Sommaire
Constat de départ
Le Ver à Soie et
l’Araignée : deux producteurs de soie pour deux buts différents
1 Structure
et composition de la soie
2 La soie du bombyx
mori ou ver à soie
Pourquoi la chenille du bombyx mori
produit-elle de la soie ?
Quelles sont les propriétés de la
soie du bombyx du mûrier ?
3 La soie de l’araignée
Pourquoi l’araignée produit-elle de
la soie ?
Quelles sont les propriétés qui
rendent la soie d’araignée si particulière ?
4 La soie et
son intérêt futur
Annexe n°1
Comment la soie est-elle « née » ?
Annexe n°2
Pourquoi la soie d’araignée n’a t
elle pas été exploitée par l’Homme de la même manière que la soie de la
chenille du bombyx mori ?
Mots clefs
Constat de départ
Depuis l’Antiquité, l’Homme a utilisé la soie pour
ses remarquables propriétés textiles. En effet, la soie regroupe des qualités
qu’aucune autre fibre de synthèse ne possède, comme le montre le document
ci-dessous :
Courbe
contrainte-déformation
De là, nous nous sommes posés la question
suivante : pourquoi la soie est-elle aussi résistante ?
Pour mieux illustrer ces surprenantes qualités,
nous avons choisi deux cas particuliers : la soie de la chenille du bombyx
mori, plus connu sous le nom de ver à soie, et la soie de l’araignée. Il faut
savoir que la soie du ver à soie a été utilisée par l’Homme depuis l’Antiquité.
Cependant, depuis tout aussi longtemps, l’Homme a convoité la soie de
l’araignée sans succès. Comme le montre le document ci-dessus, la soie
d’araignée possède les mêmes propriétés (résistance, élongation, résilience)
que celles du ver à soie, mais deux fois supérieures.
Pour finir, nous verrons quelles seront les
nouvelles applications dans de diverses domaines de ces deux types de soie dans
le futur.
Le ver à soie et
l’araignée : deux producteurs de soie pour deux buts différents
1- Structure et composition de la soie
La soie est essentiellement constituée de deux protéines :
fibroïne (63,5%) et séricine (22,5%). La fibroïne constitue la
partie centrale du brin tandis que la séricine entoure la partie centrale du
brin. Les 14% restants regroupent des matières grasses, minérales, et des
traces d’eau.
Cependant, la séricine n’est pas à l’origine des
qualités textiles de la soie ; elle ne lui donne que sa coloration. Ainsi
les propriétés de la soie reposent sur la fibroïne.
La fibroïne est une protéine fibreuse dont la
composition et la structure confèrent au fil de soie ses qualités. Elle est
composée de chaînes polypeptidiques.
La séquence répétitive d’acides aminés donne lieu
à une structure fortement cohérente qui procure au fil de soie ses propriétés
uniques. Il existe deux régions qui présentent des séquences répétitives
d’acides aminés : une séquence riche en alanine et une séquence riche en
glycine.
La forme d’une structure repliée appelée feuillet
bêta prise par la protéine est due à la séquence riche en alanine. Elle
s’apparente à un feuillet de papier en accordéon. Lorsque la protéine de soie
se replie, les feuillets bêta se juxtaposent pour produire une protéine
densément constituée (comme le montre la figure ci-dessous à droite). Les
feuillets bêta, de plusieurs molécules de protéines, sont maintenu entre eux
par plusieurs liaisons hydrogènes pour former des cristallites bêta, qui
donnent à la soie sa force et sa résistance.
Pour sa part, la séquence riche en glycine forme
des spirales. Ces spirales ne sont modifiées qu’au moment où la soie est
sécrétée ou étirée. Au moment de leur sécrétion, les spirales forment un type
d’hélice particulier. Ce type d’hélice augmente davantage la résistance
mécanique de la soie d’araignée, elle est appelée hélice 31. Ces hélices
confèrent à la soie d’araignée son élasticité qui peut être comparée à un
ressort.
2- La soie du bombyx mori ou ver à soie
Définition du ver à soie : petit animal allongé au corps cylindrique et mou,
dépourvu de pattes, chenille du bombyx du mûrier qui s’enferme dans un cocon de
soie en vue de sa métamorphose en papillon.
