Les calmars ont longtemps été une source de fascination pour les humains, fournissant l'étoffe de la légende, superstition et mythe. Et ce n'est pas étonnant - leurs apparences étranges et leur intelligence étrange, leur maîtrise de l'océan ouvert peut inspirer la crainte à ceux qui les voient.

Légendes mises à part, les calmars continuent d'intriguer les gens aujourd'hui - des gens comme le professeur Daniel Morse de l'UC Santa Barbara - pour la même chose, bien que plus scientifique, les raisons. Ayant évolué pendant des centaines de millions d'années pour chasser, communiquer, échapper aux prédateurs et s'accoupler dans le vaste, des étendues d'eau libre souvent sans relief, les calmars ont développé une des peaux les plus sophistiquées du règne animal.

"Depuis des siècles, les gens ont été étonnés de la capacité des calmars à changer la couleur et les motifs de leur peau - ce qu'ils font magnifiquement - pour le camouflage et la communication sous-marine, se signaler les uns aux autres et aux autres espèces de se tenir à l'écart, ou comme attraction pour l'accouplement et d'autres types de signalisation, " dit Morse, un professeur émérite émérite de biochimie et de génétique moléculaire.

Comme leurs cousins ​​céphalopodes le poulpe et la seiche, les calmars ont des cellules spécialisées remplies de pigments appelées chromatophores qui se dilatent pour les exposer à la lumière, résultant en diverses nuances de couleur pigmentaire. D'un intérêt particulier pour Morse, cependant, est la capacité des calmars à scintiller et à scintiller, reflétant différentes couleurs et brisant la lumière sur leur peau. C'est un effet qui est censé imiter la lumière tachetée de la partie supérieure de l'océan, la seule caractéristique d'un paysage marin autrement austère. En comprenant comment les calmars parviennent à se fondre dans les arrière-plans les plus simples - ou à se démarquer - il peut être possible de produire des matériaux avec le même, propriétés de réglage de la lumière pour une variété d'applications.

Morse a travaillé pour percer le secret de la peau de calmar au cours de la dernière décennie, et avec le soutien de l'Army Research Office et des recherches publiées dans la revue Lettres de physique appliquée , lui et sa co-auteur Esther Taxon sont encore plus près de démêler les mécanismes complexes qui sous-tendent la peau de calmar.

Un mécanisme élégant

"Ce que nous avons découvert, c'est que non seulement le calmar est capable de régler la couleur de la lumière réfléchie, mais aussi sa luminosité, " a déclaré Morse. La recherche avait jusqu'à présent établi que certaines protéines appelées réflectines étaient responsables de l'irisation, mais la capacité du calmar à régler la luminosité de la lumière réfléchie était encore un mystère, il a dit.

Des recherches antérieures de Morse avaient découvert des structures et des mécanismes par lesquels les iridocytes - des cellules réfléchissant la lumière - dans la peau opalescente du calmar côtier (Doryteuthis opalescens) peuvent prendre pratiquement toutes les couleurs de l'arc-en-ciel. Cela se produit avec la membrane cellulaire, où il se replie en structures nanométriques en accordéon appelées lamelles, formant minuscule, rainures extérieures de largeur inférieure à la longueur d'onde.

"Ces minuscules structures de rainures sont comme celles que l'on voit sur la face gravée d'un disque compact, " dit Morse. La couleur réfléchie dépend de la largeur du sillon, qui correspond à certaines longueurs d'onde lumineuses (couleurs). Dans les iridocytes du calmar, ces lamelles ont en plus la particularité de pouvoir se métamorphoser, en élargissant et en rétrécissant ces sillons grâce aux actions d'un "moteur osmotique" remarquablement réglé, entraîné par des protéines de réflectine se condensant ou se dispersant à l'intérieur des lamelles.

Alors que les systèmes de matériaux contenant des protéines de réflectine étaient capables d'approcher les changements de couleur iridescents dont le calmar était capable, les tentatives pour reproduire la capacité d'intensifier la luminosité de ces reflets ont toujours échoué, selon les chercheurs, qui a pensé que quelque chose devait être couplé aux réflectines dans la peau de calmar, amplifier leur effet.

