Des chercheurs de Georgia Tech ont découvert que les cigales, contrairement aux autres mangeurs de sève de xylème, urinent dans des jets puissants plutôt que dans des gouttelettes. Cette observation, faite lors d’un travail de terrain au Pérou, remet en question les normes établies concernant la miction des insectes et la consommation d’énergie.
Alors que la plupart des petits insectes et mammifères urinent en gouttelettes, les cigales urinent en jets. Les chercheurs de Georgia Tech affirment que ces découvertes pourraient être utilisées pour créer de meilleurs robots et de petites buses.
Les cigales sont la bande originale de l’été, mais leur pipi est plus spécial que leur musique. Plutôt que de répandre des gouttelettes, ils émettent des jets d’urine depuis leur petite silhouette. Depuis des années, les chercheurs de Georgia Tech souhaitent comprendre la miction unique de la cigale.
Saad Bhamla, professeur adjoint à l’École de génie chimique et biochimique, et son groupe de recherche espéraient avoir l’occasion d’étudier l’excrétion fluide d’une cigale. Cependant, si les cigales sont facilement audibles, elles se cachent dans les arbres, ce qui les rend difficiles à observer. A ce titre, voir une cigale faire pipi est un événement. L’équipe de Bhamla avait uniquement regardé le processus sur YouTube.
Puis, alors qu’ils effectuaient un travail de terrain au Pérou, l’équipe a eu de la chance : elle a vu de nombreuses cigales dans un arbre, en train de faire pipi.
Ce moment d’observation a suffi à réfuter deux principaux paradigmes du pipi d’insecte. Premièrement, les cigales mangent la sève du xylème, et la plupart des mangeurs de xylème ne font pipi que sous forme de gouttelettes, car elles utilisent moins d’énergie pour excréter la sève. Les cigales, cependant, sont des mangeurs si voraces que jeter individuellement chaque goutte d’urine serait trop éprouvant et n’extraireait pas suffisamment de nutriments de la sève.
« L’hypothèse était que si un insecte passait de la formation de gouttelettes à un jet, il aurait besoin de plus d’énergie car l’insecte devrait injecter plus de vitesse », a déclaré Elio Challita, ancien doctorant. étudiant dans le laboratoire de Bhamla et actuel chercheur postdoctoral à l’Université Harvard.
Deuxièmement, les petits animaux sont censés faire pipi sous forme de gouttelettes car leur orifice est trop petit pour émettre quelque chose de plus épais. En raison de leur plus grande taille – avec une envergure qui peut rivaliser avec celle d’un petit colibri – elles utilisent moins d’énergie pour expulser l’urine dans les jets.
«Auparavant, il était entendu que si un petit animal voulait éjecter des jets d’eau, cela devenait un peu difficile, car l’animal dépensait plus d’énergie pour forcer la sortie du fluide à une vitesse plus élevée. Cela est dû à la tension superficielle et aux forces visqueuses. Mais un animal plus gros peut compter sur la gravité et les forces d’inertie pour faire pipi », a déclaré Challita.
La capacité des cigales à projeter de l’eau a permis aux chercheurs de mieux comprendre l’impact de la dynamique des fluides sur ces minuscules insectes, et même sur les grands mammifères. Les chercheurs ont publié ce défi au paradigme sous la forme d’un mémoire intitulé « Unifying Fluidic Excretion Across Life from Cicadas to Elephants » dans Actes de l’Académie nationale des sciences la semaine du 11 mars.
« Nos recherches ont cartographié les schémas excréteurs des animaux, couvrant huit ordres d’échelle, depuis les minuscules cigales jusqu’aux énormes éléphants. Ce travail approfondit non seulement notre compréhension des fonctions biologiques, mais ouvre également la voie à l’unification des principes sous-jacents qui régissent les processus essentiels de la vie.
— Saad Bhamla
Depuis des années, le groupe de recherche étudie l’éjection de fluide à travers espèces, aboutissant à une récente prépublication arXiv qui caractérise ce phénomène, des champignons microscopiques aux baleines colossales. Leur cadre révèle diverses fonctions – telles que l’excrétion, la pulvérisation de venin, la chasse aux proies, la dispersion des spores et la guttation des plantes – mettant en évidence des applications potentielles dans la robotique douce, la fabrication additive et l’administration de médicaments.
Les cigales sont le plus petit animal capable de créer des jets à grande vitesse, elles peuvent donc potentiellement éclairer les applications de fabrication de jets dans de minuscules robots/buses. Et comme leur population atteint des milliards, l’impact de leur éjection de fluide sur l’écosystème est substantiel mais inconnu. Au-delà de l’ingénierie bio-inspirée, Bhamla pense que les créatures pourraient également éclairer les applications de biosurveillance.
« Nos recherches ont cartographié les schémas excréteurs des animaux, couvrant huit ordres d’échelle, depuis les minuscules cigales jusqu’aux énormes éléphants », a-t-il déclaré. « Nous avons identifié les contraintes et les forces fondamentales qui dictent ces processus, offrant ainsi une nouvelle perspective permettant de comprendre les principes de l’excrétion, une fonction essentielle de tous les systèmes vivants. Ce travail approfondit non seulement notre compréhension des fonctions biologiques, mais ouvre également la voie à l’unification des principes sous-jacents qui régissent les processus essentiels de la vie.
« La biologie et la diversité des formes de vie ont le potentiel de stimuler des progrès dans des domaines allant des soins de santé à l’industrie manufacturière et à d’autres industries clés », a déclaré Miriam Ashley-Ross, directrice de programme à la National Science Foundation des États-Unis, qui a contribué à financer les travaux. « Ce travail montre que même la manière dont les organismes se débarrassent des déchets peut fournir de nouvelles informations sur la dynamique des fluides qui stimulent l’innovation dans la robotique douce et les moyens de gérer les fluides à petite échelle dans toutes sortes de fabrication. Cela montre également à quel point nous avons encore beaucoup à apprendre sur des organismes comme les cigales, qui font souvent l’objet de l’actualité.
Cette recherche a été financée par une subvention MIRA du Instituts nationaux de la santé (R35GM142588) et une subvention de la National Science Foundation (POLS-2310691).
