Des engrenages mécaniques « inventés » par les insectes

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Chez la nymphe de la « cigale bossue », un engrenage assure la synchronisation du mouvement des deux pattes postérieures lors du saut.


La nymphe de la cigale bossue, Issus coleoptratus. Le mouvement de ses deux pattes postérieures, responsables du saut, met en jeu un mécanisme d'engrenage, qui implique les trochanters (un élément de la patte précédant le fémur et situé sous le corps de l'insecte).

La bio-ingénierie consiste à s’inspirer du monde vivant pour concevoir des dispositifs techniques innovants. Inversement, les organismes vivants s’inspireraient-ils des inventions de l’homme ? L’idée est bien sûr absurde, mais elle vient à l’esprit quand on apprend la découverte faite par Malcolm Burrows, de l’Université de Cambridge au Royaume-Uni, et son collègue Gregory Sutton. Ces deux zoologistes ont mis au jour un mécanisme à engrenage impliqué dans le saut d’une petite cigale sauteuse, la « cigale bossue » Issus coleoptratus (appartenant à l’ordre des Hémiptères, famille des Issidés). L’engrenage est donc une technique mécanique dont l’humanité n’a pas la paternité...


Une vue agrandie du dessous de l'insecte montre, au premier plan, les deux trochanters avec leur rangée de dents sur le côté interne.

Chez les insectes sauteurs (criquets, puces, cercopes, cicadelles, etc.), le saut est provoqué par une détente rapide et puissante des deux pattes postérieures. On trouve deux configurations de ces dernières. Chez les criquets et les puces, les deux pattes bougent dans des plans verticaux distincts de chaque côté du corps de l’insecte. Chez les très bons sauteurs tels que les cercopes et les cicadelles, les bases des pattes postérieures, sous le corps de l’insecte, tournent en sens inverses et dans un même plan à peu près horizontal. Mais cette seconde configuration exige une synchronisation précise des mouvements des deux pattes : sinon, en sautant, l’insecte subirait une rotation rapide sur lui-même dans le plan horizontal.


Une vue prise au microscope électronique à balayage montrant les deux rangées de dents imbriquées.

Comment cette synchronisation est-elle assurée ? Chez la cigale bossue, les influx nerveux sont envoyés aux muscles correspondants par deux paires indépendantes de neurones moteurs, ce qui ne suffit pas à synchroniser de façon assez précise, à l’échelle de quelques microsecondes, les mouvements des deux pattes. Grâce à de la vidéo ultrarapide et à un examen anatomique, M. Burrows et G. Sutton ont montré que chez la nymphe de la cigale bossue, une synchronisation précise a lieu grâce à une rangée courbe de dents présente sur le côté interne du trochanter (partie de la patte qui suit la coxa, ou hanche, et précède le fémur) de chaque patte (voir les photos prises au microscope électronique à balayage). Les deux trochanters, en contact sur une partie de leur côté interne, s’articulent ainsi par un engrenage qui les contraint à se mouvoir de conserve.
Grâce aux dents d’engrenage, les deux pattes postérieures démarrent leur mouvement presque simultanément, avec un décalage inférieur à 30 microsecondes. Dans la phase préparatoire du saut, qui dure environ 80 millisecondes, les trochanters tournent en entraînant les fémurs vers l’avant (voir la vidéo). Dans la seconde phase du saut, la phase propulsive, qui dure moins de deux millisecondes, les sens de rotation sont inversés et les fémurs sont rejetés vers l’arrière.
Ce mécanisme à engrenage ne concerne que la nymphe de la cigale bossue et celles d’autres espèces apparentées. Les dents disparaissent lors de la dernière mue de l’insecte, quand il devient adulte. Comment alors expliquer que les adultes sautent encore mieux que les nymphes ? M. Burrows avait établi en 2010 que chez eux, la synchronisation des deux pattes postérieures est assurée, au moins en partie, par le frottement entre les coxae. La synchronisation par frottement pourrait être plus avantageuse chez les adultes en raison de leur plus grande taille. Un autre point à souligner est que chez les nymphes, les dents cassées sont remplacées grâce à la mue suivante, ce qui serait impossible chez les adultes, qui ne muent plus.

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