Champ hydrodynamique à l’intérieur et à l’extérieur de la structure squelettique de l’éponge de verre Euplectella aspergillum. Le champ a été reconstruit à l’aide de supercalculateurs CINECA. Les méthodologies cinétiques et les codes de calcul avancés ont permis de reconstruire avec précision les conditions de vie des éponges de profondeur, mettant en évidence leurs remarquables propriétés structurelles et dynamiques des fluides. Crédit : G. Falcucci
Publié dans la revue Nature la toute première simulation des grands fonds Vénus fleur éponge et comment elle réagit et influence le flux d’eau à proximité.
Les propriétés structurelles remarquables de l’éponge panier (E. aspergillum) peuvent sembler éloignées des structures conçues par l’homme. Cependant, des informations sur la façon dont le réseau de trous et de crêtes de l’organisme influence l’hydrodynamique de l’eau de mer à proximité pourrait conduire à des conceptions avancées de bâtiments, de ponts, de véhicules marins et d’avions, et de tout ce qui doit répondre en toute sécurité aux forces imposées par le flux d’air ou l’eau.
Alors que des recherches antérieures ont étudié la structure de l’éponge, il y a eu peu d’études sur les champs hydrodynamiques entourant et pénétrant l’organisme, et si, en plus d’améliorer ses propriétés mécaniques, les motifs squelettiques d’E. Aspergillum sous-tendent l’optimisation de la physique des écoulements dans et au-delà de sa cavité corporelle.
Champ hydrodynamique à l’intérieur et à l’extérieur de la structure squelettique de l’éponge de verre Euplectella aspergillum. Le champ a été reconstruit à l’aide de supercalculateurs CINECA. Les méthodologies cinétiques et les codes de calcul avancés ont permis de reconstruire avec précision les conditions de vie des éponges de profondeur, mettant en évidence leurs remarquables propriétés structurelles et dynamiques des fluides. Crédit : Université « Tor Vergata » de Rome
Une collaboration sur trois continents aux frontières de la physique, de la biologie et de l’ingénierie menée par Giacomo Falcucci (de l’Université Tor Vergata de Rome et de l’Université Harvard), en collaboration avec Sauro Succi (Institut italien de technologie) et Maurizio Porfiri (Tandon School of Ingénierie, L’Université de New York) a appliqué un muscle super computationnel et un logiciel spécial pour acquérir une compréhension plus approfondie de ces interactions, créant une toute première simulation de l’éponge des grands fonds et de la façon dont elle réagit et influence le flux d’eau à proximité.
L’ouvrage “Extreme flow simulations Reveal skeletal adaptations of deep-sea sponges” publié dans la revue La nature, a révélé un lien profond entre la structure et la fonction de l’éponge, mettant en lumière à la fois la capacité de l’éponge du panier à résister aux forces dynamiques de l’océan environnant et sa capacité à créer un vortex riche en nutriments dans la cavité corporelle « panier ».
“Cet organisme a été beaucoup étudié d’un point de vue mécanique en raison de sa capacité étonnante à se déformer considérablement malgré sa structure cassante et cristalline”, a déclaré le premier auteur Giacomo Falcucci de l’Université Tor Vergata de Rome et de l’Université Harvard. « Nous avons pu étudier des aspects de l’hydrodynamique pour comprendre comment la géométrie de l’éponge offre une réponse fonctionnelle au fluide, pour produire quelque chose de spécial en ce qui concerne l’interaction avec l’eau »
«En explorant le flux de fluide à l’intérieur et à l’extérieur de la cavité corporelle de l’éponge, nous avons découvert les empreintes d’une adaptation attendue à l’environnement. Non seulement la structure de l’éponge contribue à réduire la traînée, mais elle facilite également la création de tourbillons à faible vitesse dans la cavité corporelle qui sont utilisés pour l’alimentation et la reproduction », a ajouté Porfiri, co-auteur de l’étude.
