Des engrenages chez des insectes bien avant chez les ingénieurs

Les engrenages existaient sans doute des millions d'années avant les ingénieurs...

Le monde de la mécanique parait distinct du vivant, pourtant on a trouvé des engrenages entre les deux pattes arrières d'un insecte pour assurer la synchronisation lors du saut. Aristote et Archimède parlent d'engrenage il y a plus de deux mille ans et les chinois les auraient inventés bien plus tôt… mais tous auraient été précédés par des humbles insectes. Et donc précèderaient de millions d'années l'invention de la simple roue par l'homme!
Une équipe de chercheurs anglais a observé chez  la larve d'un petit insecte Issus coleoptratus (= cigale bossue) des structures chitineuses entre les pattes arrière qui s'engrènent et que les chercheurs interprètent comme un mécanisme pour assurer l'extension simultanée pour éviter à cet animal d e 5-7 mm de partir en vrille lors d'un saut de près d'un mètre.  Burrows et al. supposent  que ces engrenages seraient une première dans le monde animal.

Fig 1: Les pattes de la larve de Issus coleptratus s'engrènent pour assurer leur déploiement synchrone  [img] source Burrows, M., & Sutton, G. (2013).

Un insecte sauteur

Fig 2: Issus coleoptratus de dos et de côté [img] source.britishbugs.org.uk/  

Quand cette petite bête (Issus coleoptratus cigale bossue) de 5-7mm saute, on est souvent surpris de l'ampleur du saut ( près d 'un mètre). Pourtant l'accélération est impressionnante : chez les adultes, elle  atteint 5.5 m/s (moyenne 3.2 ± 0.2 m/s pour 10 mâles) en parfois moins d'1 ms (moyenne 1.5 ± 0.04 ms) correspondant à des accélérations de 700 g (Burrows, et al.2013). Les mécanismes permettant de telles accélérations (stockage d'énergie dans la flexion de structures en chitine, notamment) sont passionnants et ont été étudiés chez plusieurs insectes. Une Bio-Tremplins vous en parlera bientôt. C'est plutôt la stabilité dans la trajectoire qui est étudiée ici.

Fig 3: Issus coleptratus saute avec des pattes arrière [img] source Burrows, M., & Sutton, G. (2013).
Dans la news de Nature, Philipp Ball (2013) explique que quand un insecte de quelques millimètres saute près d'un mètre, la synchronisation parfaite du mouvement des pattes est indispensable pour lui éviter de partir en vrille. Cela serait la pression évolutive qui a sélectionné ces aspérités très particulières chez ces insectes où les pattes sont très proches - sous le corps (cf. figure 1, 4, et 5droite), alors que chez les sauterelles par exemple leur écartement plus grand - sur le coté du corps - rend moins sensible de petites erreurs dans la vitesse d'extension des pattes.

Dans leur article de Science (ici) les auteurs proposent une vidéo montrant bien l'imbrication des dents  (à des vitesses de l'ordre de 50'000 dents par seconde) lors du déploiement des pattes, ils ont aussi essayé de bloquer une patte pour établie l'effet de la forme des dents. Ils établissent assez solidement qu'ils ne sont pas seulement ressemblants à , mais fonctionnellement des engrenages.  On trouve en effet des structures évoquant des engrenages chez d'autres espèces animales (la tortue Heosemys spinosa, l'insecte Arilus cristatus (Hemiptera, Reduviidae). Le cœur des crocodiliens a une valve en engrenage qui bloque le reflux (cf  (Franklin, 2000)  cf. figure à droite et ici, source Franklin, 2000) permettant une pression artérielle accrue et plusieurs insectes ont des des structures munies de rangées de dents qui produisent en se frottant l'une l'autre des stridulations, mais les auteurs disent que Issus serait le premier cas d'engrenage fonctionnant comme tel.

Fig 4: Vidéo des pattes de Issus coleptratus s'engrenant e [img] source Burrows, M., & Sutton, G. (2013).

