Des cristaux photoniques dans les bégonias

Dans les régions tropicales, les plantes vivant sous la canopée sont soumises à des conditions de luminosité particulièrement peu favorables. Les végétaux des étages supérieurs ayant capté l’essentiel de la lumière solaire, principalement dans les radiations rouges et bleues, il ne reste aux plantes de sous-bois qu’une faible quantité de lumière, dans les longueurs d’ondes vertes principalement. Comment effectuer la photosynthèse dans ces conditions ? Certains membres du genre Begonia (figure 1.A) disposent pour cela de structures originales : les iridoplastes (figure 1.B et 1.C).

Une équipe de l’université de Bristol a récemment caractérisé la structure des iridoplastes d’hybrides de Begonia grandis × Begonia pavonina[1]. Les Begonia sont en effet des plantes typiques des sous-bois peu éclairés des forêts tropicales. Les chercheurs ont montré que les iridoplastes, localisés dans l’épiderme des feuilles de Begonia, sont des chloroplastes [2] modifiés où les granums présentent un espacement régulier de 170 ± 20 nm (figure 4). Les granums d’un iridoplaste sont formés d’un nombre constant de thylakoïdes, trois en moyenne. Cet arrangement périodique des granums confère aux iridoplastes les propriétés d’un cristal photonique.

Source - © Nature Plants, vol. 2, no 11, p. 16162, oct. 2016

Figure 1. A. Photographie d’une feuille de Begonia grandis × Begonia pavonina, montrant l’iridescence bleue ; B. Iridoplaste observé au microscope électronique à transmission (barre d’échelle : 1 µm) ; ds : espace entre les granums (environ 120 nm) ; dm : épaisseur d’un granum (environ 43 ± 5 nm pour un granum constitué de trois thylakoïdes ; Λ : période, 170 ± 20 nm ; C. Iridoplaste observé au microscope électronique à balayage

Note sur les cristaux photoniques fabriqués en laboratoire ou dans la nature

Les cristaux photoniques sont des structures nanoscopiques qui modifient la propagation de la lumière. Ces structures, analogues aux semi-conducteurs de la physique du solide, présentent des bandes de fréquences interdites à la propagation de la lumière. Ils sont appelés photoniques car ils interagissent avec les échelles de la lumière visible (400 nm à 700 nm) : la taille du réseau est du même ordre de grandeur.

Par exemple, il est possible de donner une couleur à des objets simplement en structurant un réseau périodique au sein de la matière. Sur la figure 2.D, un cristal a été fabriqué par l'empilement périodique de sphères de latex de diamètre 500 nm. Au niveau macroscopique, il sera coloré sans pourtant ne contenir aucun pigment ou colorant.

On parle ici de « couleur physique », dans le sens où il n’y a pas un pigment responsable de la coloration mais une couleur qui résulte d’un phénomène d’interférences lumineuses. Ainsi un cristal photonique change de couleur selon l’indice du milieu dans lequel il est observé.

On retrouve cela en observant l'aile du papillon Morpho menelaus dont la couleur ne provient pas d'un pigment mais est le résultat des microstructures périodiques constituant les écailles de ses ailes (figure 2.E).

Source - © Nature Plants, vol. 2, no 11, p. 16162, oct. 2016

Illustrations tirées de la conférence de Hervé Arribart « Des matériaux du vivant aux nanomatériaux »

Figure. Figure 2 : D. Cristaux colloïdaux de sphères de latex de diamètre 500 nm. Source : G. Maret et al. (2004) ; E. Ailes de papillon Morpho Menelaus. Source : S. Berthier (2000).

On pourra consulter :

• La conférence de Hervé Arribart « Des matériaux du vivant aux nanomatériaux »
• L'article sur l'origine des couleurs de Gabrielle Bonnet « La couleur »
• La conférence de Boris Gralak « Des cristaux photoniques aux métamatériaux »

Au niveau macroscopique, l'arrangement périodique des grana se traduit par l’iridescence des feuilles de Begonia, qui présentent une coloration bleue variable en fonction de l’angle d’observation. Au niveau microscopique l’iridescence est due à des phénomènes d’interférence. Ces interférences sont responsables d’une diminution de l’absorption des longueurs d’ondes bleues (interférences destructives) mais d’une augmentation de l’absorption des longueurs d’ondes vertes et rouges (interférences constructives) par la plante.

Le cristal photonique formé par la répétition du motif des grana vient piéger certaines longueurs d'onde, il en résulte la présence d'ondes stationnaires à l'intérieur du réseau. La figure 3 présente la distribution spatiale de l'intensité lumineuse sur une coupe verticale composée d'une succession de grana et stroma (figure 2.B).

Les chercheurs ont ainsi montré que pour une longueur d'onde dans le bleu λ = 460 nm, les grana se situent sur les noeuds de vibration, alors que pour le vert λ = 460 nm, les grana se situent sur les ventres (figure 3). Cela explique pourquoi il y a plus d'absorption dans le vert que dans le bleu.

Source - © Nature Plants, vol. 2, no 11, p. 16162, oct. 2016

Figure 2. Intensité lumineuse dans l'iridoplast pour trois différentes longueurs d'onde principalement présentes sous la canopé et une distance ds = 125 nm entre les grana (zones en gris sombre) et les stroma (zones en gris clair) ; y représente la position dans la coupe verticale et Eo, le champ incident

La structure particulière des iridoplastes permet de favoriser la photosynthèse de deux façons :

Les iridoplastes pourraient donc constituer un avantage sélectif pour les plantes qui en sont dotées, en améliorant leur nutrition, même si d’autres études seraient à réaliser pour le démontrer.

Références:

[2] Les chloroplastes sont les structures qui réalisent la photosynthèse chez les plantes. Ils sont présents à l'intérieur des cellules et sont constitués de petits sacs aplatis appelés thylacoïdes qui peuvent s'empiler pour former des structures appelées granums (ou grana). La longueur moyenne des chloroplast est d'environ 5 µm.

Source - © Wikipedia - Vossman

Figure. Schéma d'un chloroplast. Les granums présentent un espacement régulier de 170 ± 20 nm