La structure d’E. Aspergillum, reproduite par le co-auteur Pierluigi Fanelli, de l’Université de Tuscia, Italie, ressemble à un vase en verre délicat sous la forme d’un tube cylindrique à paroi mince avec un grand atrium central, des spicules siliceux – ainsi leur appellation couramment utilisée, « éponges de verre ». Les spicules sont composés de trois rayons perpendiculaires, leur donnant six points. Les spicules microscopiques « tissent » ensemble pour former un maillage très fin, ce qui confère au corps de l’éponge une rigidité que l’on ne retrouve pas chez les autres espèces d’éponges et lui permet de survivre à de grandes profondeurs dans la colonne d’eau.
Pour comprendre comment les éponges du panier de fleurs de Vénus y parviennent, l’équipe a largement utilisé l’ordinateur de classe exascale Marconi100 du centre de calcul haute performance CINECA en Italie, qui est capable de créer des simulations complètes utilisant des milliards de points de données dynamiques et temporo-spatiales en trois dimensions. .
Les chercheurs ont également exploité un logiciel spécial développé par le co-auteur de l’étude Giorgio Amati, de SCAI (Super Computing Applications and Innovation) au CINECA, en Italie. Le logiciel a permis de super simulations informatiques basées sur les méthodes de Lattice Boltzmann, une classe de méthodes informatiques de dynamique des fluides pour des systèmes complexes qui représentent le fluide comme un ensemble de particules et suivent le comportement de chacune d’entre elles.
Les expériences in silico, mettant en vedette environ 100 milliards de particules virtuelles, ont reproduit les conditions hydrodynamiques des fonds marins où vit E. Aspergillum. Les résultats traités par Vesselin K. Krastev à l’Université Tor Vergata de Rome ont permis à l’équipe d’explorer comment l’organisation des trous et des crêtes dans l’éponge améliore sa capacité à réduire les forces appliquées par l’eau de mer en mouvement (une question d’ingénierie mécanique formulée par Falcucci et Succi) , et comment sa structure affecte la dynamique du flux dans la cavité corporelle de l’éponge pour optimiser l’alimentation sélective par filtre et la rencontre des gamètes pour la reproduction sexuée (une question biologique formulée par Porfiri et un biologiste expert sur les adaptations écologiques chez les créatures aquatiques, co-auteur Giovanni Polverino de le Centre de biologie évolutive de l’Université d’Australie occidentale, Perth).
“Ce travail est une application exemplaire de la dynamique des fluides discrète en général et de la méthode Lattice Boltzmann, en particulier”, a déclaré le co-auteur Sauro Succi de l’Institut italien de technologie et de l’Université Harvard. Sauro Succi est internationalement reconnu comme l’un des pères de la méthode Lattice Boltzmann. “Les précision de la méthode, combiné à l’accès à l’un des meilleurs super-ordinateurs au monde, nous a permis d’effectuer des niveaux de calcul jamais tentés auparavant, qui ont mis en lumière le rôle des flux de fluides dans l’adaptation des organismes vivants dans l’abîme. “
“Notre enquête sur le rôle de la géométrie de l’éponge sur sa réponse à l’écoulement du fluide a de nombreuses implications pour la conception des immeubles de grande hauteur ou, vraiment, de toute structure mécanique, des gratte-ciel aux nouvelles structures à faible traînée pour les navires, ou des fuselages d’avions », a déclaré Falcucci. « Par exemple, y aura-t-il moins de traînée aérodynamique sur les immeubles de grande hauteur construits avec un treillis similaire de crêtes et de trous ? Optimisera-t-il la répartition des forces appliquées ? Répondre à ces questions est un objectif clé de l’équipe.
Référence : « Les simulations d’écoulement extrême révèlent des adaptations squelettiques d’éponges en haute mer » par Giacomo Falcucci, Giorgio Amati, Pierluigi Fanelli, Vesselin K. Krastev, Giovanni Polverino, Maurizio Porfiri et Sauro Succi, 21 juillet 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03658-1
Cette recherche a été financée par la CINECA Computational Grant (G. Falcucci), les projets PRIN (G. Falcucci), la Forrest Research Foundation (G. Polverino), la US National Science Foundation (M. Porfiri) et le Conseil européen de la recherche sous le Programme Horizon 2020 ERC Advance Grant (S. Succi).