Les Vidéos sur le site de Science

• Movie S1 Spontaneous jump of a nymph viewed from the side. The images were captured at a rate of 5000 images per second and with an exposure time of 0.03 ms and are replayed at 30 frames per second.
• Movie S2 Movements of the gears during cocking of the hindlegs in preparation for a jump by a nymph restrained on its back in Plasticine. Images were captured at a rate of 5000 images per second and with an exposure time of 0.03 ms and are replayed at 30 frames per second.
• Movie S3 Movements of the gears during a restrained jump by a nymph fixed on its back in Plasticene. Images were captured at a rate of 5000 images per second and with an exposure time of 0.03 ms and are replayed at 30 frames per second. The hindlegs pushed against the flexible hairs of a small paint brush that slowed the velocity of their propulsive movements.

Pourquoi seulement chez les larves ?

Étonnamment on ne trouve ces engrenages que chez la larve - la dernière mue produit un adulte qui n'en a pas. En effet chez l'adulte, un mécanisme de simple friction entre les pattes qui assure une extension synchrone  des pattes. Les auteurs proposent une explication en rapport avec les possibilités de réparations  : si un engrenage casse chez la larve, à la prochaine mue il est remplacé. Ou alors, disent-ils,  la taille plus grande et la rigidité accrue des adultes rend possible le mécanisme de friction 

Et chez les espèces locales ?

Issus c. ressemble à d'autres insectes chez nous (Cicadelle spumeuse, Phlaenus spumarius ) dont les larves sont reconnaissables dans le "crachat de coucou". Les larves y sont protégées par une sorte de mousse savonneuse qu'on voit parfois de mai à juillet dans les prés. Loyer, B.  et al. (1999) dans 300 insectes faciles à voir décrit cet animal (extrait intranet.jpg). Que les larves de cet insecte local dispose de ce mécanisme n'est pas mentionné dans l'article, mais se poser la question suscite des observations détaillées du dessous de l'animal, de l'articulation de ses pattes de leur différence avec celles des sauterelles, et peut les guider vers la découverte d'une nature peu connue juste à nos portes. Et peut-être de montrer que la biologie permet d'expliquer le monde qui les entoure,  de lui donner du sens. Sans cet article, qui aurait été regarder comment les pattes sont fixées sous l'animal, ou comment il saute droit malgré tout ?  Je me réjouis du printemps pour tenter de voir cela.

Fig 5:La cicadelle spumeuse - ici extraite de sa mousse protectrice par un vigoureux souffle. Source : F.lombard

S'émerveiller de mère Nature … au risque de renforcer une vision créationniste ?

On serait tenté de montrer avec lyrisme que la Nature avec un grand N a précédé l'homme une fois de plus, et j'avoue qu'inciter l'arrogance humaine à plus de modestie ne me déplait pas...  Cependant ce discours pourrait facilement renforcer les visions déterministes et créationnistes : ce serait parce que c'est utile pour l'insecte qu'un tel mécanisme apparaît !
On peut plutôt discuter comment des individus que le hasard aurait munis de pattes se frottant l'une l'autre ont pu sauter plus droit, mieux échapper aux prédateurs et avoir plus de descendants, ou comment les Issus actuels sont plutôt les descendants de ceux qui ont auraient eu de petits défauts dans ces surfaces, des aspérités qui ont limité des glissement des surfaces, comment certaines aspérités les ont plus aidés que d'autres ...  bref placer la discussion du lien forme-fonction dans une perspective évolutive. 
Rien n'a de sens en biologie si ce n'est à la lumière de l'évolution  ...
    "Nothing in biology makes sense except in the light of evolution"  Dobzhansky, T. (1973).

Sources :

• Ball, P. (2013). Insect leg cogs a first in animal kingdom. Nature. doi:10.1038/nature.2013.13723
• Burrows, M., & Sutton, G. (2013). Interacting Gears Synchronize Propulsive Leg Movements in a Jumping Insect. Science, 341(6151), 1254‑1256. doi:10.1126/science.1240284
• Dobzhansky, T. (1973). Nothing in biology makes sense except in the light of evolution. American Biology Teacher, 35(3), 125-129.
  
• Franklin, C. E., & Axelsson, M. (2000). Physiology: An actively controlled heart valve. Nature, 406(6798), 847‑848. doi:10.1038/35022652
• Loyer, B., Petit, D., & Hodebert, G. (1999). 300 insectes faciles à voir. Paris: Nathan.