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Strange Animals

Ça Plane pour eux

Ca Plane Pour Eux, figure tiré de Socha et al., 2015

 Voici la transcription de ma chronique pour l'émission 461 de Podcast Science dédiée à la chute.
 


Quand on évoque des animaux volants, on s’accorde volontiers à désigner ceux qui sont capables de vol battu. Insectes, oiseaux, chauve-souris et ptérodactyle sont ainsi, parmi l’ensemble des animaux, les rares élus qui sont véritablement capables de se maintenir dans le milieu aérien à l’aide des battements de leurs ailes. Inutile de préciser pour eux qu’ils font partie de la faune volante. Pourtant certains usurpateurs, comme des poissons, des lézards ou encore des grenouilles, s’octroient le titre d’animal volant alors qu’ils ne font que planer. Pour citer Woody dans le premier film de Toy Story qui constatait une telle imposture par Buzz l’éclair :

"J'appelle pas ça voler, j'appelle ça tomber avec panache"

Falling With Style
Qui sont donc ces contrefacteurs qui ne manquent pas d’air et qui ne font que chuter gracieusement ? Je vous propose une petite enquête pour dénicher ces bonimenteurs aéronautiques et ainsi ne plus laisser le doute planer sur leurs véritables compétences.
Certains chercheurs qui s’intéressent aux animaux planants, ont à cœur de répondre à une question bien particulière : comment évolue la capacité du vol battu ? C’est le cas par exemple du Professeur Stephen Yanoviak, de l’Université du Kentucky, qui n’hésite pas à se rendre sur le terrain, dans les canopées de forêts tropicales, afin d’étudier la chute de certaines espèces d’arthropodes qui, selon lui, peuvent nous apporter des informations sur l’acquisition du vol battu au cours de l’évolution.

Stephen Yanoviak
L’idée sous-jacente est que cette capacité n’a pas pu évoluer d’un coup, du jour au lendemain, et qu’il est envisageable que ces animaux aient d’abord acquis la faculté de planer avant celle leur permettant une véritable locomotion aérienne. Chez les oiseaux, une myriade de fossiles transitionnels de dinosaures à plumes ont permis de construire des modèles assez convaincants de l’acquisition du vol. Mais le registre fossile est moins parlant pour étudier cette évolution chez les insectes. Pour compenser, certains mènent des études sur des insectes actuels. Comme je vous l’exposais lors de mon trio d’épisodes sur la biologie des insectes (La croisière ça mue, Trachée n’est pas jouer et 1001 pattes), ceux-ci ne sont pas tous dotés d’ailes. C’est une lignée spécifique, un sous-groupe d’insectes surnommés les Ptérygotes, qui ont hérité de deux paires d’ailes de leur ancêtre commun exclusif. Leurs plus proches cousins insectes sont totalement dépourvus d’ailes. Parmi eux, il y en a que vous connaissez probablement bien : ce sont les lépismes que vous pouvez apercevoir tard la nuit, déambuler à toute vitesse sur le carrelage de votre cuisine ou de votre salle de bain. On les surnomme abusivement des poissons d’argent en référence à leurs mouvements très fluides mais aussi car ils sont recouverts de petites écailles argentées.

Lépisme


Les autres cousins des ptérygotes, ce sont les machilides (ou archéognathes) qui sont moins connus, bien qu’assez répandus. On a l’impression que ce sont des lépismes bossus, et on les retrouve surtout dans la litière des forêts, sur la plage ou, ce qui convient aux études du Pr. Yanoviak, sur l’écorce des arbres de forêts tropicales.

