Une histoire de narval avec un rebondissement inattendu
La défense du narval peut atteindre deux mètres de long et s’enroule en une spirale parfaite qui fait d’elle l’une des structures les plus étonnantes du règne animal. Une équipe de recherche internationale, à laquelle participait l’Institut Paul Scherrer PSI, a décodé la disposition de cette hélice dans la dent. Ce résultat est une première, qui a toutefois connu un rebondissement surprenant. En effet, les scientifiques ont découvert que la structure de cette spirale à l’échelle nanométrique ne tournait pas seulement dans un sens, mais dans deux sens opposés.
Le roi Frédéric III savait où trouver les vraies licornes: au 17e siècle, il décida d’envoyer une expédition au Groenland afin d’en savoir plus sur les porteurs de cette précieuse corne. Car la créature mythique vit bien dans les eaux de l’Arctique; elle n’a pas de sabots, mais des nageoires. L’expédition fut un succès et permit au souverain danois de se doter d’un trône confectionné en «cornes de licornes», qui contribua à asseoir son prestige et son pouvoir en Europe. Et ce bien que la corne légendaire soit en fait «juste» une dent.
Cette dent est toutefois unique en son genre dans le règne animal. En effet, alors que d’autres dents longues présentent une courbure – à l’image des défenses des éléphants et des morses ou des incisives des castors –, celle du narval mâle pousse vers l’avant en formant une élégante spirale. C’est généralement la canine gauche supérieure qui s’enroule dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Elle perfore la lèvre supérieure et peut parfois atteindre deux mètres de long, ce qui représente la moitié de la longueur du corps de l’animal.
C’est précisément cette croissance inhabituelle qui a éveillé la curiosité d’une équipe de scientifiques internationale et interdisciplinaire. À l’aide de techniques de radiographie de pointe, les chercheuses et chercheurs ont tenté de savoir si le sens de rotation de la spirale visible était déjà déterminé par la disposition de ses éléments constitutifs, de l’ordre du nanomètre.
Ces résultats ont donné lieu à un rebondissement inattendu. En effet, ces éléments forment deux hélices opposées – l’une tournant dans le sens des aiguilles d’une montre et l’autre dans le sens inverse –, qui s’imbriquent pour former une structure extrêmement stable.
Les analyses ont été réalisées dans trois installations synchrotron en Europe: à la Source de Lumière Suisse SLS de l’Institut Paul Scherrer à Villigen PSI, au MAX IV Laboratory de Lund (Suède) ainsi qu’à l’Installation européenne de rayonnement synchrotron ESRF de Grenoble (France). Les scientifiques présentent les résultats de leurs travaux dans la revue Nature Communications.
Une dent comme du béton armé
La dent du narval pousse sans interruption ; elle a donc le même âge que l’animal, qui peut vivre sans problème jusqu’à 70 ans. On ne sait en revanche pas exactement comment le narval utilise cet appendice. De nombreux indices laissent toutefois à penser que sa dent joue un rôle important dans le choix d’une partenaire. Des narvals ont aussi été observés alors qu’ils jouaient à «croiser l’épée» avec des congénères. Ainsi, la reproduction et l’interaction sociale semblent être les raisons les plus probables de sa présence.
Même si l’utilisation de la dent reste floue, on en sait désormais beaucoup sur la structure interne de cet appendice unique en son genre. «Tout comme les os ou les autres dents du règne animal, la défense du narval est un matériau composite complexe dont la structure s’étend des minuscules nanocomposants jusqu’à la forme visible de la dent dans son ensemble», affirme Marianne Liebi, chercheuse au PSI et co-autrice de l’étude.
La nature n’est pas le seul domaine où les matériaux composites jouent un rôle important. Un exemple classique tiré de notre vie quotidienne est le béton armé: la part de béton – un mélange de ciment et de sable – résiste à une forte pression, tandis qu’un treillis métallique assure la résistance à la traction et la stabilité. «La défense du narval doit aussi être dure et flexible à la fois», explique la chercheuse. «Sans cela, elle ne résisterait pas aux forts courants lorsque l’animal nage.»
Le matériau dominant à l’intérieur de la défense du narval est bien connu: il s’agit de dentine, la même que celle qui forme le cœur de nos propres dents. À l’extérieur, elle est entourée d’une fine couche appelée cément dentaire, un tissu qui, chez les autres mammifères, ne se trouve généralement qu’au niveau de la racine dentaire. Ces deux tissus contiennent de fines fibres de collagène, renforcées par de minuscules cristaux minéraux. Ces fibres agissent comme une armature interne, tandis que les cristaux minéraux donnent sa dureté au matériau – un peu comme dans le béton armé.
