Mesures expérimentales de sections transversales de pommes à différents stades de croissance. Crédit : Harvard SEAS
À l’aide de théories et d’expériences, les chercheurs montrent comment les pommes obtiennent leurs caractéristiques distinctes en forme de cuspide.
Les pommes sont parmi les fruits les plus anciens et les plus reconnaissables au monde. Mais avez-vous déjà vraiment pensé à la forme d’une pomme ? Les pommes sont relativement sphériques, à l’exception de cette fossette caractéristique au sommet où pousse la tige.
Comment les pommes poussent-elles cette forme distinctive?
Aujourd’hui, une équipe de mathématiciens et de physiciens a utilisé des observations, des expériences en laboratoire, la théorie et le calcul pour comprendre la croissance et la forme de la cuspide d’une pomme.
L’article est publié en Physique de la Nature.
« Les formes biologiques sont souvent organisées par la présence de structures qui servent de points focaux », a déclaré L Mahadevan, professeur Lola England de Valpine de mathématiques appliquées, de biologie organique et évolutionnaire et de physique à la Harvard John A. Paulson School of Ingénierie et sciences appliquées (SEAS) et auteur principal de l’étude. « Ces foyers peuvent parfois prendre la forme de singularités où se localisent les déformations. Un exemple omniprésent est vu dans la cuspide d’une pomme, la fossette intérieure où la tige rencontre le fruit.
Simulations de formation de cuspides. Crédit : Harvard SEAS
Mahadevan avait déjà développé une théorie simple pour expliquer la forme et la croissance des pommes, mais le projet a commencé à porter ses fruits lorsque les chercheurs ont pu relier des observations de vraies pommes à différents stades de croissance et des expériences sur gel pour imiter la croissance avec la théorie et les calculs.
L’équipe de recherche a commencé par récolter des pommes à divers stades de croissance dans un verger du Peterhouse College de l’Université de Cambridge au Royaume-Uni (l’alma mater d’un autre célèbre amateur de pommes, Sir Isaac Newton).
À l’aide de ces pommes, l’équipe a cartographié la croissance de la fossette, ou cuspide comme ils l’appelaient, au fil du temps.
Pour comprendre l’évolution de la forme de la pomme et de la cuspide en particulier, les chercheurs se sont tournés vers une théorie mathématique ancienne connue sous le nom de théorie de la singularité. La théorie de la singularité est utilisée pour décrire une multitude de phénomènes différents, des trous noirs à des exemples plus banals tels que les motifs lumineux au fond d’une piscine, la rupture des gouttelettes et la propagation des fissures.
« Ce qui est passionnant avec les singularités, c’est qu’elles sont universelles. La cuspide de la pomme n’a rien à voir avec les motifs lumineux d’une piscine ou une gouttelette qui se détache d’une colonne d’eau, mais elle a la même forme qu’eux », a déclaré Thomas Michaels, ancien stagiaire postdoctoral à SEAS et co- auteur principal de l’article, maintenant à l’University College de Londres. « Le concept d’universalité est très profond et peut être très utile car il relie des phénomènes singuliers observés dans des systèmes physiques très différents.
À partir de ce cadre théorique, les chercheurs ont utilisé la simulation numérique pour comprendre comment la croissance différentielle entre le cortex du fruit et le noyau entraîne la formation de la cuspide. Ils ont ensuite corroboré les simulations avec des expériences qui imitaient la croissance de pommes en utilisant un gel qui gonflait avec le temps. Les expériences ont montré que des taux de croissance différents entre le gros de la pomme et la région de la tige entraînaient une cuspide en forme de fossette.
“Être capable de contrôler et de rejouer la morphogenèse de cuspides singulières en laboratoire avec des kits d’outils de matériaux simples était particulièrement excitant”, a déclaré Chakra Aditibsens, stagiaire postdoctoral à SEAS et co-auteur de l’article. “La variation de la géométrie et de la composition des imitateurs de gel a montré comment plusieurs cuspides se forment, comme on le voit dans certaines pommes et autres drupes, telles que les pêches, les abricots, les cerises et les prunes.”
L’équipe a découvert que l’anatomie sous-jacente du fruit ainsi que l’instabilité mécanique peuvent jouer un rôle conjoint en donnant naissance à de multiples cuspides dans les fruits.
“La morphogenèse, littéralement l’origine de la forme, est l’une des grandes questions de la biologie”, a déclaré Mahadevan. « La forme de l’humble pomme nous a permis de sonder certains aspects physiques d’une singularité biologique. Bien sûr, nous devons maintenant comprendre les mécanismes moléculaires et cellulaires derrière la formation de la cuspide, alors que nous nous dirigeons lentement vers une théorie plus large de la forme biologique. »
Référence : « The cusp of an apple » par Aditi Chakrabarti, Thomas CT Michaels, Sifan Yin, Eric Sun et L. Mahadevan, 4 octobre 2021, Physique de la nature.
DOI : 10.1038 / s41567-021-01335-8
Cette recherche a été co-écrite par Sifan Yin, un étudiant invité de l’Université Tsinghua et Eric Sun, un ancien premier cycle du laboratoire.