Ce quelque chose s'est avéré être la membrane même enfermant les réflectines - les lamelles, les mêmes structures responsables des rainures qui divisent la lumière en ses couleurs constitutives.

"Evolution a optimisé de manière si exquise non seulement le réglage des couleurs, mais le réglage de la luminosité en utilisant le même matériau, la même protéine et le même mécanisme, " dit Morse.

La lumière à la vitesse de la pensée

Tout commence par un signal, une impulsion neuronale du cerveau du calmar.

"Les réflectines sont normalement très fortement chargées positivement, " Morse a dit des protéines irisées, lequel, lorsqu'il n'est pas activé, ressemble à un chapelet de perles. Leur même charge signifie qu'ils se repoussent.

Mais cela peut changer lorsqu'un signal neuronal amène les réflectines à se lier à des groupes phosphate chargés négativement qui neutralisent la charge positive. Sans la répulsion gardant les protéines dans leur état désordonné elles se replient et s'attirent, accumuler en moins, agrégats plus importants dans les lamelles.

Ces agrégations exercent une pression osmotique sur les lamelles, une membrane semi-perméable conçue pour résister à une pression limitée créée par les réflectines agglomérantes avant de libérer de l'eau à l'extérieur de la cellule.

"L'eau est écrasée hors de la structure en accordéon, et qui s'effondre l'accordéon donc l'épaisseur dans l'espacement entre les plis se réduit, et c'est comme rapprocher les rainures d'un disque compact, " expliqua Morse. " Ainsi, la lumière réfléchie peut passer progressivement du rouge au vert puis au bleu. "

À la fois, l'effondrement de la membrane concentre les réflectines, provoquant une augmentation de leur indice de réfraction, amplification de la luminosité. Pression osmotique, le moteur qui entraîne ces réglages de propriétés optiques, couple étroitement les lamelles aux réflectines dans une relation hautement calibrée qui optimise la sortie (couleur et luminosité) à l'entrée (signal neuronal). Effacez le signal neuronal et la physique s'inverse, dit Morse.

"C'est un très intelligent, manière indirecte de changer la couleur et la luminosité en contrôlant le comportement physique de ce qu'on appelle une propriété colligative - la pression osmotique, quelque chose qui n'est pas immédiatement évident, mais il révèle la complexité du processus évolutif, les millénaires de mutations et de sélections naturelles qui ont affiné et optimisé ces processus ensemble."

Films minces à luminosité réglable

La présence d'une membrane peut être le lien vital pour le développement de films minces bioinspirés avec la capacité de réglage optique du calmar côtier opalescent.

"Cette découverte du rôle clé que joue la membrane dans le réglage de la luminosité de la réflectance a des implications intrigantes pour la conception de futurs matériaux et revêtements hybrides dotés de propriétés optiques réglables qui pourraient protéger les soldats et leur équipement, " a déclaré Stéphanie McElhinny, un responsable de programme au bureau de recherche de l'armée, un élément du laboratoire de recherche de l'armée du commandement du développement des capacités de combat de l'armée américaine.

Selon les chercheurs, "Cette évolution affinée, le couplage efficace de la réflectine de son amplificateur osmotique est étroitement analogue au couplage à impédance adaptée des réseaux activateur-transducteur-amplificateur dans une électronique bien conçue, magnétique, systèmes mécaniques et acoustiques." Dans ce cas, l'activateur serait le signal neuronal, tandis que les réflectines agissent comme des transducteurs et les membranes à contrôle osmotique servent d'amplificateurs.

"Sans cette membrane entourant les réflectines, il n'y a pas de changement de luminosité pour ces couches minces artificielles, " dit Morse, qui collabore avec des collègues ingénieurs pour étudier le potentiel d'un film mince ressemblant davantage à une peau de calmar. « Si nous voulons capter le pouvoir du biologique, nous devons inclure une sorte de boîtier en forme de membrane pour permettre un réglage réversible de la luminosité. »