Les chercheurs détaillent leurs résultats dans un article publié le 5 juin dans la revue Matter.
Les créatures des grands fonds ont développé des adaptations fascinantes telles que la bioluminescence, des yeux qui peuvent voir en basse lumière et des bouches qui peuvent engloutir des proies beaucoup plus grosses. Certaines espèces, comme le poisson-dragon des grands fonds (Aristostomias scintillans), ont des dents transparentes.
« C’est une adaptation qui, à notre connaissance, n’a pas encore été explorée en détail », a déclaré Audrey Velasco-Hogan, doctorante en sciences des matériaux à la UC San Diego Jacobs School of Engineering et première auteure de l’étude. « En étudiant pourquoi ces dents sont transparentes, nous pouvons mieux comprendre les organismes des grands fonds comme le poisson-dragon et les adaptations qu’ils ont développées pour vivre dans leurs environnements. »
Des dents transparentes, ainsi qu’un corps sombre, rendent le poisson-dragon essentiellement invisible pour sa proie, a expliqué Velasco-Hogan. En raison de ce camouflage, les poissons-dragons font partie des principaux prédateurs des grands fonds malgré leur petite taille (mesurant environ 15 centimètres de long) et leur lenteur relative.
» Ils passent le plus clair de leur temps assis, les mâchoires ouvertes, à attendre que quelque chose passe. Leurs dents sont toujours exposées, il est donc important qu’elles soient transparentes afin qu’elles ne réfléchissent ou ne diffusent aucune lumière bioluminescente de l’environnement « , a déclaré Velasco-Hogan.
Pour résoudre les mystères du déguisement dentaire du poisson-dragon, les chercheurs ont imagé et analysé la nanostructure des dents en utilisant une combinaison de microscopie électronique, de faisceau d’ions focalisés et de tests de nanoindentation. Ils ont découvert que les dents ont des caractéristiques uniques à la fois dans leur couche externe semblable à l’émail et dans leur couche interne de dentine.
La couche de type émail est constituée de nanocristaux d’hydroxyapatite structurés de manière à empêcher la lumière de se diffuser ou de se refléter sur la surface des dents. La couche dentinaire est également structurée de manière particulière. Il manque des canaux microscopiques appelés tubules dentinaires, qui donnent leur couleur aux dents des humains et des autres animaux. L’absence de tubules est également responsable de la transparence des dents du poisson-dragon.
« Typiquement, les dents ne sont pas nanostructurées. Et ils ont tendance à avoir des caractéristiques microscales telles que les tubules dentinaires. Du point de vue des matériaux, il est vraiment intéressant de voir que les dents de poisson-dragon ont des architectures que nous ne voyons pas chez les autres « , a déclaré Velasco-Hogan.
« Je trouve également fascinant de voir comment il existe des similitudes fondamentales entre les matériaux en laboratoire et dans la nature », a-t-elle ajouté. « Expérimentalement, nous savons que le moyen de rendre un matériau transparent est de réduire sa taille de grain pour le rendre nanostructuré. Donc, voir que c’est aussi ainsi que la nature accomplit la transparence est un parallèle intéressant. »
Travail d’équipe interdisciplinaire
Velasco-Hogan faisait partie d’une équipe interdisciplinaire de chercheurs qui ont été les premiers à étudier en détail les dents du poisson-dragon. Velasco-Hogan a imité les dents, caractérisé leur transparence et étudié leurs propriétés mécaniques. Elle a travaillé sous la direction de Marc Meyers, professeur aux départements de Nanoingénierie et d’Ingénierie Mécanique et Aérospatiale de l’UC San Diego.
» Mon groupe est toujours à la recherche de nouveaux matériaux dans la nature à étudier « , a déclaré Meyers, dont les recherches se concentrent sur le biomimétisme. » Et les collaborations interdisciplinaires sont un élément clé de notre travail. Lorsque nous réunissons des scientifiques d’horizons différents, nous pouvons faire progresser les connaissances dans nos domaines d’une manière qu’un seul laboratoire ne pourrait pas faire seul. »
Ils ont collaboré avec Dimitri Deheyn, biologiste marin à la Scripps Institution of Oceanography de l’Université de San Diego, qui fait des recherches sur la bioluminescence et le biomimétisme. Deheyn a suggéré l’idée de l’étude, collecté les spécimens, mené des expériences d’imagerie et caractérisé la transparence des dents.
« Tirer parti de l’adaptation ultime des organismes à des environnements spécifiques a toujours été un moteur d’innovation technologique, et le poisson-dragon n’y fait pas exception », a déclaré Deheyn. « Il y a clairement encore une large inspiration à recueillir du poisson-dragon et de la nature en général, et cette intersection entre la biologie et l’ingénierie par le biomimétisme est clairement une voie lucrative pour des innovations durables. »
L’équipe a également impliqué le laboratoire d’Eduard Arzt, directeur de l’Institut Leibniz pour les Nouveaux Matériaux (INM) à Sarrebruck, en Allemagne. Marcus Koch, responsable de l’analyse physique à l’INM, a analysé la nanostructure des dents avec un microscope électronique spécialisé. Birgit Nothdurft, technicienne de la Division de l’analyse physique à l’INM, a effectué une préparation hautement spécialisée des échantillons.
Ce travail a été soutenu par le Bureau de recherche de la Force aérienne (subventions FA9550-15-0009 et FA9550-10-1-0555 ), la Fondation Humboldt Allemande et l’Initiative Biomimétisme pour les Sciences et Technologies Émergentes.