Une plante d’intérieur commune cache un motif qui peut révéler la formation de certaines nervures des feuilles.
Les feuilles de la plante monétaire chinoise (pilea peperomioides) affichent un motif géométrique appelé diagramme de Voronoï, rapportent des chercheurs le 12 mai dans Communications naturelles. Ce schéma peut se former lorsque des vagues d'hormones végétales se propagent à partir de minuscules pores sécrétant de l'eau et se rencontrent au cours du développement de la feuille. Un mécanisme similaire pourrait également façonner les veines d’autres plantes, affirment les chercheurs.
« Il s'agit d'une belle nouvelle extension du principe selon lequel les veines s'optimisent dans de nombreuses fonctions et ont tant de choses à nous dire », déclare Lawren Sack, biologiste végétal à l'Université de Californie à Los Angeles, qui n'a pas participé aux travaux.
Cette tendance a été découverte lorsqu'Elijah Blum, alors stagiaire au lycée du Cold Spring Harbor Laboratory à New York, a remarqué le phénomène. Pilea des feuilles fascinantes lors de la plantation pour sa sœur. Les feuilles étaient parsemées de pores d'évacuation de l'eau appelés hydathodes, chacun entouré de nervures pour former une mosaïque. Blum, maintenant à l'Université de New York, a confié l'usine à son superviseur, l'informaticien Saket Navlakha.
« Il m'a montré la plante et il m'a dit : 'Regarde, les veines ont l'air plutôt intéressantes ici' », raconte Navlakha. « Et nous l'avons en quelque sorte mis en lumière, et nous avons vu ce diagramme canonique de Voronoi. »
Dans un diagramme de Voronoï, une surface est divisée autour d'un ensemble de points de sorte que chaque point d'une zone soit plus proche du point de cette zone que tout autre. Les urbanistes utilisent la même idée pour cartographier les services tels que les services d'incendie, en attribuant les maisons à la gare la plus proche.
Des motifs semblables à ceux de Voronoï apparaissent ailleurs dans la nature, notamment dans le revêtement de la fourrure des girafes et les écailles des ailes des libellules. Mais dans un véritable diagramme de Voronoï, la mosaïque doit être générée par un ensemble de points. Dans la centrale monétaire chinoise, les hydathodes servent de points. À l'aide de tests géométriques et statistiques, Navlakha, Blum et leurs collègues ont déterminé que les relations entre les pores et les veines principales satisfaisaient aux conditions d'un diagramme de Voronoï.
L’équipe a ensuite étudié comment ce modèle pourrait se développer. L'explication conventionnelle de la formation de veines foliaires similaires est la canalisation, dans laquelle l'auxine, une hormone de développement végétal, se ramifie à travers les feuilles pour créer un réseau de canaux en forme d'arbre qui deviennent des veines. Mais la canalisation ne produirait pas de relation Voronoï avec les hydathodes. Les simulations informatiques suggèrent plutôt que, comme Pilea les feuilles se développent, des ondes d'auxine rayonnent depuis chaque hydathode, entrant en collision pour former des fronts qui finissent par devenir des veines majeures.
Le biologiste mathématique CiCi Zheng, anciennement du Cold Spring Harbor Laboratory, affirme que des recherches supplémentaires sont nécessaires pour déterminer pourquoi Pilea les feuilles suivent ce modèle. Une possibilité, dit-elle, est que le modèle de Voronoi conserve des veines principales, qui transportent l'eau, aussi loin que possible des hydathodes, où la perte d'eau culmine. « Vous souhaiterez peut-être placer les veines à proximité des endroits où l'eau s'évapore très rapidement », explique Zheng, maintenant à l'Allen Institute de Seattle.
Sack est enthousiasmé par ce que cette découverte pourrait signifier au-delà de la biologie végétale. Selon lui, des études antérieures sur les nervures des feuilles ont contribué à améliorer des technologies telles que les panneaux solaires, les circuits électroniques et les systèmes d'irrigation en incitant les ingénieurs à réimaginer la manière dont les systèmes de distribution peuvent être optimisés.
« Plus nous en savons sur les nervures des feuilles », dit Sack, « plus nous pouvons construire des systèmes fonctionnels et esthétiques autour de nous. »