Pourquoi la chenille du bombyx mori produit-elle de la soie ?
Comme toute chenille de papillon, la chenille du
bombyx mori s’isole pour se transformer en chrysalide. Cependant, la
chenille du bombyx mori avant de se transformer en chrysalide, tisse un cocon
de soie de 500 à 1500 m de fil. Ce cocon lui sert à se protéger des conditions
extérieures afin qu’elle puisse commencer les étapes
de sa métamorphose en papillon.
C’est aux alentours du trentième jour que le ver
cesse de manger et cherche une branche à laquelle il va se fixer pour effectuer
sa transformation. Une fois en place, il décrit dans l’espace avec sa tête
plusieurs dizaines de millions de huit. Au même moment, il sécrète une
« bave » filamenteuse et visqueuse au rythme de 30 cm par minute.
Cette « bave » durcit au contact de l’air, elle devient ainsi une
fibre. Le ver tisse son cocon pendant deux à trois jours avant de prendre sa
forme de chrysalide.
La chenille du bombyx du mûrier tisse son cocon
grâce à un appareil séricigène situé à l’arrière de la bouche. Il est constitué
par deux longs tubes sinueux et brillants en forme de glandes, de chaque côté
du tube digestif. La partie postérieure de chaque glande présente de très
nombreux replis. C’est à ce niveau qu’est sécrétée la soie. La partie moyenne
sert de réservoir de soie tandis que la partie antérieure, très fine forme le
tube excréteur. Les deux tubes se rejoignent à la base de la tête dans un canal
commun, (trompe soyeuse ou filière) où les deux brins de soie s'accolent sans
se fusionner pour former un seul fil appelé la bave.
Au cours des siècles, le ver à soie a été
sélectionné comme le seul être vivant à produire un fil de soie aussi long.
Progressivement, la quantité de soie produite a augmenté. La mise au point
d’hybrides a aussi contribué à l’augmentation de la quantité de soie.
Quelles sont les propriétés de la soie du bombyx du mûrier ?
Le cocon du ver à soie se dévide en un seul long
fil continu très long. Ce qui n’est pas le cas d’autres espèces séricigènes
dont la soie est exploitée. De plus, au cours du temps, le bombyx du mûrier est
devenu dépendant de l’homme, étant domestiqué par celui-ci depuis quatre mille
cinq cents ans. La soie a jusqu’à maintenant servi dans l’industrie textile
pour ses diverses qualités :
® grand pouvoir isolant
thermique: elle permet de garder la chaleur en hiver et la fraîcheur en
été,
® très grande élasticité,
® grand pouvoir absorbant,
® les tissus faits de soie ne se froisse
pas,
® grande ténacité du fil,
® les vêtements de soie sont légers tout en
conservant leur forme,
® finalement, les vêtements en soie ne
provoquent pas d’irritation de l’épiderme.
Toutefois, la soie du bombyx mori présente
certains défauts. D’une part, la soie peut être attaquée par la sueur et
résiste mal aux micro-organismes. D’autre part, la soie résiste mal à la fibrillation.
Enfin, elle est sensible à la lumière, c’est à dire qu’elle jaunit et perd de
sa solidité.
3- La soie de l’araignée
Définition de l’araignée :
les araignées
font partie de la famille des arachnides (classe d’arthropodes
terrestres dont le corps est composé d’un céphalothorax, d’un abdomen
et de quatre paires de pattes), leur taille varie selon les espèces allant
d’une fraction de millimètre à vingt-cinq centimètres environ ; elles sont
munies de crochets à venin et de glandes séricigènes.
« Une petite main noire et poilue crispée sur des
cheveux.
Toute la nuit, au nom de la lune, elle
appose ses scellés. »
Jules Renard, Bestiaire
Pourquoi l’araignée produit-elle de la soie ?
