juin 29, 2022

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Iridescence éblouissante des oiseaux liée à la modification à l’échelle nanométrique de la structure des plumes – ScienceDaily

Le chatoiement irisé qui rend les oiseaux comme les paons et les colibris si frappants est enraciné dans une nanostructure naturelle si complexe que les gens commencent tout juste à l’imiter techniquement. Le secret de la façon dont les oiseaux produisent ces couleurs brillantes réside dans une caractéristique clé de la conception à l’échelle nanométrique des plumes, selon une étude menée par des chercheurs de l’Université de Princeton et publiée dans le journal. 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 comment et quand l’irisation brillante a évolué pour la première fois chez les oiseaux, ainsi qu’à inspirer l’ingénierie de nouveaux matériaux capables de capturer ou de manipuler la lumière.

Lorsque les oiseaux irisés se déplacent, les nanostructures à l’intérieur de leurs minuscules filaments de plumes en forme de branches – appelés ocules – interagissent avec la lumière pour amplifier certaines longueurs d’onde en fonction de l’angle de vision. Cette irisation est connue sous le nom de coloration structurelle, dans laquelle des nanostructures cristallines traitent la lumière.

Tout d’abord, il a dit : « Si vous prenez une seule enclume d’une plume irisée, en coupez une section transversale et la placez sous un microscope électronique, vous verrez une structure ordonnée avec des points noirs, parfois des anneaux ou des plaquettes noirs, dans un couche grise. » auteur Clara Norden, un doctorat Étudiant dans le laboratoire de l’auteur principal Mary Caswell Stoddard, professeur agrégé d’écologie et de biologie évolutive à l’Université de Princeton et professeur associé au Princeton High Meadows Environmental Institute (HMEI). « Les points noirs sont des sacs remplis de pigments appelés mélanosomes, et le gris qui les entoure est de la kératine plumeuse. Je trouve ces nanostructures aussi belles que les couleurs qu’elles produisent. »

Curieusement, les structures pigmentaires se présentent sous diverses formes. Ils peuvent être en forme de tige ou de feuille, pleins ou creux. Les colibris, par exemple, ont tendance à avoir un pigment creux en forme de plaque, tandis que les paons ont un pigment en forme de bâtonnet. Mais pourquoi les oiseaux ont développé des nanostructures irisées avec autant de types différents de mélanosomes est un mystère, les scientifiques ne sachant pas si certains types de mélanosomes sont meilleurs que d’autres pour produire une large gamme de couleurs vives.

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Pour répondre à cette question, les chercheurs ont combiné analyse évolutive, modélisation optique et mesures de plumes, ce qui leur a permis de révéler les principes généraux de conception derrière les nanostructures des plumes irisées.

Norden et Stoddard ont travaillé avec le co-auteur Chad Eliasson, stagiaire postdoctoral au Field Museum, pour d’abord analyser la littérature et compiler une base de données de toutes les nanostructures de plumes irisées décrites chez les oiseaux, qui comprenaient plus de 300 espèces. Ensuite, ils ont utilisé l’arbre généalogique des oiseaux pour montrer quels groupes avaient développé les différents types de mélanosomes.

Il existe cinq types de base de mélanosomes dans les nanostructures de plumes irisées : les tiges épaisses, les tiges minces, les tiges creuses, les plaquettes et les lamelles creuses. À l’exception des tiges plus épaisses, toutes ces espèces pigmentées se trouvent dans un plumage brillamment coloré. Étant donné que le type ancestral de mélanosome est en forme de bâtonnet, les travaux antérieurs se sont concentrés sur deux caractéristiques distinctes uniques aux structures de l’iris : la forme des plaquettes et un intérieur creux.

Cependant, lorsque les chercheurs ont évalué les résultats de l’enquête, ils se sont rendu compte qu’il y avait une troisième caractéristique pigmentaire qui avait été négligée – de fines couches de mélanine. Les quatre types de mélanosomes dans les plumes irisées (tiges minces, tiges creuses, plaquettes et plaquettes creuses) créent de fines couches de mélanine, beaucoup plus fines que la structure construite avec des tiges épaisses. Ceci est important, a déclaré Norden, car la taille des couches dans les structures est essentielle pour produire des couleurs vives.

