Épines, pointes, dards, dents, griffes, becs, crocs, défenses : les morceaux épineux de la nature sont très variés, mais ils reflètent tous le même compromis.
Ces articles divers épineux établissent un équilibre entre durabilité et prouesses en matière de perforation, rapportent des chercheurs dans le 8 juillet. Avancées scientifiques. Mais la nature n’a pas encore choisi une forme gagnante.
L'équipe a mesuré la forme de 143 outils de perforation biologiques, depuis de redoutables défenses d'éléphant jusqu'à de minuscules outils provoquant des frissons, comme les organes reproducteurs que les punaises de lit mâles utilisent pour percer les femelles lors de l'accouplement. « Vous n'avez pas besoin de films d'horreur si vous étudiez la biologie de la ponction », déclare le biomécanicien évolutionniste Philip Anderson de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.
Anderson et ses collègues ont échantillonné une grande variété de pointes des règnes animal et végétal. La liste comprend des instruments moins connus, tels que les « fléchettes d’amour » avec lesquelles les escargots hermaphrodites lancent leurs partenaires et les ovipositeurs en forme d’aiguilles que les guêpes parasites utilisent pour pondre leurs œufs à l’intérieur d’autres créatures.
Les chercheurs ont caractérisé chaque outil selon deux propriétés : la conicité et la rondeur. Taper décrit à quel point un outil est allongé et mince. La colonne vertébrale d’un cactus est très effilée, celle d’une dent de requin moins. La rondeur décrit la forme de la section transversale d'un outil : si vous coupez la colonne vertébrale d'un cactus, vous obtenez un cercle, alors qu'une dent de requin est aplatie.
À l’aide de simulations informatiques, l’équipe a estimé l’efficacité de 25 formes idéalisées de perceurs, calculant la quantité d’énergie nécessaire pour qu’un outil hypothétique de cette forme crée une perforation, ainsi que la facilité avec laquelle l’outil se brise. Les outils très effilés et plus plats peuvent percer plus facilement, mais ils se cassent également plus facilement, ont découvert les chercheurs. La combinaison des deux effets a permis de créer une région de haute performance qui s'étend d'une faible conicité et d'une rondeur à une rondeur élevée et une conicité modérée.
Lorsque les chercheurs ont tracé leurs mesures des outils de perçage des organismes sur cette carte, certains sont tombés sur ou à proximité de la région de haute performance tandis que d'autres étaient des valeurs aberrantes. Mais cette carte supposait que l’efficacité de la perforation et la durabilité étaient également pondérées. Lorsque les chercheurs ont modifié l’importance de la pondération des deux facteurs sur la carte, la région de haute performance s’est déplacée pour englober bon nombre des valeurs aberrantes précédentes. Cela suggère que, en fonction des exigences imposées à un outil, l’importance relative de ces facteurs pourrait changer.
Par exemple, vous pourriez vous attendre à ce que les outils remplaçables, tels que les épines de cactus, n'exigent pas beaucoup de durabilité. Cependant, les outils remplaçables ne semblaient pas regroupés dans une seule partie de la carte. L'étude ne précise pas comment ni pourquoi ces demandes peuvent varier.
Les chercheurs ont également vérifié si les outils étaient regroupés en fonction de leur objectif. Les outils de perçage peuvent fonctionner de différentes manières, notamment comme harpon, pince ou mécanisme défensif. Mais la plupart de ces outils ne sont pas regroupés étroitement en fonction de leur fonction. Quelle que soit la tâche, diverses formes semblaient fonctionner. Les fléchettes d'amour, par exemple, étaient partout sur la carte, bien qu'elles soient utilisées exclusivement pour piquer la chair des escargots. Il y avait cependant quelques exceptions. Les outils destinés à l'injection avaient tendance à être plus ronds, probablement en raison de la nécessité d'un intérieur creux.
Jusqu’à présent, dit Anderson, l’analyse est « très exploratoire ». À terme, il espère utiliser ces techniques pour comprendre quels facteurs ont motivé l’évolution des différents outils.
Le résultat suggère qu’il n’existe probablement pas un « meilleur » outil de perforation, ni aucune règle simple expliquant tous les outils de perforation, explique Haocheng Quan, scientifique en matériaux de l’Université de Nanjing en Chine, qui n’a pas participé aux travaux mais étudie les outils de perforation.
Et d'autres facteurs peuvent être en jeu : l'étude n'a pas pris en compte les différences dans les matériaux qui composent les outils, par exemple. Des études antérieures ont montré que des éléments tels que le zinc peuvent aider à durcir les mâchoires et les dards. De plus, les mesures n'ont pas quantifié la forme détaillée de l'outil, notamment au niveau de sa pointe, ce qui pourrait affecter le processus de perforation. Néanmoins, dit Quan, les simplifications sont nécessaires pour faire des comparaisons entre une grande variété d'outils de perforation.
Le travail nécessaire pour effectuer ces comparaisons comporte également ses risques, dit Anderson. Il souligne les épines des cactus : « Il est difficile de travailler avec elles et de ne pas se poignarder accidentellement. »