Pourquoi la pomme se plie-t-elle vers l'intérieur autour de la tige ?
Lorsque j'ai entendu parler pour la première fois de recherches sur la forme des pommes, j'ai immédiatement pensé au prix IgNobel. Ce prix récompense une recherche improbable qui fait d'abord rire puis réfléchir. La prochaine cérémonie de remise des prix n'aura pas lieu avant septembre, mais je veux donner un pourboire à ce candidat à l'avance.
La pomme se plie vers l'intérieur autour de la tige, mais pourquoi en est-il ainsi ? Je ne m'étais jamais posé la question moi-même, mais une équipe dirigée par le mathématicien L. Mahadevan l'a fait. Les chercheurs ont publié la réponse dans Nature Physics † Ce qui est formidable dans leur travail, c'est qu'ils ont combiné quatre méthodes pour étayer leurs résultats :l'observation, la théorie, la simulation et l'expérimentation.
Pour commencer, ils ont cueilli des pommes à différents stades :de juste après la phase de floraison à une pleine maturité. Ils l'ont fait avec un certain sens de la romance dans un verger de Cambridge, l'université où travaillait Isaac Newton. Après tout, Newton a affirmé avoir été inspiré par la chute des pommes dans ses recherches sur la gravitation universelle. Mahadevan et son équipe espèrent que leur travail mènera également à des connaissances universelles sur l'origine des formes biologiques et autres.
En comparant les coupes transversales de pommes en croissance, ils ont remarqué que les pommes ressemblaient initialement à de nombreuses baies ou raisins, qui n'avaient pas d'indentation sur la tige. La forme caractéristique n'apparaît qu'après que la pomme a augmenté plusieurs fois de volume. Après cela, la pomme s'épaissit beaucoup, mais la forme autour de la tige reste essentiellement la même.
Les mathématiciens reconnaissent une courbe dans le haut d'une pomme coupée avec un tournant :là où la tige est attachée à la pomme, la peau change soudainement de direction. De plus, la relation entre la hauteur et la distance au centre est une simple fonction puissance (avec puissance 2/3).
L'équipe a voulu expliquer comment cette forme se forme. Étant donné que la pomme commence en forme de baie, aucune fossette ne se formerait si la pomme poussait au même rythme dans toutes les directions. Cependant, la pomme ne peut pas pousser du tout au sommet, car la tige rigide y fait obstacle. Les chercheurs ont donc émis l'hypothèse que le taux de croissance augmente progressivement de la tige vers l'extérieur, où la croissance atteint un taux constant.
Ils ont vérifié leur hypothèse avec des simulations :un modèle informatique d'une pomme en forme de baie à laquelle ils ont appliqué le taux de croissance hypothétique. Ces simulations ont en effet abouti à une forme typique de pomme. Pour étayer davantage leur hypothèse et mieux comprendre le processus de croissance, ils ont également mené des expériences.
J'ai eu le plaisir d'en parler via Zoom avec le premier auteur :Aditi Chakrabarti est docteur en génie chimique. Elle a parlé de la recherche de deux polymères avec le même squelette et des chaînes latérales différentes, de sorte que l'un se dilate fortement dans un solvant et l'autre ne se dilate pas du tout. Ils ont réussi :ils ont transformé un polymère en une "pomme" en forme de baie et l'autre en une "tige".
Ils ont permis à une telle série de "croître" un peu plus longtemps dans le solvant. Les coupes transversales montrent que la forme typique de la pomme apparaît également ici. Cela confirme une fois de plus l'hypothèse selon laquelle c'est la tige qui entrave la croissance.
Ce qui est surprenant, c'est que la structure interne de la pomme (telle que le noyau et le nombre de pépins) ne joue aucun rôle dans cette explication. Les chercheurs ont cependant trouvé des indications selon lesquelles des formes asymétriques dans les pommes et d'autres fruits en sont originaires. Il y a donc certainement place pour de nouvelles recherches. Pas seulement pour les pommes, d'ailleurs :les mêmes schémas de croissance peuvent également être trouvés dans d'autres formes biologiques, telles que les plis de notre cerveau.
Un merveilleux candidat pour un prix IgNobel ! Le chef de groupe Mahadevan a déjà reçu le prix pour ses recherches sur la façon dont le papier se froisse. Les mêmes processus jouent dans la formation des rides de la peau humaine, de la trompe d'un éléphant et même à l'échelle beaucoup plus grande des montagnes.
De plus, la fascination de Mahadevan pour les plis a abouti à un algorithme qui lui permet de se rapprocher de n'importe quelle forme grâce à une combinaison de plis. Il en a fait breveter, car il trouve naturellement de nombreuses applications dans l'industrie de l'emballage. Il en va de même en science :celui qui rira le dernier rira le mieux.