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« La théorie prédit qu’il existe une sorte de zone tempérée dans laquelle les couches de mélanine sont de la bonne épaisseur pour produire des couleurs vraiment intenses dans le spectre visible des oiseaux », a-t-elle déclaré. « Nous soupçonnions que des tiges minces, des plaquettes ou des formes creuses pourraient être des moyens alternatifs d’atteindre cette épaisseur idéale de la taille beaucoup plus grande du mélanosome ancestral – les bâtons épais. »

Les chercheurs ont testé leur idée sur des échantillons d’oiseaux au Musée américain d’histoire naturelle de New York en mesurant la couleur irisée du plumage des oiseaux qui résulte des nanostructures de différents types de pigments. Ils ont également utilisé la modélisation optique pour simuler les couleurs pouvant être produites par différents types de mélanosomes. À partir de ces données, ils ont déterminé quelle caractéristique (couches minces de mélanine, forme des plaquettes ou lumière) a la plus grande influence sur la gamme et l’intensité des couleurs. En combinant les résultats de la modélisation optique et les analyses de plumes, les chercheurs ont déterminé que des couches plus fines de mélanine, quelle que soit la forme des mélanosomes, doublaient presque la gamme de couleurs que les plumes irisées peuvent produire.

« Cette percée évolutive majeure – que les mélanosomes peuvent être arrangés en fines couches de mélanine – a ouvert de nouvelles possibilités pour la production de couleurs d’oiseaux », a déclaré Stoddard. « Les divers types de mélanosomes sont comme un kit de nanostructure flexible, offrant différentes approches pour la même finition : les couleurs irisées produites par les couches plus fines de mélanine. »

Cela peut expliquer pourquoi il existe une si grande diversité de types de mélanosomes dans les nanostructures irisées. Il est possible que les nanostructures irisées aient évolué plusieurs fois dans différents groupes d’oiseaux, mais, par hasard, de fines couches de mélanine provenant d’une tige plus épaisse ont évolué de différentes manières. Certains groupes ont développé de fines couches de mélanine en aplatissant les mélanosomes (production de plaquettes), d’autres en vidant la partie interne du mélanosome (production de formes creuses) et d’autres en réduisant la taille du pénis (production de tiges minces).

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Norden a déclaré que les résultats de l’étude peuvent être utilisés pour reconstruire l’irisation brillante chez les animaux préhistoriques. 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.

« Basé sur des tiges solides épaisses décrites dans les lames microraptorPar exemple, on pourrait dire que ce théropode à plumes avait probablement des plumes irisées beaucoup plus semblables à celles des étourneaux qu’à celles d’un paon.

La formation de mélanosomes et de kératine dans les plumes d’oiseaux pourrait contenir des indices sur l’ingénierie de nanostructures irisées avancées capables de capturer ou de traiter efficacement la lumière, ou de les utiliser pour produire des peintures respectueuses de l’environnement qui ne nécessitent ni pigments ni pigments. Les revêtements ultra-noirs tels que Vantablack utilisent également des nanostructures qui absorbent et diffusent la lumière plutôt que de la refléter, comme les plumes noires des espèces de la famille des oiseaux de paradis (Paradisaeidae).

Norden a déclaré que les plumes irisées pourraient également conduire à une meilleure compréhension des matériaux multifonctionnels. Contrairement aux matériaux synthétiques, qui sont souvent développés pour une seule fonction, les matériaux naturels sont de nature polyvalente. La mélanine contribue non seulement à la production d’irisation ; Il protège également les oiseaux des rayons ultraviolets dangereux, renforce les plumes et empêche la croissance des microbes.

« Et si les différents types de mélanosomes évoluaient initialement pour une raison qui n’avait rien à voir avec la couleur de l’iris, comme rendre les plumes plus résistantes mécaniquement ou plus résistantes aux attaques microbiennes », a déclaré Norden. « Ce sont quelques-unes des questions que nous sommes heureux d’aborder ensuite. »