L’Homme observe depuis longtemps l’environnement qui l’entoure et plus particulièrement le vivant sous toutes ses formes. De ces observations, il s’est vu inspiré et chercha à l’imiter, voire même à innover pour améliorer son quotidien : c’est le biomimétisme. Ce concept consiste à observer et à reproduire des propriétés essentielles d’un ou plusieurs systèmes biologiques permettant de mettre au point des formes, des matériaux, et même des procédés tout aussi originaux que durables.

Bien que cette inspiration par le vivant existe depuis le commencement de nos civilisations, elle devient de nos jours de plus en plus riche et surprenante. Le vivant est et restera une source inépuisable de révélations, et ce, dans de multiples domaines : technologie, architecture, médecine, etc., laissant ainsi entrevoir une éventuelle réconciliation de nos sociétés avec la biosphère, parfois si mal connue et tant négligée par ce même observateur qu’est l’Homme.

Lui ressembler pour optimiser nos déplacements

Les animaux se meuvent dans leur environnement selon des modalités qui fascinent l’Homme. En effet, le vol des Oiseaux ou la nage des Poissons suscitent un fort intérêt dans le domaine du transport. De ces observations, il est possible d’innover et d’améliorer l’aérodynamisme de certains avions, trains ou encore certaines voitures pour optimiser nos déplacements.

L’amélioration de l’aérodynamisme d’un objet repose sur quelques paramètres physiques connus des ingénieurs : la portance, le poids, la poussée et la trainée. L’observation et l’étude de la locomotion de certains organismes offrent la possibilité d’optimiser ces moyens de transport, avec en arrière-plan des intérêts économiques et écologiques non négligeables.

Améliorer le vol des avions par l’étude du vol de la Cigogne

La Cigogne montre une efficacité remarquable dans ses déplacements (fig. 1A). Le vol d’un Oiseau, tout comme celui d’un avion, est basé sur un principe physique appelé portance (fig. 1B). Ce dernier se définit comme étant une force permettant à un objet de s’élever et de se maintenir en altitude. En détails, au cours du déplacement de la Cigogne, l’écoulement de l’air se divise en deux parties : une première passe par l’extrados, une seconde glisse vers l’intrados. Les molécules composant l’air se rejoignent ensuite au niveau du bord de fuite de l’aile. Toutefois, les distances parcourues par les molécules d’air au niveau de l’extrados et de l’intrados ne sont pas identiques. La distance à parcourir à l’extrados est plus importante que celle à l’intrados. Ainsi, pour que des molécules d’air se rejoignent au niveau du bord de fuite au même moment, l’écoulement de l’air à l’extrados doit être plus rapide qu’à l’intrados. En cela, une dépression se crée au-dessus de l’aile, alors qu’une surpression est formée en dessous. Ce différentiel de pression implique un écoulement de l’air du bas vers le haut, portant ainsi l’Oiseau en question.

Par ailleurs, l’optimisation du vol d’un avion ne se résume pas seulement à reproduire une aile d’un Oiseau sans comprendre en quoi celle-ci permet un déplacement efficace de ces organismes dans le milieu aérien. L’observation d’une Cigogne en vol présente une particularité : les plumes à l’extrémité de ses ailes sont relevées (fig. 1A).

Cette particularité semble apporter une efficacité dans le déplacement de l’animal. L’ingénieur Richard Whitcomb montra qu’une aile d’Oiseau aux rémiges primaires relevées, comme chez la Cigogne, empêchait l’air en surpression à l’intrados de rencontrer l’air en dépression à l’extrados. Ceci limiterait la formation de turbulences à l’extrémité de l’aile, et par conséquent, diminuerait sa résistance aux frottements et accroîtrait sa vitesse de déplacement (fig. 2). De nos jours, les avions possèdent des winglets aux extrémités de leurs ailes. Ces pièces optimisent le vol des avions. C’est donc à partir de l’étude du vol de la Cigogne que la vitesse des avions a pu être augmentée, que la consommation d’énergie a été réduite, et le bruit atténué.