ArchéognatheArchéognathe
Lépismes et archéognathes partagent une caractéristique facilement identifiable qui est de posséder trois longs filaments décorant leur popotin. Hormis les éphémères, la plupart des insectes volants ne possèdent que deux filaments postérieurs, les cerques, et ont donc perdu le filament médian au cours de leur évolution. Si je vous parle de cet organe, c’est qu’il a particulièrement intéressé Stephen Yanoviak dans l’étude des prouesses aéronautiques de ces insectes dépourvus d’ailes. Dans la canopée, il avait en effet remarqué que de nombreux insectes sans ailes n’hésitaient pas à se jeter dans le vide en réponse à une menace. Plus étonnant, ceux-ci semblaient capable de diriger leur chute pour atterrir non pas sur le sol, mais sur l’écorce de l’arbre dont ils venaient de quitter les plus hautes branches. Pour ne pas s’en tenir à des observations anecdotiques, en 2009 notre intrépide chercheur s’est hissé à 15 m d’altitude sur la cime de plusieurs arbres de forêts Panaméennes et Gabonaises du haut desquels il a fait tomber près de 200 spécimens de lépismes et d’archéognathes. Le protocole expérimental est plutôt simple : on filme la chute des échantillons, dont on mesure la vitesse et la trajectoire à l’aide d’une corde longeant le tronc de l’arbre et pourvu de fanions répartis selon un intervalle d’un mètre. On commence chaque enregistrement en faisant tomber une petite bille, puis, après avoir généreusement recouvert de poudre fluorescente des insectes, on les fait chuter. Pour les lépismes, c’est le plantage au sol disgracieux, mais par contre, près de 90% des archéognathes testés ont été capables de planer élégamment pour rejoindre le tronc de l’arbre dont ils venaient d’être grossièrement délogés (voir vidéos ici).

Lâcher d'archéognatheLâcher d'archéognathe
Restait à comprendre comment ces insectes sont capables d’un tel exploit. Pour cela, rien ne vaut la méthode préférée des biologistes : si tu veux comprendre à quoi sert un organe, commence par étudier ce qu’il se passe quand tu le retires… Dans ce contexte, la capacité à planer a été testé sur des archéognathes amputés de leurs antennes, d’un de leurs cerques, de leur filament médian, d’un cerque ET le filament médian, ou encore d’archéognathes dont les 3 filaments postérieurs sont raccourcis de moitié.

Lâcher d'archéognathe amputé
Le résultat est plutôt clair : les antennes et les cerques n’ont que peu d’impact dans le contrôle de leur chute alors que les amputés du filament médian atterrissent significativement plus souvent au sol que sur leur arbre.

Performance et index de chute contrôlée d'archéognathes (amputés ou non), Yanoviak et al., 2009
Stephen Yanoviak pense donc que cet organe leur sert de gouvernail et leur permet de flotter dans les airs de manière contrôlée. Selon lui, cela pourrait illustrer la manière dont les premiers insectes, sans ailes, auraient employé le vol plané pour survivre aux attaques de prédateurs dans les forêts du Dévonien, il y a près de 400 millions d’années de cela. Des proto-ailes auraient pu alors octroyer plus de contrôle dans cette capacité au vol plané.


Cela permet d’envisager à quoi auraient pu servir ces excroissances avant qu’elles ne deviennent de véritables ailes, mais s’oppose à d’autres scénarios évolutifs qui envisagent l’acquisition du vol battu chez les insectes à partir d’un milieu aquatique.
En effet, les ailes des insectes actuels ressemblent beaucoup aux branchies que portent les larves aquatiques des éphémères…

Branchie de larve d'éphémère
… et si l’on arrive à démontrer que ce sont les mêmes organes, cela se réconcilie peu au fait que les archéognathes sont totalement terrestres, depuis leur éclosion.
Mais selon moi, c’est le reste de la brillante carrière du Pr. Yanoviak qui porte le plus de plomb dans l’aile de son scénario évolutif. En effet, il est devenu spécialiste de l’étude des vols planés d’arthropodes dépourvus d’ailes et a démontré cette capacité chez plusieurs espèces de fourmis et même chez des araignées. En d’autres termes, il a lui-même contribué à la démonstration que la capacité du vol plané a pu apparaître plusieurs fois au cours de l’évolution de ce groupe de bestioles. En 400 millions d’années, il est donc totalement envisageable que les archéognathes aient acquis à un moment la capacité de planer plutôt que de l’avoir conservé durant tout ce temps.
Cependant les investigations de l’équipe du Pr. Yanoviak mettent en évidence les nombreuses et farfelues manières de lutter contre la gravité, et s’accompagnent de protocoles expérimentaux assez perchés. Ainsi, en plus d’avoir étudié la chute du haut des arbres de spécimens recouverts de poudre fluorescente d’ouvrières de fourmis cephalotes

Cephalotes atratus - Giant gliding ant (worker) - Alexander Wild
ou d’araignées du genre Selenops...

