La résolution de problèmes est traditionnellement considérée comme une capacité cognitive supérieure nécessitant le raisonnement, la planification et la mémoire. Les plantes ne raisonnent pas au sens humain, mais elles « résolvent » les problèmes structurels, énergétiques et adaptatifs avec une efficacité souvent supérieure aux solutions humaines. L'étude de la résolution de problèmes chez les plantes a alimenté des domaines entiers du génie bio-inspiré (biomimétisme) : nombre des solutions les plus élégantes en architecture, en matériaux et en optimisation algorithmique ont été inspirées par la façon dont les plantes relèvent leurs défis adaptatifs.

Le problème de la lumière : émerger de l'ombre

Dans une forêt tropicale, 97 à 99 % de la lumière solaire est interceptée par la canopée des arbres matures avant d'atteindre le sol. Pour une jeune plante germant sous le couvert forestier, le problème de la lumière est existentiel : sans lumière suffisante, la photosynthèse ne peut pas soutenir la croissance. Solutions des plantes au problème de la lumière : réaction d'évitement de l'ombre : les phytochromes (détecteurs de lumière) détectent le rapport réduit lumière rouge/lumière rouge lointaine typique de l'ombre (causé par l'absorption de la lumière rouge par la chlorophylle des feuilles surplombantes). En réponse, la plante active une cascade de signalisation qui : accélère la croissance des entre-nœuds (la tige s'allonge rapidement, cherchant à émerger), réduit le branchement latéral (concentrant les ressources sur la croissance verticale), réduit la production de feuilles et oriente la croissance vers l'apex, oriente les feuilles pour maximiser la capture de lumière latérale. Le résultat : une plante à l'ombre est morphologiquement complètement différente de la même espèce en pleine lumière : plus grande, avec une tige plus fine, des feuilles plus grandes et plus verticales. Une plasticité phénotypique extraordinaire en réponse au problème de la lumière. Plantes grimpantes et vignes : la solution évolutive la plus efficace au problème de la lumière dans les forêts. Les grimpantes n'investissent pas dans la construction d'une tige robuste et lignifiée (coûteuse en ressources) : elles utilisent les structures des arbres comme support (via des vrilles, des disques adhésifs, des racines adventives) et investissent presque toutes les ressources dans les feuilles pour la photosynthèse. La vigne Monstera deliciosa développe des feuilles avec de grandes fenestrations (trous) : il a été supposé (Muir, 2013) que les fenestrations permettent à la feuille d'être plus grande (capturer plus de lumière) sans être soumise aux dommages du vent et sans occuper trop d'espace dans l'interception d'ombre pour les feuilles inférieures.

Le problème de l'eau : des solutions ingénieuses pour chaque environnement

Le problème de trouver et de conserver l'eau a produit certaines des solutions les plus spectaculaires de l'évolution végétale. Racines profondes : Welwitschia mirabilis (Namibie) possède des racines descendant jusqu'à 30 mètres de profondeur pour atteindre l'eau souterraine dans le désert. L'arbre Banksia (Australie) possède des racines protéoïdes qui créent des zones de pH acide autour de l'apex racinaire pour solubiliser les phosphates autrement inaccessibles du pauvre sol sablonneux australien. Collecte de brouillard : les plantes désertiques de l'Atacama collectent l'humidité du brouillard par des structures foliaires spécialisées. Le cactus Opuntia (figuier de Barbarie) collecte la rosée nocturne par ses épines hydrophiles et la dirige vers les racines par des micro-canaux à la surface. L'inspiration en ingénierie pour les matériaux « collecteurs de brouillard » provient directement de ces structures. CAM (métabolisme acide crassulacéen) : les plantes des déserts arides (cactus, agaves, ananas) ouvrent leurs stomates uniquement la nuit (quand les températures sont basses et la perte d'eau par évaporation est minimale) et fixent le CO2 dans l'acide malique. Pendant la journée, avec les stomates fermés, elles utilisent le CO2 libéré de l'acide malique pour la photosynthèse. Une solution au problème de réaliser la photosynthèse (qui nécessite du CO2 : donc l'ouverture des stomates) tout en minimisant la perte d'eau (qui nécessite la fermeture des stomates) : une solution de « compromis temporel ». Réservoirs d'eau : les plantes succulentes (cactus, euphorbes grasses, aloès) stockent d'énormes quantités d'eau dans les tissus de la tige ou des feuilles (parenchyme aquifère). Un cactus saguaro mature peut contenir 200 à 700 litres d'eau. Une réserve qui permet la survie pendant des mois sans pluie.

Le problème structurel : construire une tige haute et légère

Un arbre de 60 mètres de haut qui doit supporter le poids de ses propres feuilles, résister au vent, transporter l'eau des racines vers le sommet et les glucides du feuillage vers le bas : c'est un problème d'ingénierie structurelle extrêmement complexe, résolu avec des matériaux biologiques. Solutions structurelles des plantes : le bois comme composite bio-inspiré : le bois est un composite naturel de cellulose (fibres de traction, résistant à la tension), d'hémicellulose (matrice de liaison), de lignine (rigidité, résistance à la compression). La combinaison produit un matériau avec un rapport résistance-poids supérieur à l'acier dans certaines conditions. Architecture fractale : le branchement des arbres suit des lois fractales (loi de Murray : le cube du rayon du tronc égale la somme des cubes de tous les rayons des branches filles) qui optimisent le flux de sève et la distribution du matériau structurel. Cette loi a été appliquée à la conception de réseaux de distribution d'eau. Tensegrité structurelle : les racines de surface des arbres ne soutiennent pas l'arbre seules : elles le soutiennent en combinaison avec la tension produite par l'ensemble des racines en tension dans la direction opposée. Un système de « tensegrité » (tension + intégrité structurelle) dont l'ingénieur Buckminster Fuller s'est inspiré des plantes pour ses structures géodésiques.

