Comprendre l’évolution de la vitesse des insectes, en particulier chez diverses espèces, n’est pas une tâche simple. Par exemple, les moustiques, en plus d’être des nuisances connues, ont toujours fasciné les scientifiques pour leurs battements d’ailes rapides. Étonnamment, les moustiques peuvent battre des ailes plus de 800 fois par seconde.
Comment une si petite créature peut-elle atteindre une telle vitesse, surtout lorsque la vitesse à laquelle ses muscles battent dépasse la vitesse à laquelle son système nerveux lui commande de battre ? Cet étrange battement asynchrone, un phénomène qui semblait étranger à beaucoup, est la clé pour comprendre une merveille de l’évolution.
Le vol asynchrone augmente la vitesse des insectes
Le principe des battements asynchrones signifie qu’il y a un détachement entre les commandes neuronales et les contractions musculaires. Il est intéressant de noter que cela n’est observé que chez quatre groupes d’insectes distincts.
Pendant des années, l’hypothèse était que ces groupes développaient séparément ces battements d’ailes uniques. Cependant, une collaboration de recherche révolutionnaire entre le Georgia Institute of Technology et l’Université de Californie à San Diego (UC San Diego) suggère le contraire. Ils ont découvert que ces battements d’ailes à haute fréquence provenaient d’un seul ancêtre commun.
Comme Jeff Gau, l’un des principaux auteurs de l’étude et titulaire d’un doctorat. diplômé de Georgia Tech, a souligné, leurs découvertes plongent profondément dans l’histoire de l’évolution, remontant au fonctionnement des anciens muscles des insectes il y a environ 400 millions d’années.
« Nos résultats sont assez robustes dans toutes les différentes conditions expérimentales », a déclaré Gau. « Nous examinons 400 millions d’années en arrière sur le comportement des anciens muscles des insectes d’un point de vue évolutif. »
Certains insectes sont synchronisés
Les papillons de nuit, contrairement aux moustiques, synchronisent leurs muscles de vol à chaque coup d’aile. Mais, dans un tournant évolutif, les ancêtres des papillons possédaient une capacité de vol asynchrone mais l’ont perdue avec le temps. Le piège ? Les papillons de nuit ont toujours la capacité de réaliser des contractions musculaires asynchrones.
Pour décoder le parcours évolutif, les scientifiques ont cartographié les stratégies de vol sur les deux manières fondamentales dont les physiciens interprètent les oscillations. En intégrant des modèles biophysiques à une robotique de pointe, ils ont montré que ces deux stratégies sont essentiellement deux facettes d’un même modèle.
Quelques ajustements évolutifs et un insecte peut passer en toute transparence entre les modes de vol synchrone et asynchrone.
Comment la taille affecte la vitesse des insectes
La taille joue un rôle crucial. De nombreux insectes plus gros réalisent un vol synchrone, faisant correspondre le mouvement des ailes aux impulsions du système nerveux. Mais pour leurs homologues plus petits, cela devient un défi. À mesure qu’ils deviennent plus petits, leurs battements d’ailes s’amplifient, atteignant des vitesses allant jusqu’à 100 fois par seconde.
Selon Simon Sponberg, professeur agrégé de physique et de sciences biologiques en début de carrière de la famille Dunn à Georgia Tech, il existe une barrière naturelle de vitesse. Si ces minuscules insectes tentaient de contracter et de détendre leurs ailes à un tel rythme, celles-ci se chevaucheraient et finiraient par mal fonctionner.
« À mesure que les insectes devenaient plus petits, leurs battements d’ailes augmentaient jusqu’à 100 fois par seconde, et lorsque vous commencez à atteindre cette vitesse, il existe une sorte de limite de vitesse inhérente où le muscle ne peut pas se contracter et se détendre assez vite », a déclaré Sponberg. « S’ils essayaient de contracter et de détendre les ailes, elles commenceraient à se chevaucher puis finiraient par se bloquer. »
Au lieu de cela, les insectes plus petits ont développé un mécanisme unique. Leur système nerveux envoie une impulsion d’activité, préparant les muscles à la contraction, indépendamment de la nécessité d’un battement d’ailes. Cette méthode efficace garantit que les ailes battent à une vitesse remarquable sans attendre l’activation neuronale et la relaxation pour chaque mouvement.
