La morsure ultra-rapide des fourmis à mâchoires pièges devrait leur déchirer la tête. Voici pourquoi ce n’est pas le cas.
Se déplaçant à des vitesses des milliers de fois plus rapides qu’un clin d’œil, les mâchoires à ressort d’une fourmi à mâchoire piège attrapent la proie de l’insecte par surprise et peuvent également lancer la fourmi dans les airs si elle dirige ses chompers vers le sol. Maintenant, les scientifiques ont révélé comment les mâchoires de la fourmi peuvent se refermer à des vitesses fulgurantes sans se briser sous l’effet de la force.
Dans une nouvelle étude, publiée jeudi 21 juillet dans le Journal of Experimental Biology , une équipe de biologistes et d’ingénieurs a étudié une espèce de fourmi à mâchoires pièges appelée Odontomachus brunneus, originaire de certaines régions des États-Unis, d’Amérique centrale et des Antilles. Pour accumuler de la puissance pour leurs morsures rapides comme l’éclair, les fourmis écartent d’abord leurs mâchoires, de sorte qu’elles forment un angle de 180 degrés, et les « arment » contre les loquets à l’intérieur de leur tête. D’énormes muscles, attachés à chaque mâchoire par un cordon semblable à un tendon, tirent les mâchoires en place puis fléchissent pour constituer une réserve d’énergie élastique; cette flexion est si extrême qu’elle déforme les côtés de la tête de la fourmi, les faisant s’incliner vers l’intérieur, a découvert l’équipe. Lorsque la fourmi frappe, ses mâchoires se déverrouillent et cette énergie stockée est libérée immédiatement, envoyant les mâchoires se briser.
Les chercheurs ont examiné en détail ce mécanisme à ressort, mais les ingénieurs du projet se sont demandé comment le système pourrait fonctionner sans générer trop de friction. La friction ralentirait non seulement les mâchoires, mais générerait également une usure destructrice au point de rotation de chaque mâchoire. En utilisant la modélisation mathématique, ils ont finalement trouvé une réponse sur la façon dont les fourmis à mâchoires pièges évitent ce problème.
« C’est la partie qui enthousiasme énormément les ingénieurs », en partie parce que la découverte pourrait ouvrir la voie à la construction de minuscules robots dont les pièces peuvent tourner avec une vitesse et une précision inégalées, Sheila Patek, professeure Hehmeyer de biologie à l’université Duke en Durham, Caroline du Nord, et l’auteur principal de l’étude.
Un système à ressort presque sans friction
Pour étudier les incroyables mâchoires de O. brunneus, Patek et ses collègues ont collecté des fourmis dans une colonie trouvée dans la garrigue près de Lake Placid, en Floride. De retour au laboratoire, l’équipe a disséqué certaines des fourmis et a pris des mesures détaillées et des micro-scans de leurs parties du corps, en particulier leurs mâchoires et les muscles et l’exosquelette de la tête. Ils ont ensuite intégré ces mesures dans leurs modèles mathématiques des mouvements des fourmis.
De plus, l’équipe a placé des fourmis devant une caméra à haute vitesse qui a capturé des images à 300 000 images par seconde. (La vidéo est généralement filmée à 24 à 30 images par seconde, à titre de comparaison.) Ces vidéos ont révélé que, alors que les fourmis se préparaient à frapper, l’exosquelette couvrant leur tête subissait une compression importante, se raccourcissant d’environ 3 %, dans le sens de la longueur et en croissance. environ 6% plus maigre autour du milieu. Cette compression s’est déroulée sur plusieurs secondes, ce qui semble lent par rapport à la morsure rapide de la fourmi, a déclaré Patek.
Une fois libérées de leurs loquets, les mâchoires des fourmis se balançaient sur un arc parfait, atteignant leur vitesse maximale autour de 65 degrés avant de commencer à décélérer. Au plus vite, les pointes des mâchoires des fourmis ont parcouru environ 195 km/h dans les airs.
Ce mouvement ultra-rapide s’est déroulé en douceur et avec précision grâce à plusieurs forces agissant sur les mâchoires en même temps, a déterminé l’équipe.
D’une part, lorsque la tête de la fourmi a repris sa forme normale, elle a catapulté le bout de chaque mâchoire dans l’espace. Pendant ce temps, les gros muscles à l’intérieur de la tête de la fourmi se sont détendus et ont cessé d’étirer les cordes ressemblant à des tendons auxquelles ils étaient attachés. Au fur et à mesure que chaque cordon revenait à sa longueur normale – pensez à un élastique étiré qui se libère soudainement – il a tiré sur l’extrémité de la mâchoire qui se trouve à l’intérieur de la tête de la fourmi. C’est cette poussée et cette traction simultanées qui ont envoyé les mâchoires de la fourmi voler l’une vers l’autre.
Un principe similaire s’applique lorsque vous faites tourner une bouteille sur une surface plane ; le mouvement de torsion nécessaire pour faire tourner la bouteille consiste à pousser une extrémité de la bouteille vers l’avant tout en tirant l’autre extrémité vers l’arrière. De même, lorsque les ballerines exécutent des pirouettes avec le soutien d’un partenaire, le partenaire poussera une de ses hanches vers l’avant et tirera l’autre vers l’arrière pour déclencher son virage. Cependant, la meilleure analogie pour le mouvement de la mandibule de la fourmi à mâchoires pièges pourrait être la jonglerie avec des bâtons, un art du cirque dans lequel les artistes utilisent deux bâtons pour faire tourner un bâton dans les airs.
Le bâton rencontre peu de friction lorsqu’il tourne dans l’air, et sur la base de leurs modèles mathématiques, les auteurs de l’étude pensent que les mandibules d’une fourmi à mâchoire piège sont également sans contrainte. Au début, les chercheurs pensaient que chaque mâchoire pouvait pivoter autour d’une articulation à goupille, semblable à une porte sur une charnière, mais ils ont déterminé qu’une telle structure introduirait trop de résistance. Au lieu de cela, ils ont découvert que les mâchoires tournent autour d’une structure articulaire beaucoup moins rigide qui nécessite peu de renforcement dans la tête de la fourmi.
« Le mécanisme à double ressort réduit considérablement les forces de réaction et la friction au niveau de cette articulation, de sorte que l’articulation n’a pas besoin de beaucoup de renforcement pour maintenir la mandibule en place », a déclaré le co-premier auteur de l’étude, Gregory Sutton, chercheur à l’Université Royal Society. Université de Lincoln en Angleterre, a déclaré Live Science dans un e-mail. L’absence de friction dans ce système peut expliquer comment les fourmis à mâchoires pièges peuvent frapper encore et encore sans jamais se blesser, ont conclu les auteurs.
Les auteurs pensent que toutes les fourmis à mâchoires pièges du Odontomaque Le genre utilise le même mécanisme à ressort pour mordre, mais les fourmis à mâchoires pièges d’autres genres peuvent utiliser une stratégie légèrement différente, a déclaré Patek. Cela dit, Patek soupçonne que le mécanisme qu’ils ont découvert pourrait bien être utilisé par d’autres arthropodes, c’est-à-dire des insectes, des araignées et des crustacés.
Par exemple, la crevette mante, célèbre pour lancer des coups de poing à 80 km/h, déforme probablement ses exosquelettes et utilise des tendons super extensibles pour accumuler de la puissance à chaque frappe – bien qu’un tel mécanisme n’ait pas encore été identifié chez la crevette.
« Nous commençons à réaliser que cela va être la règle de base pour ces arthropodes ultra-rapides », a déclaré Patek.