L’araignée produit de la soie pour de
multiples utilisations :
® pour se déplacer ; elle s’en sert aussi comme fils de secours qui
l’aident à se retenir si elle tombe et à retrouver son chemin,
® pour
délimiter son territoire,
® pour
confectionner des cocons pour protéger ses œufs,
® pour
empaqueter ses proies,
® pour
construire les différentes parties de sa toile,
® pour
réaliser des nids voire même tapisser des terriers,
® chez certaines araignées de petite taille, en particulier les jeunes,
elles tissent un fil appelé fil
de la Vierge qui leur permet de se faire porter par le vent sur des
distances dépassant parfois cent kilomètres !
Et l’on sait qu’une même araignée
produit plusieurs types de soies. Cela s’explique par le fait que l’araignée
dispose de plusieurs types de glandes séricigènes. Les glandes séricigènes sont
situées à la base postérieure de l’abdomen. Chaque type de glande débouche à
l’extérieur par des orifices bien déterminés qui sont placés à l’extrémité des
filières, appelés fusules. Ces fusules, très nombreuses, forment
l’embouchure des glandes séricigènes. A leur extrémité, se trouve un pore à
travers lequel s’effectue la sécrétion des glandes séricigènes. Toutefois, la
soie sécrétée par les glandes séricigènes est soluble et forme de minuscules
gouttes. Sous l’effet d’une technique de filage, la soie liquide se transforme
en un fil de soie élastique. Cette transformation est permise par un étirement
énergique des gouttes de soie par l’araignée.
Pour illustrer cette diversité des glandes séricigènes chez l’araignée, nous
avons choisi
l’exemple de l’épeire fasciée :
Le document ci-dessus présente
schématiquement les différentes glandes séricigènes et l’utilisation
correspondante qu’en fait l’araignée :
® les glandes
ampullacées fournissent les fils de soutien de la toile,
® les glandes
pyriformes fournissent les fils adhésifs de la spirale de la toile,
® les glandes
aciniformes fournissent le fil pour empaqueter les proies,
® les glandes
tubuliformes fournissent le fil pour construire les cocons.
Quelles sont les propriétés qui rendent la soie d’araignée si
particulière ?
La soie d’araignée présente de remarquables
propriétés :
® les fils de soie ont une résistance spécifique(1,3 GPa) plus grande
que celle de l’acier et une résilience(16´104
J/kg) plus élevée que celle d’un polymère synthétique, tout en étant plus fins
qu’un cheveu (0,02 mm),
® ils sont
moins résistants que le kevlar, mais plus extensibles,
® l’élasticité
de la soie l’araignée est unique étant donné que peu de fibres ayant une
résistance à la tension comparable à celle de la soie d’araignée peuvent subir
un étirement de plus de 40 % avant de se rompre.
Pour mieux illustrer ces propriétés,
le tableau ci-dessous établit la comparaison entre la soie d’araignée, le
kevlar et l’acier :
|
|
Résistance (g/d) |
Module d’élasticité (g/d) |
Energie de rupture (´103 J/kg) |
Elongation (%) |
|
Fil d’araignée |
21,0 |
500 |
120 |
5-35 |
|
Kevlar |
22,0 |
850 |
30 |
2,4 |
|
Fibre d’acier |
4,0 |
290 |
2 |
1,4 |
4- La soie et son intérêt futur
La résistance des protéines de la soie a été utilisée pendant des siècles
dans le domaine médical, comme matériel de suture. Des problèmes au niveau
immunologie liés à la séricine (partie non-cristalline de la fibre de soie) ont
freiné cet usage de la soie pendant les vingt dernières années. Cependant après
séparation et purification par une opération appelée décreusage qui consiste à
tremper la fibre de soie dans de l'eau chaude légèrement alcaline ou acide, la
fibroïne présente une biocompatibilité semblable à des matériaux de suture plus
couramment utilisés. Ceci a renouvelé l'intérêt des chercheurs pour utiliser la
fibroïne comme matière biologique.
Les fibres de soie du bombyx mori possèdent des propriétés uniques qui
remplissent plusieurs critères nécessaires pour un échafaudage pour de la
matière biologique. La soie peut être arrangée en fibres, éponges ou en
membranes. Ceci fait de la soie un excellent substrat pour des applications
biomédicales telles que des greffes de matière biologique (greffes
artérielles), des cultures de cellules, des porteurs de cellules ou encore des
systèmes de filtrage pour des fluides biologiques.
