Actualité de l'ENS de Lyon

Des chercheurs ont reproduit expérimentalement les caractéristiques physiques et mécaniques de la forme des vrilles végétales, notamment quand elles présentent une « perversion de vrille » où le sens de l’hélice s’inverse. Une collaboration du laboratoire MSC (CNRS/Université Paris Cité), de l’Institut Jean Le Rond d’Alembert de Paris (DALEMBERT, CNRS / Sorbonne Université) et du RDP (CNRS/ENS de Lyon/Inrae), parue dans la revue Physical Review Letters.

Face aux périodes de canicule qui s’abattent en été sur nos territoires, chaque fois un peu plus intenses et plus longues, les édiles des grandes villes essaient par tous les moyens d’éviter que leur cité ne devienne tout simplement invivable à cette période de l’année. Ainsi, on a pu voir récemment des parasols végétaux être installés sur les parvis de certaines gares de l’Hexagone : une structure ressemblant à un parapluie a été conçue pour soutenir et guider la croissance d’une plante grimpante, de manière à ce que celle-ci soit dirigée au mieux et contribue à créer un îlot de fraîcheur.

Dans ce contexte de végétalisation progressive des villes, la compréhension des mécanismes associés à la croissance et à la capacité des plantes à grimper efficacement est donc importante. Parmi eux, la fabrication de vrilles est une méthode couramment adoptée par la nature pour renforcer l’appui des végétaux sur leur support de croissance : on en voit par exemple dans la vigne bien sûr, mais aussi dans la famille des cucurbitacées (concombre, courge, brione dioïque) ou encore dans des plantes grimpantes à fleurs comme les pois de senteur ou la clématite. Ces organes hélicoïdaux que sont les vrilles résultent d’une croissance inhomogène de leur structure qui génère une courbure spontanée et donc une croissance en hélice. Parmi les avantages évolutifs possibles de ces formes, on peut noter qu’elles contribuent au serrage du lien entre la plante et le support, mais aussi qu’elles dotent ces liens d’accrochage délicats d’une certaine élasticité qui retarde leur rupture en cas de forte sollicitation.

La formation des hélices peut se faire selon deux modalités équivalentes, l’hélice tournant en progressant soit dans un sens soit dans le sens opposé. Dans une première phase de croissance, l’organe n’est généralement pas hélicoïdal, l’hélice apparaissant seulement dans un second temps du fait d’une croissance inhomogène dans les sections transverses de l’organe. Si la vrille a trouvé son support et s’y est fixée, la tige va se vriller tout le long du trajet, avec un nombre de tours dans un sens qui égalera (très souvent à une ou deux unités près) le nombre de tours dans l’autre sens, comme Darwin l’avait déjà remarqué : ceci entraîne que les vrilles effectivement accrochées se présentent comme deux hélices de sens opposés reliées par une connexion bien reconnaissable, la « perversion de vrille » (voir figure) : les personnes ayant connu les téléphones filaires à cordon hélicoïdal ont forcément vu de ces défauts entre leur combiné et le corps de l’appareil...

Le comportement mécanique de ces systèmes demeure à ce jour insuffisamment décrit, ce qui a motivé le travail récent de la collaboration DynaVine rassemblant les chercheurs du Laboratoire Matière et Systèmes Complexes de Paris (MSC, CNRS / Université Paris Cité), de l’Institut Jean Le Rond d’Alembert de Paris (DALEMBERT, CNRS / Sorbonne Université) et du Laboratoire Reproduction et Développement des Plantes de Lyon (RDP, CNRS / ENS de Lyon / INRAE). En réalisant une expérience de formation de perversion de vrille dans des tiges hélicoïdales en élastomère (par rotation contradictoire d’une extrémité), les chercheurs ont établi le diagramme de phase expérimental et théorique d’existence de ces perversions en fonction de l’élongation de la tige et de la rotation à ses extrémités, un diagramme qui montre une analogie structurelle avec la transition liquide-gaz des fluides simples (les deux phases étant les hélices de chiralité opposée). Ils ont étudié de plus les contraintes en force et couple qu’exercent ces vrilles sur leur support en fonction du nombre de tours dans la structure, et montré que le couple est largement indépendant du nombre de tours quand une perversion est présente dans le système.

La compréhension mécanique des tiges présentant une perversion de vrille ouvre la voie à l'exploration de la dynamique temporelle du vrillage dans les plantes sous contrainte mécanique, et à l’étude systématique des modalités par lesquelles les plantes à vrille parviennent à se hisser le long de leur support. Ces résultats sont publiés dans les Physical Review Letters.

Référence
Traveling Perversion as Constant Torque Actuator. Émilien Dilly, Sébastien Neukirch, Julien Derr et Dražen Zanchi. Phys. Rev. Lett., 24 octobre 2023.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.131.177201
Archive ouverte HAL : hal-04067727