Nouvelle compréhension de l’évolution de la vitesse des insectes
Historiquement, les scientifiques croyaient que le vol asynchrone était un trait évolutif sur lequel les insectes se heurtaient indépendamment pour augmenter leur vitesse. Mais les phylogénies récemment publiées, les arbres généalogiques évolutifs des espèces, dressent un tableau différent.
L’asynchronie n’est pas apparue individuellement dans des chronologies évolutives distinctes. Il a germé une fois puis s’est ramifié. Au fil des âges, certains groupes d’insectes ont prospéré grâce à leur nouvelle vitesse et l’ont conservée. Dans le même temps, d’autres se sont tournés vers le vol synchrone.
Sponberg utilise l’analogie des oscillations pour illustrer ce concept. Le principe d’un ballon dansant chez un concessionnaire automobile, oscillant en continu, non pas par une force extérieure mais par un jet d’air constant, imite le fonctionnement du vol asynchrone chez les insectes.
« Si vous avez déjà vu un de ces gars danser avec des ballons chez un concessionnaire automobile, il monte et s’effondre à plusieurs reprises », a déclaré Sponberg. « Ce qui se passe là-bas, c’est qu’il oscille, non pas parce que vous le poussez régulièrement, mais parce que vous fournissez en réalité un jet d’air continu au fond, ce qui constitue un compromis avec la force de gravité. »
Des robots imitant la nature
Pour approfondir leur compréhension, les chercheurs de l’UC San Diego ont développé des robots inspirés du mécanisme de vol du papillon. Deux robots distincts ont été créés : un robot à clapet plus grand fonctionnant dans l’eau et un robot à clapet plus petit, inspiré du Robobee de Harvard, fonctionnant dans les airs.
Ces robots n’étaient pas de simples jouets scientifiques. Ils ont joué un rôle crucial pour prouver que les modèles développés pour expliquer les transitions de vol et la vitesse des insectes tenaient le coup dans des scénarios pratiques.
« Vous n’avez pas besoin de robotique pour apprendre quelque chose sur la biologie », a déclaré Nick Gravish, professeur agrégé à l’UC San Diego. « Mais il y a quelque chose dans la construction d’un robot bio-inspiré qui vous oblige à vous mettre à la place de l’animal. »
James Lynch, titulaire d’un doctorat. diplômé de l’UC San Diego et co-responsable de l’article, a souligné l’importance, notant qu’ils avaient essentiellement construit le premier robot capable d’imiter les transitions évolutives du vol des insectes.
« La physique de ce robot beaucoup plus gros se déplaçant beaucoup plus lentement est similaire à celle d’un insecte beaucoup plus petit et se déplaçant beaucoup plus rapidement », a déclaré Lynch.
Brillance interdisciplinaire
De telles découvertes n’étaient possibles que grâce à la confluence de disciplines variées, notamment la physique, la biologie évolutionniste et la robotique. Cette approche interdisciplinaire, comme l’a noté Brett Aiello de l’Université de Seton Hill, est essentielle pour acquérir une compréhension approfondie des processus naturels régissant le mouvement des animaux.
« L’une des plus grandes découvertes évolutives ici est que ces transitions se produisent dans les deux sens et qu’au lieu d’utiliser plusieurs origines indépendantes de muscle asynchrone, il n’y en a en réalité qu’une », a déclaré Aiello. « À partir de cette origine indépendante, de multiples révisions vers la synchronisation ont eu lieu. »
Essentiellement, l’étude témoigne de la magie qui se produit lorsque différents domaines s’unissent autour d’un objectif commun. Grâce à cet effort collectif, nous comprenons désormais plus clairement les merveilles du vol des insectes et la danse évolutive qui l’a façonné.
Le document de recherche complet a été publié dans Natureintitulé « Relier deux modes de vol des insectes en évolution, physiologie et robophysique ».
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