Le Martin-pêcheur et l’optimisation du TGV japonais

Le Japon est un pays ayant une superficie de plus de 370 000 km². Pour se déplacer, les japonais ont conçu un réseau ferroviaire couvrant la majeure partie du territoire. Sur ce dernier circulent des trains à grandes vitesses ou TGV. Aussi, le Japon se caractérise par des reliefs conséquents couvrant près des deux tiers du pays. De ce fait, le maintien de la continuité du réseau ferroviaire oblige la création de nombreux tunnels. Par ailleurs, les TGV empruntant ce réseau circulent à une vitesse de 300 km/h environ. En pratique, lors de l’entrée d’un train dans un tunnel, l’air se comprime en avant du TGV par manque de place pour pouvoir s’échapper sur les côtés. Ceci provoque de puissantes explosions sonores à la sortie du tunnel, et de fortes vibrations sont générées, peu agréables pour les passagers. Puis l’entrée du TGV dans un tunnel engendre un ralentissement du train, lui demandant alors une énergie supplémentaire pour accélérer ensuite. C’est ainsi que les ingénieurs japonais ont dû chercher une solution à ces problèmes.

En observant le Martin-pêcheur se nourrir, l’ornithologue et ingénieur Eiji Nakatsu trouva un moyen d’améliorer les TGV et de solutionner les problèmes énoncés plus haut. En effet, le Martin-pêcheur est un Oiseau au corps fuselé (fig. 3). Cette morphologie permet de diminuer la trainée et d’améliorer l’aérodynamisme de l’animal lorsqu’il plonge dans l’eau pour capturer ses proies. Plus surprenant encore, le passage du milieu aérien au milieu aquatique se fait sans perte de vitesse et ne produit aucun remous. Ce phénomène peut être comparé à celui de l’entrée du TGV dans un tunnel : le train connait une résistance importante causée par la surpression de l’air, tout comme le Martin-pêcheur lors du changement de milieu au cours de sa plongée dans l’eau.

De cette comparaison, Eiji Nakatsu a confectionné un nouveau profil pour le nez du TGV (fig. 4). Ce dernier ressemble sensiblement au bec et à la tête du Martin-pêcheur. Cette innovation résout en grande partie les problèmes initiaux : réduction des vibrations et du bruit pour les voyageurs, et diminution de 15% de la consommation énergétique du train.

Une voiture écologique inspirée du Poisson-coffre jaune

De nos jours, l’industrie automobile axe ses recherches sur la conception de voitures dites écologiques. L’apparition des voitures électriques en est un exemple mais n’est pas le seul champ d’investigations des concepteurs automobiles. En effet, il est très intéressant de concevoir des voitures à la consommation de carburant réduite. Pour ce faire, après moultes observations à propos de la locomotion des Requins et autres Thons, des ingénieurs s’intéressent à un Poisson pour le moins particulier : le Poisson-coffre jaune.

Le Poisson-coffre jaune est un animal des récifs coralliens tropicaux (fig. 5). Il présente une morphologie angulaire atypique, rappelant celle d’un coffre. Pour autant, il possède des propriétés aérodynamiques proches de celle d’une goutte d’eau. Il peut nager à une vitesse de plus de 2 m/s. C’est pourquoi ce Poisson attire l’attention des ingénieurs automobiles, l’estimant ainsi comme une forme « idéale ».

Des tests en soufflerie sur un prototype inspiré du Poisson-coffre jaune, nommée Bionic car (fig. 6), souligne un bénéfice à cette forme très angulaire. La pénétration dans l’air de cette dernière est bien supérieure à celle des voitures compactes actuelles que nous connaissons. Des résultats concluants à propos de la consommation de cette voiture en carburant laisse présager une potentielle alternative aux voitures électriques. Pour preuve, comparée à une berline compacte équivalente, la Bionic car consomme en moyenne 4,3 L de carburant pour 100 km. Cette consommation peut être abaissée à 2,8 L pour une vitesse moyenne de 90 km/h. Les ingénieurs notent alors une baisse de 20% de la consommation en carburant, et de 80% des émissions de gaz à effet de serre, confirmant l’aspect écologique de ce nouveau prototype.

À côté de ces exemples d’applications biomimétiques dans le domaine de la technologie, et plus spécifiquement du transport, il est possible de s’inspirer du vivant pour inventer de nouveaux édifices majestueux.