Selenops
Lâcher de fourmi céphaloteLâcher d'araignée SelenopsLâcher d'araignée Selenops
... nos chercheurs, qui ne manquent pas d’air, n’ont pas hésité à placer ces fourmis et ces araignées… dans des turbines à vent. Dans ces souffleries nos bestioles n’ont rien à envier aux afficionados des simulateurs de chute libre qui pullulent partout sur le territoire, et ont révélé leurs techniques pro de skydiving. Alors que les fourmis emploient surtout leurs pattes arrières pour contrôler leur chute…

Fourmi dans turbine à vent
… c’est le corps particulièrement aplati et leurs pattes avant qui permet aux araignées Solenops d’effectuer leurs cabrioles aériennes.

Araignée Selenops dans turbine à vent
Chez les araignées, la capacité de planer est beaucoup plus répandue que ce que les arachnophobes peuvent supporter d’imaginer grâce à une technique qui leur est spécifique : le ballooning. En réalité, elle est spécifique aux animaux capables de produire de la soie et qui inclut également des acariens et des chenilles.
En effet, la technique de ballooning s’apparente un peu à du kite-surf et consiste à étendre une longue fibre de soie pour ‘filer’ dans les airs…

Animation ballooning
C’est un phénomène qui est connu des scientifiques depuis de nombreuses années, et qui a permis de répondre aux interrogations de bien des marins avant eux qui pouvaient être surpris de voir atterrir dans leur bateau, à des centaines de km des côtes, ces araignées voltigeuses. Darwin lui-même a consigné en 1832 dans son carnet de bord cet étrange phénomène lors de son périple sur le H.M.S Beagle, au large de l’Argentine. Le ballooning permet donc aux araignées de franchir des distances gigantesques mais aussi de se retrouver à des altitudes improbables, comme en témoigne le nombre impressionnant de spécimens collectés par des avions munis de pièges entomologiques.

Airplane insect trap mounted on wing (Photo by U.S. Department of Agriculture / Public Domain)Biplane with two insect traps mounted on wing (Photo by U.S. Department of Agriculture / Public Domain)
Une étude de 5 ans, entre 1926 et 1931 a ainsi permis de récupérer 1401 araignées parmi les 28739 spécimens collectés (essentiellement des insectes volants), dont certaines se trouvaient à plusieurs kilomètres au-dessus du sol.
Mais ce qui est le plus surprenant dans cette affaire, c’est que les araignées semblent capables de flotter dans les airs… sans utiliser le vent.
Pour percer ce mystère, plusieurs équipes de chercheurs se sont intéressées à l’étape du décollage des araignées où celles-ci ont l’habitude de lever leur abdomen tout en se plaçant sur la pointe de leurs pattes.

Araignée pratiquant le ballooningAraignée pratiquant le ballooning
L'extrémité de leurs pattes est dotée de sortes de petits poils particuliers, les trichobothries, qui semblent sensibles aux moindres variations de vents, mais aussi… aux courants électriques !

Trichobothries
L’électricité statique pourrait expliquer comment les araignées parviennent à décoller lorsqu’il y a très peu de vent. Pour s’en assurer, une équipe anglaise a enfermé des araignées dans des cages de Faraday et constaté leur capacité à s’envoler sans aucun mouvement d’air, simplement en présence d’un courant électrique dans l’atmosphère. Plus fun encore : constater que les araignées en vol tombent brusquement à terre lorsqu’on coupe le courant…

Ballooning d'araignée dans cage de Faraday
Si les araignées peuvent donc employer l’électricité statique de l’air pour voler, cela n’exclut cependant pas qu’elles bénéficient de la contribution du vent. Elles pourraient donc être d’habiles aéronautes, pilotant leurs montgolfières de soie au gré des brises et des charges électriques…

Je ne vous le cache pas, les prouesses aériennes des invertébrés planeurs ont ma large préférence de par leur ébouriffante diversité. Dans la faune osseuse, on se contente surtout de réinventer perpétuellement la wingsuit ou le parachute, et le suspense évolutif se borne à prévoir quel organe portera la toile de peau qui formera la voilure. Ainsi ce sera la palmure des pattes chez les grenouilles volantes

Grenouille volante
ou chez les geckos volants

Ptychozoon kuhli
Un bon point pour les lézards volants comme Draco volans, qui est mentionné dans le livre Nature Secrète et chez qui la voilure, ou patagium, est portée par des côtes allongées. Situées entre les omoplates et le bassin, ces côtes surdimensionnées n’affectent pas la locomotion du lézard. Une musculature robuste assure le déploiement partiel et la rétraction rapide de sa membrane.