Compte tenu de ses propriétés particulières, notamment sa solidité
supérieure, sa plus grande élasticité, ses qualités biodégradables et une
multitude de qualités de fil, la soie d’araignée fait l’objet de programmes de
recherches centrés sur les applications dans la médecine pour la restauration
des organes, en particulier les tissus biologiques reconstituants : en
effet il s’avère que le fil de soie d’araignée peut constituer le matériau
naturel qui fournirait la structure de base pour la reconstruction de certains
organes d’articulation endommagés (muscles,…). Dans un futur proche, les
chercheurs espèrent être en mesure de fabriquer des tendons artificiels.
Au delà des applications médicales, les usages militaires (parachutes,
gilets pare-balles), automobiles (pneus, châssis des formules1,…), sportives
(raquettes,…) et textiles sont nombreux mais nécessitent une production en
quantité industrielle, ce qui est délicat à obtenir dans la mesure où les
araignées se prêtent difficilement à un élevage intensif et contrôlé.
Dans la recherche des moyens de production en série, l’on a décelé une
grande similitude entre les cellules des glandes séricigènes de l’araignée et
celles des glandes mammaires de la chèvre. Grâce à une transplantation du gène
qui code pour la protéine de soie d’araignée dans le patrimoine génétique de la
chèvre, on a ainsi réussi à faire produire à des chèvres transgéniques cette
précieuse fibre sous une forme soluble dans le lait.
Dans le même domaine, une autre piste de recherche est d’utiliser le bombyx
mori transgénique pour la production industrielle de la protéine de soie
d’araignée.
Annexe n°1
Comment la soie est-elle « née » ?
De nombreuses légendes entourent la soie. Malgré
la multitude de récits, ils ont la même origine :
Trois mille ans avant notre ère, l'impératrice
chinoise Hsi-Ling-Shi trouva un cocon dans sa tasse de thé encore chaude qui
était tombé d'un mûrier sous lequel elle était assise. Sous l’effet de la
chaleur, le cocon se mit à se dérouler. Toute étonnée et souhaitant le retirer,
elle ne put saisir qu'un fil qui semblait n'avoir jamais de fin. C’est ainsi
que le premier dévidage de cocon eut lieu.
Durant trente siècles, l’existence de la soie fut
gardée secrète par l’Empire du Milieu. Puis, par l'intermédiaire des peuples
des steppes récompensés par des étoffes somptueuses, le secret et le monopole
de la sériciculture franchirent les frontières et les mers : Asie mineure,
Byzance… la mondialisation de la soie fut lancée.
En France, l’apparition de la sériciculture et son
développement a vu le jour grâce à Louis XI et surtout Henri IV, conseillé par
l'agronome Olivier de Serres et Isaac de Laffemas. Aux
frais de l’Etat, ils ordonnèrent la plantation de 20.000 mûriers et
introduisirent d'immenses quantités d'œufs de vers à soie.
Comme dans l'empire romain d'Orient, l'hémorragie
de devises fut la principale raison de ces décisions de développement d’une
production nationale. Les projets et desseins d'Henri IV furent si bien suivies
que la plupart des grands chemins se trouvèrent bientôt bordés de mûriers,
ainsi que les parcs et Maisons Royales.
Dès lors, l'industrie de la soie ne
cessa de se développer et s’implanta réellement en France. Elle prospéra et
améliora sa technicité jusqu'à la Révolution en imposant sa qualité dans le
monde entier. L'apogée de la sériciculture sera atteinte au début du 18ème
siècle et marquera l'âge d'or des départements du Midi.
Annexe n°2
Pourquoi la soie d’araignée n’a t elle pas été exploitée par l’Homme de la
même manière que la soie de la chenille du bombyx mori ?
Avant notre ère, les Grecs anciens se servaient de
la soie d’araignée comme de fil de suture pour la fermeture des plaies, étant
donné qu’elle est naturellement biodégradable. Au début du premier millénaire,
les aborigènes de Nouvelle-Guinée mimaient l’araignée en se servant de sa soie
pour la fabrication de filets de pêche. De même que les aborigènes d’Australie
fabriquaient le fil pour leurs cannes à pêche avec la soie d’araignée. Ce n’est
qu’au cours du deuxième millénaire, que les Européens évaluent la soie
d’araignée. En 1830, est inventée la première machine pour recueillir la soie
d’araignée. Cependant la production ne se fait qu’en petite quantité.