L’imiter pour innover en architecture

Fabrication tunnel sous la Tamise (1825-1843), inspiré par le Taret

À Londres, au début du 19e siècle, l’urbanisation croissante et l’intensification des échanges font ressentir le besoin de nouvelles connexions entre les rives nord et sud de la Tamise, pour relier les docks en pleine expansion (fig. 7). Après quelques tentatives en 1799 puis en 1805, soldées par de nombreuses inondations, les ingénieurs de l’époque concluent qu’une telle construction est impossible.

Cependant, en janvier 1818, l’ingénieur anglo-français Marc Isambard Brunel trouve une solution, en proposant une nouvelle méthode de forage, inspirée d’un petit Mollusque rencontré sur un chantier naval, le Taret. Marc Brunel observe effectivement ce Mollusque creuser des galeries à travers le bois immergé, sans pour autant que son tunnel ne s’effondre sur lui. Comment s’y prend-t-il ?

Le Taret est un Mollusque bivalve marin de la famille des Teredinidae. Il ressemble à un Ver mais possède une coquille bivalve à son extrémité antérieure, lui permettant de percer le bois. Comme observé par Marc Brunel, il détruit les ouvrages en bois immergés comme les coques des navires, en y creusant de nombreuses galeries.

La coquille du Taret, au niveau de la tête, est dotée de bords dentelés qui lui permettent de creuser le bois (fig. 8). Cependant, le bois mouillé gonfle et risque d’obstruer la galerie et écraser l’animal. Pour éviter cette situation, le Taret secrète une substance qui durcit jusqu’à former une coquille protectrice autour de son corps (fig. 9A). Au fur et à mesure qu’il progresse, ce tube rigide et protecteur empêche le tunnel de s’effondrer sur lui (fig. 9B).

Inspiré de cet animal, Marc Brunel dépose un brevet pour un système de tunnelier en janvier 1818. C’est un bouclier renforcé de fonte, derrière lequel les mineurs (il pouvait en accueillir trente-six !) creusent le tunnel de face. Au fur et à mesure que le forage progresse, le bouclier est avancé, tandis que les parois du tunnel sont cerclées d’anneaux de fonte et tapissées de briques. Sept millions et demi de briques furent nécessaires pour en tapisser les parois !

Les travaux commencent en février 1825, inaugurant un forage en-dessous d’une voie navigable. La construction du tunnel va durer près de 20 ans, soit jusqu’en mars 1843, après une interruption de sept ans en janvier 1828, suite à une grave inondation.

Cette technique de forage révolutionnaire n’a cessé d’être améliorée au fil du temps : en effet, les tunneliers actuels permettant un forage automatique à l’avant, et non plus manuel, limitant les risques pour les ouvriers (fig. 10). Le métro londonien a été creusé de cette manière en 1863, ainsi que le tunnel sous la Manche en 1870, par la machine de Beaumont, qui demeure le premier tunnelier véritablement opérationnel.

Le stade de Munich (1969-1972) inspiré d’une toile d’Araignée

Les toiles d’Araignées sont remarquables par leur légèreté, leur résistance malgré leur grande taille, et leur capacité d’absorption des chocs. En effet, si l’impact créé par un Insecte qui s’englue peut détruire une petite partie de la toile, l’intégralité de la structure n’est pas affectée par le choc en question (fig. 11).

Naturellement, les architectes se sont donc inspirés des toiles d’Araignées pour exploiter leur grande capacité de résistance. Une telle structure permet en effet de couvrir une plus grande distance avec moins de matériaux, tout en étant plus résistante.

Particulièrement pertinente pour la conception de toitures imposantes, l’ossature est non seulement plus légère mais construite à moindre coût. Cette forme particulière permet de répartir les tensions de manière égale à travers le toit, assurant une plus grande résistance aux chocs.

De plus, l’étude des toiles à mis en évidence les propriétés mécaniques de résistance et d'endurance exceptionnelles de la soie. Cette fibre est constituée de protéines filamenteuses, les fibroïnes, qui forment une structure appelée feuillet β, responsable de cette grande résistance. Les architectes utilisent donc non seulement les propriétés physiques, mais aussi chimiques des toiles pour construire des charpentes de grandes dimensions, légères et résistantes, en recouvrant l’ossature d’acier d’une fine membrane de soie.

