Ben Hasty/Groupe MediaNews/Reading Eagle via Getty Images
Une cigale est perchée sur une table de pique-nique devant le manoir Nolde dans le canton de Cumru, en Pennsylvanie, en mai 2021. De nouvelles recherches montrent que ces insectes urinent d’une manière surprenante.
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Ce printemps et cet été, dans le Midwest et le sud-est des États-Unis, les cigales sortiront de leurs terriers souterrains par milliards pour s’accoupler – en raison de l’émergence de deux couvées différentes de ces insectes ailés à peu près au même moment, l’une sur un cycle de 13 ans. et un sur un cycle de 17 ans.
Durant leurs brèves semaines en surface, leur mission sera de se reproduire. Chaque mâle tentera d’attirer les femelles en produisant un bourdonnement aussi fort qu’une tondeuse à gazon.
Mais au-delà de leur nombre prodigieux et de leur bruit rauque, de nouvelles recherches publiées dans PNAS révèle que les cigales sont spéciales d’une autre manière : leur miction. En se basant sur leur taille et leur régime alimentaire, les scientifiques soupçonnaient qu’ils urineraient sous forme de gouttelettes, mais il s’avère que ces insectes produisent jets de pipi.
Les résultats surprenants ont de nombreuses applications lorsqu’il s’agit de manipuler des fluides à petite échelle, notamment l’impression 3D, l’administration de médicaments, le diagnostic de maladies et même le test de composés dans l’espace.
Il s’agit d’une découverte frappante dans un domaine que nous connaissons relativement peu, disent les scientifiques.
“L’excrétion en général n’est pas très bien comprise”, déclare l’auteur principal Elio Challita, un roboticien bio-inspiré de l’Université Harvard. “Les cigales font partie des plus petits insectes, à notre connaissance, capables de former de tels jets à cette petite échelle.”
“Les insectes sont tout simplement le laboratoire idéal pour explorer la manipulation des fluides à l’échelle microscopique”, déclare Anne Staples, un dynamique des fluides à Virginia Tech qui étudie la mécanique de la respiration des insectes et n’a pas été impliqué dans la recherche. “Ils volent dans les airs, boivent de l’eau, manipulent du nectar. Comme le montre cet article, ils urinent, ils excrètent.”
Quoi qu’il en soit, demandez à Challita ce qui a motivé l’étude, et il répond que c’était une simple curiosité. “Je pense que les gens devraient comprendre que la science n’a pas besoin d’être très sérieuse”, dit-il. “Ça peut aussi être amusant.”
Un spectre de pipi
Tous les animaux ne font pas pipi de la même façon. D’un côté, il y a les animaux plus gros comme les humains et les éléphants. “Ils comptent sur les forces d’inertie et de gravité pour évacuer les liquides de leur vessie”, explique Challita.
Cela se traduit par un jet ou un jet d’urine, comme celui qui pourrait frapper régulièrement la cuvette de vos toilettes. En fait, une étude de Georgia Tech de 2014 intitulée «La durée de la miction ne change pas avec la taille du corps” a constaté que tous les mammifères de plus de six ou sept livres mettent en moyenne 21 secondes (plus ou moins 13 secondes) pour vider leur vessie. Les chercheurs ont appelé cela le Loi de la miction.
Mais lorsqu’un organisme est petit (comme la taille d’un insecte), les fluides se soucient moins de la gravité. Au lieu de cela, la tension superficielle et la friction dominent – des forces négligeables pour les organismes plus grands comme nous.
“La tension superficielle est une force invisible très importante pour les petits insectes”, explique Challita. “Le simple fait de pousser un fluide à petite échelle est un défi.”
Le résultat est que la plupart des insectes et la plupart des petits mammifères comme les souris et les chauves-souris urinent sous forme de gouttelettes à travers des orifices plus petits. En fait, alors qu’elle étudiait à Georgia Tech, Challita a étudié une sorte d’insecte appelé tireur d’élite, qui suce la sève des plantes à faible teneur en nutriments (sève composée à 95 % d’eau). “Et puis nous avons calculé quelle est l’énergie nécessaire pour former un jet par rapport à une gouttelette”, explique Challita.