Décollage de Draco volansAtterrissage de Draco volans
Les lézards volants peuvent planer sur plus de 10 mètres et les mâles arborent souvent des motifs colorés sur le patagium ainsi que sur un repli de peau sous la gorge qu’ils emploient lors des parades amoureuses.

Parade amoureuse de Draco volans
Mais s’il ne fallait retenir qu’un seul vertébré dont les prouesses de vol plané méritent l’attention, ce serait sans hésiter… les serpents volants du genre Chrysopelea. De tous les animaux planeurs, c’est quand même ceux sur lesquels on aurait pas parié de prime abord et pour cause, ce sont grosso-merdo des tubes sans patagium, côtes rétractables ni, bien entendu, de pattes palmées. Pas étonnant ainsi que leurs performances pour planer ne soient pas parmi les plus impressionnantes du règne animal, avec environ 3 mètres gagnés à l’horizontale pour 8 mètre de chute à la verticale. Plutôt que de tomber à pic à 90°, ils chutent de 65° environ, en ondulant frénétiquement leur corps…

Vol plané de Chrysopelea
Mais, faut t-il le rappeler, ce sont des serpents, et éviter de tomber comme un vulgaire tuyau semble déjà en soi un exploit !

Just Keep Undulating
Pour mieux le comprendre d’ailleurs, des chercheurs américains du Virginia Tech ont mis les moyens digne d’un film de Marvel, car ils ont eu recours au Motion capture, en peignant des motifs blancs sur un serpent de l’espèce Chrysopelea paradisi avant de le laisser planer dans un hangar bardé de caméras.

Motion capture de Chrysopelea
Cela a permis à l’équipe de reconstituer un modèle tridimensionnel du serpent…

Modèle 3D de chrysopelea en vol
… permettant par la suite de réaliser des simulations sur ordinateur. Leurs résultats suggèrent ainsi que s’il n’ondulait pas, le serpent chuterait sans aucun contrôle, et que ces ondulations offrent donc une stabilisation essentielle durant leur vol plané. De quoi, selon ces chercheurs, inspirer de nouveaux types de robots planeurs.
Tous les exemples précédents parlent de vol plané depuis une certaine hauteur. Mais est t'il possible que des animaux puissent accomplir une telle performance sans démarrer en altitude. En d’autres termes, faut-il nécessairement chuter, pour planer ?
Et bien deux animaux marins nous apportent une réponse positive, à commencer bien entendu par les célèbres poissons volants :

Poissons volants
Mais cet exemple me semble un peu trop convenu et je le troque volontiers pour celui des… calmars volants.

Ommastrephes bartramii , Kouta Muramatsu, Hokkaido University
En effet, des espèces de calmars comme Ommastrephes bartramii ou Todarodes pacificus ont été épisodiquement photographiées en train de réaliser de fantastiques bonds à la surface de l’eau.

Todarodes pacificus, Graham Ekins
Mais il a fallu attendre une récente étude japonaise parue dans la revue Marine Biology pour connaître, en détail, les modalités de la locomotion si particulière de ces mollusques. Comme on peut le lire sur le blog Mostly Open Ocean, l’équipe de Jun Yamamoto s’est mise à la poursuite des calmars et a trouvé un banc de 100 spécimens à 600 km des côtes.

Banc de calmars volants, Muramatsu et al. 2013
Les chercheurs ont estimé que les céphalopodes, qui mesurent environ 20cm de long, volaient dans les airs à une vitesse de 11,2 mètres par seconde pour réaliser des bonds pouvant atteindre les 30m. C’est plus rapide qu’Usain Bolt ! Pendant leur vol de près de 10s, les calmars étendent leurs bras et leurs ailerons pour se diriger.

