Comment les fourmis à mâchoires pièges empêchent-elles de se faire sauter la tête ?

Fourmis à mâchoires pièges (Odontomachus brunneus) sont des insectes prédateurs dotés de mâchoires exceptionnelles. Ils ouvrent la gueule à 180^o et verrouillez-les là jusqu’à ce qu’ils aient besoin de les fermer. Un claquement, lorsqu’il se produit, ne prend que quelques microsecondes et implique une force considérable. En fait, les mâchoires de cette fourmi comptent parmi les appendices les plus rapides du règne animal.

Les fourmis utilisent principalement ces mâchoires pour étourdir ou tuer leurs proies, mais peuvent également libérer le bouton-pression près de la surface du sol. Cette action finit par propulser la fourmi dans les airs, soit comme une sorte de « saut » pour faciliter la locomotion, soit pour sortir la fourmi d’une situation délicate.

Lorsqu’elles ne sont pas utilisées pour tuer des proies ou pour se mettre en sécurité, les mâchoires de la fourmi peuvent être utilisées avec une extrême délicatesse pour saluer d’autres fourmis ou pour manipuler de petits morceaux de nourriture. Impressionnée par la manière dont les fourmis à mâchoires pièges utilisent leurs mâchoires à la fois pour des manœuvres délicates et des coups sauvages, une équipe dirigée par Sheila Patek de l’Université Duke a entrepris d’étudier le fonctionnement de ces mâchoires. Les résultats fascinants de l’étude sont publiés dans le Journal de biologie expérimentale.

L’espèce est originaire du sud des États-Unis, d’Amérique centrale et des Antilles. Patek et ses collègues ont collecté des spécimens dans une colonie trouvée dans la garrigue près de Lake Placid, en Floride. Ils ont disséqué certaines fourmis et pris des mesures détaillées et des micro-tomodensitogrammes de la tête et des mâchoires. Les experts ont utilisé ces mesures pour modéliser les mouvements des fourmis et comprendre ce qui leur permet de libérer leurs mâchoires avec une telle force et une telle vitesse.

Le co-auteur de l’étude, Chi-Yun Kuo, a doucement sécurisé les fourmis devant une caméra à grande vitesse et a filmé les mouvements de leurs mâchoires à 300 000 images par seconde pour capturer la manœuvre ultra-rapide alors que les insectes écrasaient leurs mandibules l’une contre l’autre.

Après la libération, chaque mandibule s’est balancée selon un arc parfait au cours des 65 premiers^o avant de décélérer et de s’immobiliser. « Lorsque nous avons visionné les vidéos au ralenti, leurs frappes étaient d’une précision spectaculaire », a déclaré Patek.

Les chercheurs ont découvert que les fourmis utilisaient deux mécanismes à ressort distincts pour accomplir leurs puissants claquements de mâchoires. Premièrement, les muscles étirent les mâchoires de manière à obtenir un angle de 180^o angle entre eux. Ce faisant, ils déforment quelque peu les côtés de la tête de la fourmi, la rendant légèrement plus courte (3,2 %) et plus étroite (6 %) au milieu. À mesure que l’exosquelette se déforme vers l’intérieur, il stocke une énergie potentielle élastique qui peut être utilisée lorsque les mâchoires sont relâchées.

Deuxièmement, d’énormes muscles s’attachent à chaque mâchoire au moyen de tendons élastiques. Ainsi, le couple est développé en stockant de l’énergie élastique dans deux sites différents sur chaque mandibule. Lorsque les mâchoires sont relâchées, la capsule céphalique reprend sa forme normale, ce qui pousse une partie de la mandibule vers l’avant, loin du corps. Dans le même temps, les tendons élastiques tirent le bord interne de chaque mâchoire vers le corps. Cela fait pivoter les mâchoires selon un arc parfait et atteint une vitesse maximale d’environ 120 mph (195 km/h). Le mouvement équivaut à une rotation époustouflante de 470 000 tr/min. Les chercheurs appellent ce système un « couple de force à double ressort », car deux ressorts fournissent de l’énergie à deux endroits différents en même temps, sur chaque mandibule.

En calculant la quantité d’énergie libérée lorsque les insectes déchaînaient leurs mandibules fracassantes, l’équipe a découvert que l’énergie stockée lors de la déformation de l’exosquelette de la tête était suffisante pour faire passer les mandibules à travers 33^o de rotation parfaite. L’énergie stockée dans le tendon élastique reliant la mandibule à l’énorme muscle adducteur à l’intérieur de la tête (qui représente 14 pour cent de la masse corporelle de la fourmi) alimentait les 32 fourmis restantes.^o de l’arc.

Les chercheurs se sont demandé comment ce système de ressorts pourrait fonctionner sans générer de friction excessive, ce qui ralentirait les mouvements de la mâchoire et entraînerait une usure des articulations. En utilisant une modélisation dynamique, ils ont découvert que les couples de forces à double ressort réduisaient le besoin de contraintes articulaires et que les fourmis avaient une structure articulaire beaucoup moins rigide que prévu. Ce système réduit la friction, ce qui est essentiel si la fourmi doit fermer ses mâchoires à plusieurs reprises.

Les fourmis à mâchoires pièges utilisent ainsi un mécanisme qui leur permet de coordonner les forces opposées entraînant la rotation parfaite de la mandibule. Puisqu’aucune contrainte n’est exercée sur l’articulation fragile autour de laquelle pivote la mandibule, la fourmi elle-même ne subit aucun dommage, quelle que soit la fréquence à laquelle elle ferme ses mâchoires.

Patek soupçonne que d’autres créatures à ressort utilisent également cette stratégie, et elle, Sarah Bergbreiter (Université Carnegie Mellon, États-Unis) et Suzanne Cox (Université Duke) suggèrent que cette conception révolutionnaire pourrait être adoptée par les ingénieurs.

« Ces principes peuvent être intégrés à la microrobotique pour améliorer la multifonctionnalité, la précision et la longévité des systèmes ultrarapides », affirment-ils.

Plus de détails sur l’étude peuvent être trouvés sur : https://journals.biologists.com/jeb/article-lookup/doi/10.1242/jeb.244077

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Par Alison Bosman, Espèces-menacées.fr Rédacteur