L'ingéniosité des plantes grimpantes : trouver un support

Les plantes grimpantes font face au « problème » de trouver un support physique pour s'accrocher. Leur solution repose sur un système de détection active et de réponse tropique combinant le toucher, la gravité et la lumière. La vrille des pois et des vignes : un organe spécialisé qui se meut lentement en cercles continus (circumnutations) dans l'air, « à la recherche » d'un objet à toucher. Au contact d'un support, elle réagit en quelques secondes par une croissance asymétrique rapide qui l'enroule autour du support en 1 à 2 minutes. Après ce premier contact, la vrille s'épaissit et se lignifie, devenant une structure de soutien permanente. L'orientation vers l'obscurité (scototropisme) : de nombreuses lianes des forêts tropicales croissent d'abord vers l'obscurité plutôt que vers la lumière. L'obscurité est un indicateur fiable de la présence d'un grand tronc d'arbre (qui projette de l'ombre) : la liane pousse vers l'ombre pour atteindre le tronc et s'y accrocher, puis une fois fixée, elle croît vers la lumière. Une stratégie « d'abord le support, puis la lumière » qui résout le problème d'accès à la canopée de manière plus fiable que la croissance directe vers la lumière. Site d'attache optimal : certaines plantes grimpantes (Boquila trifoliata, une liane chilienne) modifient même la forme de leurs propres feuilles pour se camoufler avec l'arbre qu'elles utilisent comme support, adoptant la même taille, forme, nervation et couleur que les feuilles de l'hôte. Un cas de mimétisme adaptatif lié au comportement de résolution de problème des plantes grimpantes.

Le biomimétisme : des solutions végétales reproduites par l'ingénierie

Le biomimétisme (bio-inspiration) est la discipline qui étudie les solutions biologiques pour les appliquer à l'ingénierie et au design. Les plantes sont parmi les sources d'inspiration les plus fécondes. L'effet lotus : les feuilles de lotus possèdent une surface micro-structurée avec une nanotopographie (papilles de cire microscopiques) qui rend l'eau super-hydrophobe : les gouttes glissent, entraînant la saleté avec elles (autonettoyage). Reproduit dans les peintures, les tissus, les surfaces architecturales autonettoyantes. La collecte de brouillard : inspirée par les plantes et les insectes du désert. Les filets de collecte de brouillard installés dans les zones arides (Chili, Namibie, Maroc) reproduisent les micro-structures hydrophiles/hydrophobes des surfaces biologiques pour collecter l'eau de l'air. Les structures fractales pour l'échange thermique : les radiateurs et échangeurs de chaleur bio-inspirés reproduisent la structure fractale des feuilles (nervation ramifiée optimisée pour le transport de fluides) pour maximiser l'efficacité de l'échange thermique. Les algorithmes d'optimisation : le Virtual Cambium de Karl Mattias Fischer (TU Munich) utilise les mêmes principes de croissance adaptative que les arbres (ajouter de la matière où le stress est le plus important) pour optimiser les structures mécaniques conçues par les ingénieurs. Les arbres ont résolu le problème de l'optimisation structurelle il y a 300 millions d'années.

La compétition racinaire comme résolution de problème social

Quand les racines de différentes plantes se rencontrent dans le sol, une forme de « compétition » pour les ressources se déploie, présentant des caractéristiques similaires à la résolution de problème dans un environnement aux ressources limitées. La reconnaissance du soi et du non-soi : les racines d'une plante reconnaissent les racines de la même plante (soi) de celles d'une autre plante (non-soi), probablement par des signaux chimiques sécrétés dans les exsudats racinaires. Avec les racines du « soi » (par exemple, les racines de différentes branches de la même plante) : coopération et absence de compétition intensive. Avec les racines du « non-soi » (une autre plante) : compétition directe pour l'espace et les nutriments. Le comportement racinaire compétitif : certaines plantes (comme l'ail sauvage Allium vineale) projettent les racines dans toutes les directions, puis « se retirent » dans les directions où elles rencontrent l'occupation par un concurrent, se concentrant sur les zones libres. Une sorte « d'exploration + occupation + retrait stratégique » qui optimise la couverture du sol. L'allélopathie (inhibition chimique de la compétition) : de nombreuses plantes sécrètent des composés chimiques allélopathiques par les racines (acides organiques, phénols, terpènes) qui inhibent la germination et la croissance racinaire des concurrents dans le sol environnant. Le noyer noir (Juglans nigra) produit la juglone, un composé allélopathique puissant qui crée un espace sans compétition autour de l'arbre. Une solution chimique au problème de la compétition racinaire.