Phases du vol des calmars volantsPhases du vol des calmars volants
Le plus surprenant, c’est que ces animaux réalisent cette prouesse non pas en bondissant hors de l’eau, mais en se propulsant à l’aide d’un jet d’eau à haute pression expulsé au niveau de leur siphon. Mais vu l’orientation de leur siphon, les calmars doivent voler en marche arrière, sans trop savoir où ils vont atterrir. L’équipe japonaise pense qu’il s’agit d’un comportement permettant la fuite face aux prédateurs et qu’il vaut mieux ne pas savoir où atterrir que de finir sous les crocs d’un poisson. Mais il pourrait aussi s’agir d’une méthode d’économie d’énergie lors de migrations. Quoi qu’il en soit, les observations de ces céphalopodes volants sont particulièrement rares et pour résoudre la question du rôle de ces ricochets poulpeux, il est possible que le doute plane encore longtemps…
Et c’est sur ce  mystère aquatico-aérien que je clos cette chronique car, je le confesse, je me suis totalement dégonflé pour lui trouver une chute appropriée…

Liens :
Animaux volants et planants :
Flying and gliding animals

Archéognathes planeurs
Gliding in ants, bristletails and spiders | Map of Life
Gliding Bristletail Videos | Canopy Arthropod Biology
Gliding Bristletails Give Clues On Evolution Of Flight -- ScienceDaily
Prof Publishes Bristletail Research in Top Biology Journal - University News Archive
Bristletail Research by Dr. Yanoviak
How did insects get their wings? | Science | AAAS

Fourmis volantes
Gliding ant - Wikipedia
Une Collaboration Fourmidable
Gliding Ant Videos | Canopy Arthropod Biology

Les fourmis du genre Cephalotes
Absurd Creature of the Week: World’s Most Badass Ant Skydives, Uses Own Head as a Shield
Aeronautic ants | Arthropoda


Araignées planeuses
Selenops - Wikipedia
Gliding Spider Videos | Canopy Arthropod Biology
Watch: Spiders glide gracefully to safety | Science | AAAS


Le ballooning
Ballooning (spider) - Wikipedia
Robert Krulwich : les autoroutes du ciel pour arthropodes
How Spiders Fly - The New York Times

Can spiders fly? They are found 3 miles above ground. - Fact Source
Spiders Can Fly Hundreds of Miles Using Electricity
Turns Out, Spiders Use Electricity to Fly

Grenouille volante
Flying frog - Wikipedia

Gecko volant
Ptychozoon - Wikipedia

Lézard volant
Draco (lizard) - Wikipedia

Serpent volant
Wiiii, je vole! - Strange Stuff And Funky Things
https://en.wikipedia.org/wiki/Chrysopelea 
The Bizarre 'Flight' of Tree Snakes May Have Just Been Explained by Physics
How flying snakes glide: Swimming through the air

Poisson volant
Flying fish - Wikipedia

Calmar volant
Ommastrephidae - Wikipedia
Sur #laTAC - Calmars volants et mousse de mer
Japanese flying squid - Wikipedia

Neon flying squid - Wikipedia
These squids can fly... no, really - Robert Siddall
Flying Squid While Kitesurfing In Turks And Caicos

Références :
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Café des Sciences. (2017). La science à contre pied. Ed. Belin. [Chapitre Une histoire à évoluer debout : Tous Bipèdes (ou Presque). M. Dutrait et P. Kerner]

Colbert, E. H. (1967). Adaptations for gliding in the lizard Draco. American Museum novitates ; no. 2283. http://digitallibrary.amnh.org/handle/2246/3081
Dehling, J. M. (2017). How lizards fly : A novel type of wing in animals. PLOS ONE, 12(12), e0189573. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0189573
Kingsolver, J. G., & Koehl, M. a R. (1994). Selective factors in the evolution of insect wings. Annual Review of Entomology, 39(1), 425‑451. https://doi.org/10.1146/annurev.en.39.010194.002233
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Munk, Y., Yanoviak, S. P., Koehl, M. A. R., & Dudley, R. (2015). The descent of ant : Field-measured performance of gliding ants. Journal of Experimental Biology, 218(9), 1393‑1401. https://doi.org/10.1242/jeb.106914
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Yanoviak, S. P., Munk, Y., & Dudley, R. (2011). Evolution and ecology of directed aerial descent in arboreal ants. Integr Comp Biol, 51(6), 944-956. doi:10.1093/icb/icr006
Yanoviak, S. P., Munk, Y., & Dudley, R. (2015). Arachnid aloft : Directed aerial descent in neotropical canopy spiders. Journal of The Royal Society Interface, 12(110), 20150534. https://doi.org/10.1098/rsif.2015.0534
Yeaton, I. J., Ross, S. D., Baumgardner, G. A., & Socha, J. J. (2020). Undulation enables gliding in flying snakes. Nature Physics, 16(9), 974‑982. https://doi.org/10.1038/s41567-020-0935-4

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