Il faudra attendre le 20ème siècle pour
voir l’explosion des recherches sur les multiples possibilités d’utilisation de
la soie d’araignée. Au début du siècle, des réticules en soie d’araignée sont
fabriqués pour des instruments optiques. Seule l’armée américaine développe des
recherches de grande envergure et répertorie les propriétés de la soie
d’araignée . Dans les années 70, elle se penche sur les fibres
anti-balistiques. Au milieu des années 80, Randy Lewis clone et dépose le
brevet sur les gènes de la soie d’araignée et l’armée américaine tente de
produire des protéines de soie d’araignée sans succès. A la fin des années 90,
la firme Nexia obtient les brevets de Lewis.
A l’aube du troisième millénaire, Nexia et l’armée
américaine annoncent avoir produit les premières fibres à haute performance
synthétiques en soie d’araignée.
Les échecs concernant la production de soie
d’araignée s’expliquent par deux caractéristiques de l’araignée. L’araignée ne
peut être élevée comme le bombyx mori compte tenu de son besoin d’un
territoire. De plus, élevées en groupe, les araignées se mangeraient entre
elles.
Annexe n°3
L’ELEVAGE DU VER A SOIE
L’élevage des vers à soie se fait au printemps lors de la première poussée
des feuilles de troènes.
Le bâtiment destiné à l’élevage des vers à soie s’appelle une magnanerie,
du mot provençal « magnan »qui signifie ver à soie.
L’élevage comprend deux périodes principales : l’incubation de la
graine (de l’œuf)
et l’élevage proprement dit du ver.
L’espèce que j’ai décidé d’élever est le Philosamia ricini (ou Bombyx éri)
qui provient d’Inde et qui donne des produits qui sont considérés comme les
plus beaux et les plus estimés.
(REFERENCE DOC 1)
Le prix de 12 œufs philosamia ricini est de 4 euros ….
1) L’incubation de la
graine :
Cette période dure environ 11 jours ; plus la température à laquelle
les vers seront exposés est élevée et plus la croissance se fera rapidement
cependant il est préférable de ne pas excéder les 30 degrés. (REFERENCE DOC 2)
Lors de la réception des 12 œufs qui sont dans une petite boite en
plastique transparent de 4,2 * 2,9 cm il faut les laisser dans un endroit bien
éclairé ou il fait environ 20 degrés.
Les œufs au fur et à mesure des jours deviennent grisâtres, le 5ème
jour on peut même voir apparemment à l’aide d’une loupe le ver à travers la
coque qui le renferme ce que je n’ai pas réussi à faire.
Les avant-coureurs sortent le 6,7ème jour et les autres à partir
du 8ème.
Il y’a bien sur quelques vers qui ne vont pas sortir, ceux-ci devront tout
de suite être séparés des autres afin de ne pas les affecter.
Dès qu’un ver éclot de son œuf il faut le mettre dans un terrarium à l’aide
d’une feuille sans le toucher. On le
laisse ensuite sur une feuille qu’il dévorera dans les heures qui suivent en se
positionnant sur les extrémités de celle-ci.
Une fois les vers tous éclos c’est partit on peut commencer à les élever à
l’aide de la partie suivante.
2) L’élevage du ver :
Cette période dure environ 39 jours et elle dépend de la température aussi.
Les chenilles vont très rapidement grossir en effet on peut les qualifiés
de « tubes digestifs ».Il faut donc rajouter des feuilles tout les 2
jours à peu près en faisant attention a ce que celles-ci soient bien sèches et
pas trop jeunes. Des chenilles petites sont caractérisées par L1, L2, les
chenilles moyennes par L3, L4 et les grandes par L5.
Comme on peut le voir sur le schéma cette période se subdivise en 5 :
celles-ci sont le temps qui s’écoule d’une mue à l’autre ou d’un sommeil à
l’autre.
Il faut désinfecter le terrarium à peu près tous les trois jours. Cette
opération est très délicate. Il suffit d’éternuer une seule fois dans les
environs et les vers seront tous mort le lendemain.
