrets que la science démêle encore aujourd’hui, une manifestation physique de la complexité et de la splendeur de notre planète.