Le stade de Munich en est un bel exemple (fig. 12) : construit entre 1969 et 1972 par les architectes allemands Behnisch Günther et Frei Otto, il accueille les Jeux Olympiques en 1972. Ses toits tendus sont en forme de tente, composés de câbles qui miment les fils d’Araignée, et qui soutiennent des carreaux de verre. L’ensemble forme un toit géant translucide soutenu par des mâts, le tout de 50 à 85 mètres de hauteur. En plus d’être fiable, la construction présente un aspect moderne, esthétique, et harmonieux avec le paysage boisé qui l’entoure.

La Sagrada Familia (Barcelone) évoquant une forêt de Séquoia

L’inspiration de la nature n’est pas uniquement réservée aux prouesses techniques de l’architecture, mais apporte parfois l’esthétique, pouvant aller jusqu’au côté trompe l’oeil.

C’est le cas de la Sagrada familia, temple à Barcelone, dont la construction a commencé en 1882 et devrait se terminer… en 2026 ! Une fois achevée, elle sera la construction la plus élevée de Barcelone et l’église la plus haute du monde (fig. 13 & 14).

Projet ambitieux et trop long pour n’être l’oeuvre que d’un Homme, Gaudi passa beaucoup de temps à accompagner les jeunes vers 70 ans, pour expliquer sa vision de la Sagrada Familia et pour que les générations futures sachent comment poursuivre les travaux.

Depuis, de nombreux architectes se sont succédé à Gaudi, jusqu’à Jordi Faulí Oller qui en a la charge depuis 2012.

S’en inspirer dans le domaine de la santé

La nature est également un modèle pour l’Homme dans le domaine de la santé. L’observation de certains comportements naturels, et leurs conséquences, permet d’améliorer notre mode de vie, ou proposer des alternatives thérapeutiques. L’exemple du jeun est bien documenté et de plus en plus pratiqué.

Qu’est-ce que le jeun ?

Vous avez certainement déjà entendu parler du jeun, une pratique ancienne déjà utilisée dans l’Antiquité par Socrate, ou recommandée par Hippocrate. Allant du rituel religieux à la pratique médicalisée en passant par le simple choix de vie, cette pratique est aujourd’hui remise au goût du jour, médiatisée, et présentée comme la clé d’une bonne santé, d’une bonne digestion, ou encore d’une plus grande longévité.

Le terme jeûne englobe plusieurs types de pratique : jeûne complet (seule l’eau est permise), jeûne partiel (apport calorique très modeste, autour de 300 kcal/jour), jeûne continu ou jeûne intermittent. Il consiste à mettre la fonction digestive au repos pendant plus de la moitié de la journée dans le cas du jeun intermittent (les repas sont concentrés sur une période de 10 heures, et 14 heures de jeun). Dans le cas du jeun continu, l’objectif est d’induire un repos physiologique complet de plusieurs jours, moyen puissant pour mobiliser les forces auto-guérissantes de l'être humain aussi bien sur le plan physique que sur le plan émotionnel, d’après le médecin allemand Heinz Fahrner (1953).

En règle générale, la restriction calorique de 30% de l'apport ad libitum serait le meilleur moyen de prolonger son espérance de vie, c’est en tout cas ce qui est observé, de la simple culture cellulaire à un organisme entier (Insecte, Mammifère, champignon…).

Réduire l’apport calorique limite la production d’énergie par nos cellules, plus précisément la production d’ATP (adénosine triphosphate), la monnaie énergétique de la cellule. L’ATP est une source d’énergie pour les différents travaux de la cellule, les voies de dégradation (catabolisme) ou de synthèse (anabolisme), et permet à la cellule de vivre, se diviser, et subvenir aux besoins de l’organisme. Cette molécule est produite par différentes voies, la principale étant assurée par les mitochondries, des compartiments à deux membranes situées à l’intérieur de la cellule. Dans une mitochondrie, un flux d’électrons est assuré par des complexes membranaires, source d’énergie pour la synthèse d’ATP. Plus ce flux est intense, plus d’ATP est produit. Cette synthèse consomme de l’oxygène et libère des ROS, des dérivés réactifs de l’oxygène, produits d’un métabolisme normal. Cependant, ces ROS sont très réactifs et peuvent endommager les structures cellulaires s’ils sont présents en trop grande quantité.