Ce n’était même pas un concours. La miction par gouttelettes consomme beaucoup moins d’énergie. Donc ça semblait être la règle générale : si on est grand, on fait pipi dans un jet. Si vous êtes petit – et surtout si vous vous nourrissez de sève pauvre en nutriments – vous faites pipi en gouttelettes.
Mais Challita savait que le monde se divise rarement aussi clairement. “Nous essayons de créer des théories qui peuvent expliquer les choses dans la nature”, dit-il, “mais la nature nous réserve toujours des surprises et des exceptions.”
Une touche de perspicacité
D’après une poignée de vidéos YouTube qu’il avait vues, Challita avait le pressentiment que les cigales pourraient bien s’avérer être l’exception à la règle. Le seul problème est qu’ils sont difficiles à observer.
“Ils sont généralement très haut dans les arbres”, dit-il. “Et même si vous les trouvez, il est difficile de ne pas les déranger et ils s’envoleraient.”
Mais plus tard, sur un autre projet en Amazonie péruvienne, un coup de chance : Challita et quelques collègues avaient terminé leur travail sur le terrain et prenaient le bateau de six heures pour rentrer en ville lorsque leur chauffeur s’est arrêté tôt pour le déjeuner. .
“Alors nous avons commencé à nous promener”, se souvient Challita, “et puis un de nos collègues a senti cette petite aspersion sur sa tête. Et puis nous avons levé les yeux – et puis nous avons vu beaucoup de cigales.”
Challita et ses collègues n’en revenaient pas. Il y avait 20 ou 30 cigales au bas des arbres, se nourrissant et faisant pipi avec abandon. L’équipe est passée à l’action, se précipitant pour collecter des données avant la fin de la pause déjeuner de leur chauffeur. Ils ont grimpé sur l’un des arbres. Ils prirent une table pour se tenir debout. Et ils ont filmé les cigales en utilisant le réglage vidéo haute vitesse de leur téléphone.
“Tous les villageois là-bas nous regardaient fixement, du genre : ‘Qu’est-ce qui ne va pas avec ces gars-là ?'”, dit Challita en riant.
C’était une ruée.
Et l’expérience s’est également bien déroulée.
Les chercheurs ont vu des cigales défier les attentes. Ce sont des insectes qui se nourrissent de sève pauvre en nutriments, mais ils étaient là, en train de pisser dedans. jets. C’était l’un de ces ruisseaux qui avaient éclaboussé le collègue de Challita et qui les avait tous fait lever les yeux en premier lieu.
Youtube
Voici ce que pense Challita : les cigales sont de gros insectes avec un intestin plus large, elles ne sont donc pas soumises exactement à la même contrainte de taille que, disons, un tireur d’élite. De plus, ils doivent traiter une énorme quantité de sève pour extraire suffisamment d’énergie pour alimenter leur corps.
« Faire pipi une gouttelette à la fois prend trop de temps et n’est pas très efficace », explique Challita. “Ils doivent donc se débarrasser de ce fluide dans les jets.”
Cela signifie qu’en plus des gros animaux qui font pipi dans des jets et des petits animaux qui font pipi dans des gouttelettes, Challita a découvert une troisième catégorie : les petits organismes qui font également pipi dans les jets.
Staples affirme que même si la recherche aurait bénéficié de l’étude d’un plus grand nombre de cigales, elle repousse encore les limites de notre compréhension.
“Ils ont étendu l’échelle jusqu’aux parties inférieures du règne animal et ont montré des résultats surprenants qui sont contre-intuitifs”, explique Staples. “On ne penserait pas que ce serait l’exploitation la plus efficace de la physique fondamentale pour uriner à cette taille.”
Et pourtant c’est le cas. C’est le dernier pas en avant dans le développement de ce que Challita espère pouvoir devenir une sorte de grande théorie de la miction.