Voici les quelques étapes qu’il faut suivre attentivement pour élever des
vers. Les miens sont malheureusement morts tout de suite après leur éclosion
car je n’ai pas trouvé la nourriture exacte qu’il fallait leur procurer.
Dès que l’occasion se présentera je me remettrais à élever ces petites
créatures incroyables qui sont l’objet d’un magnifique matériau : la soie.
DOCUMENT 1)
DOCUMENT 2)
Réf :Le calendrier du développement
Les Mots-Clefs
Abdomen : cavité viscérale à la partie inférieure du tronc,
contenant la plus grande partie de l’appareil digestif, l’appareil urinaire et
l’appareil génital interne
Alanine ( acide aminé naturel aliphatique) : est un acide aminé, c’est à dire qu’il
renferme une fonction acide et une fonction amine, constituant important des
protéines
Aramide : se dit de fibres et de fils synthétiques obtenus à
partir de polyamides aromatiques ou de polyamide-imide. Ces fibres conservent
d’excellentes propriétés mécaniques à haute température. Elles peuvent se
substituer aux fibres de verre et au métal et trouver leur application dans les
pneumatiques, les cordages, les gilets pare-balles et les matériaux spéciaux
destinés à l’industrie aérospatiale.
Céphalothorax : désigne la partie antérieure du corps de
l’araignée est le résultat de la fusion
de la tête « cephalo » et du tronc « thorax »
Chrysalide : forme du bombyx mori pendant la métamorphose
L’élongation (ou élasticité) : correspond au pourcentage d’élongation
d’une fibre par rapport à sa longueur initiale
Epiderme : couche superficielle de la peau qui recouvre le
derme(le derme étant la couche profonde de la peau.)
Fibroïne : c’est une protéine qui constitue la partie
centrale du fil de soie
Fusule : les fusules sont les orifices(en forme de cône),
placés à l’extrémité des filières, par lesquels débouchent à l’extérieur les
glandes séricigènes
Kevlar : résine aramide utilisée sous forme de fibre dans
certains matériaux composites (gilet pare-balles, voile en kevlar)
Glandes séricigènes : glandes qui produisent la sécrétion de la
soie
Glycine : de glucine « oxyde de béryllium », du
grec glukus « doux, sucré » ; est le plus simple des
acides aminés constituants des protéines
Protéine :macromolécule organique azotée, de poids
moléculaire élevé, qui donne par hydrolyse des acides aminés et entre pour une
forte proportion dans la constitution des êtres vivants
La résilience : rapport de l’énergie cinétique absorbée
nécessaire pour provoquer la rupture, elle caractérise le plus souvent la
résistance au choc
La résistance : elle est calculée en fonction de la quantité
d’énergie qu’une fibre peut absorber avant de se rompre et en fonction de la
solidité et de l’élongation
Séricine : c’est une protéine qui entoure la partie centrale
du fil de soie, elle est plus communément appelée grès
Bibliographie :
Barthélemy de Laffemas : économiste français
(Beausemblant, Dauphiné1545, Paris 1612). Protestant anobli, premier valet
d’Henri IV, il contribua au développement de la manufacture de luxe en France
et fut nommé contrôleur général du commerce en 1602. Représentant de la
doctrine mercantiliste en France, il a notamment rédigé un Règlement pour
dresser les manufactures du royaume (1597).
Olivier de Serres : agronome français (Villeneuve-de-Berg en Ardèche
1539, Le Pradel près de Villeneuve-de-Berg 1619). De son domaine du Pradel, il
fit une ferme modèle. Il y pratiqua l’assolement, cultiva la betterave, le
maïs, le houblon, la garance et le riz. Appelé à Paris par Henri IV, il planta
20.000 mûriers blancs dans le jardin des Tuileries et écrivit à la demande du
roi son Traité de la cueillette de la soie par la nourriture des vers qui la
font (1599). En 1600, il produisit son œuvre majeure, le Théâtre
d’agriculture et mesnage des champs.
FREDERIC
DOAN TRAN, CHARLES PIZANO ET ALEXANDER KALDONEK