Le défi de l’étude résidait justement dans cette architecture complexe. «Les fibres de collagène et les cristaux minéraux se trouvent sur l’échelle nanométrique, tandis que la spirale de la dent n’est visible qu’à l’échelle centimétrique et métrique», explique Marianne Liebi. Pour faire le lien entre les deux et rendre l’hélice visible, de l’échelle nanométrique jusqu’à la forme macroscopique de la dent, l’équipe scientifique a eu recours à une technique de radiographie spécifique: la tomographie par tenseur.
Relier des points pour trouver les spirales
Nous connaissons les rayons X pour y avoir par exemple été confrontés chez le dentiste. Ces rayons rendent les dents visibles, car ces dernières les absorbent davantage que les tissus environnants. A l’image, on distingue en quelque sorte l’ombre de la dent.
Le rayonnement synchrotron des trois grandes installations de recherche européennes permet quant à lui de voir bien davantage. Quand ces rayons X spéciaux rencontrent des structures ordonnées de manière régulière dans le matériau, ils s’éparpillent et produisent un motif caractéristique. «À partir de ces motifs, nous pouvons déterminer comment les fibres de collagène minéralisées, de l’ordre du nanomètre, sont orientées à l’intérieur du matériau», explique Adrian Rodriguez-Palomo, premier auteur de l’étude. Il a rejoint le projet en tant que doctorant à la Chalmers University of Technology en Suède et a ensuite poursuivi ces travaux en tant que post-doctorant à l’Université d’Aarhus au Danemark.
Avec la tomographie par tenseur, la dent est mise en rotation dans le faisceau du synchrotron et balayée point par point. Des millions de points de mesure permettent ainsi de créer une image tridimensionnelle de son architecture interne, depuis les minuscules éléments constitutifs à l’échelle nanométrique jusqu’à la forme macroscopique de la dent dans son ensemble.
Au moment d’analyser ces énormes quantités de données, une surprise attendait l’équipe scientifique: l’image ne montrait rien. «Nous ne nous y attendions pas», se souvient Marianne Liebi. Des essais mécaniques avaient laissé supposer que la forme en spirale devait déjà se refléter dans les fibres de collagène et les cristaux minéraux. «Mais au lieu d’y trouver une hélice, nous n’avons constaté qu’un motif régulier.»
La solution n’est apparue que lorsque l’équipe a pris un peu de recul. Au lieu d’examiner chaque petit voxel du jeu de données tridimensionnel, les scientifiques se sont concentrés sur l’orientation spatiale de ces points. «Lorsque nous avons comparé l’orientation de ces points, les uns par rapport aux autres, une tendance s’est dessinée», se souvient Adrian Rodriguez-Palomo. «Il ne nous restait plus qu’à relier les points entre eux – à la manière de ces dessins par numéros que l’on donne à faire aux enfants – pour que la structure devienne visible et que l’on découvre deux spirales imbriquées l’une dans l’autre.»
De l’échelle nanométrique à l’hélice macroscopique
Une analyse minutieuse des données a également permis de déterminer où ces deux spirales se cachaient dans la dent. La couche externe de celle-ci, appelée cément dentaire, forme une hélice à gauche, tandis qu’à l’intérieur, les structures de collagène minéralisé dans la dentine suivent une spirale dans le sens inverse.
Cette architecture inversée n’est pas le fruit du hasard, mais une construction raffinée de la nature. Deux hélices contraires, imbriquées l’une dans l’autre, donnent à la défense du narval une stabilité exceptionnelle, à la manière des fibres torsadées d’une corde. Elles la rendent particulièrement résistante à la torsion et aux forces mécaniques. Elles sont aussi responsables de la forme sinueuse unique en son genre de la dent, apportant ainsi un rebondissement surprenant à un vieux mythe.
L’étude a été soutenue par le programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne dans le cadre du programme Marie Skłodowska-Curie. Elle fait partie du projet de recherche «Narwhal tusks – a tale with a twist» soutenu par NordForsk. Sous la direction de Henrik Birkedal de l’Université d’Aarhus, une équipe internationale et interdisciplinaire n’étudie pas seulement la structure de la dent du narval, mais aussi les liens entre sa croissance et les conditions environnementales et climatiques. Comme les anneaux dans un tronc d’un arbre, les structures de sa croissance permettent de tirer des conclusions sur les conditions environnementales ayant régné dans l’Arctique, et notamment sur le climat et l’offre de nourriture. Chaque narval mâle enregistre en effet sa propre histoire environnementale dans sa dent au cours de ses presque cent ans d’existence.