En réduisant l’apport calorique des cellules, le flux d’électrons de la membrane de la mitochondrie est diminué, entraînant une baisse du potentiel de la membrane et une production plus faible de ROS, donc un stress cellulaire limité. De plus, une telle restriction stimule l’autophagie cellulaire et le renouvellement des constituants, dont les mitochondries elles-mêmes.

Le modèle des hibernants et de l’économie d’énergie

L’hibernation correspond à une phase de la vie d’un individu résidant dans un environnement saisonnier, et faisant face à des contraintes régulières de type restrictions alimentaires pendant une période donnée, l’hiver. Cette stratégie est souvent retrouvée chez les petits Mammifères comme le Hamster d’Europe ou le Lérot. En réalité, l’hibernation correspond à une succession de phases de torpeur alternées avec des phases de réveil. Pendant les phases de torpeur, qui peuvent durer entre un et plusieurs jours, on observe une baisse du métabolisme de l’animal ainsi que de sa température corporelle, jusqu’à la température ambiante. L’animal semble dormir, ne bouge pas, ne se nourrit pas. Puis, quelques jours plus tard, il se réchauffe, se réveille, peut éventuellement se nourrir s’il a stocké des réserves (comme le Lérot d’Europe), puis se rendort pour quelques jours. Cette stratégie économise de l’énergie, puisque l’animal n’en dépense pas pour maintenir sa température corporelle autour de 37 °C, ni pour se déplacer, se reproduire, ou digérer ! En effet, la fonction digestive est une des fonctions les plus énergivores, même au repos, puisque l’on digère et assimile les nutriments même pendant notre sommeil. Pratiquer le jeûne pour les hibernants est donc un moyen supplémentaire d’économiser leurs réserves d’énergie en attendant le retour de la belle saison et des ressources.

Des études en laboratoire du matériel génétique des animaux hibernants ont aussi montré que cette baisse de métabolisme qu’ils opèrent pendant quelques mois était bel et bien responsable d’un allongement de leur durée de vie. Chacune de nos cellules possède un matériel génétique, l’ADN, sous forme de chromosomes. L’extrémité des chromosomes, ou télomères, est raccourcie au fur et à mesure que la cellule et l’organisme vieillissent. Ces études montrent que les hibernants, pendant leurs phases d’hibernation, reconstruisent leurs télomères, limitant le vieillissement cellulaire. Il semble donc que la restriction calorique soit un moyen de vivre plus longtemps !

Le jeûne de l’Homme et les sociétés actuelles

Toujours pratiqué aujourd’hui en lien avec la pratique religieuse ou pour un mode de vie plus sain, le jeûne à visée préventive ou thérapeutique est utilisé dans certains pays, comme l’Allemagne, le Japon, les États-Unis. En curatif, réduire l’énergie allouée à la fonction digestive et l’induction d’un repos physiologique permettrait de focaliser les réserves du corps pour combattre une infection ou une pathologie. Cependant, cette méthode n’est pas appliquée en France, à cause d’un manque d’essais cliniques méthodologiques et de résultats rigoureux, qui ne permettent pas de vérifier les effets théoriques ou observés dans la nature. En revanche, la communauté scientifique s’y intéresse de plus en plus, comme par exemple la création d’un symposium « Jeûne et maladies », ou des sujets de recherches plus poussés sur l’étude du jeûne.

Des associations (Terre du Ciel, Kousmine) proposent des stages de jeûne supervisés par des médecins. Ces stages sont généralement sur 7 jours, destinés aux personnes en bonne santé, et peuvent être couplés à d’autres activités comme le yoga, la randonnée. Le jeûne s’inscrit alors dans une dynamique de soin holistique, qui valorise un équilibre et un bien-être général.

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*Laura Charlanne est docteure en écophysiologie animale et agrégée de sciences de la vie, sciences de la Terre et de l’univers.