Les araignées « volantes » utiliseraient (aussi) le champ électrique ?

Les araignées qui sont emportées par le vent sur des distances énormes utiliseraient aussi le champ électrique?

Quand on pense aux organismes aériens, les araignées ne sont généralement pas ce qui vient à l’esprit en premier !
Pourtant ces arthropodes dépourvus d’ailes ont été retrouvés à 4000[m] d’altitude dans des échantillons d’air recueillis par des ballons météorologiques, et des marins en ont vu « atterrir » sur des navires à des milliers de kilomètres de la côte. Pour ce faire, les araignées « ballonnent » (ballooning en anglais), c’est à dire qu’elles grimpent au sommet d’une éminence, émettent plusieurs fils de soie et s’élèvent dans l’air.
On considère généralement que les forces de traînée de vents très léger permettent aux araignées de s’élever, mais les modèles aérodynamiques actuels n’expliquent pas complètement les mécanismes de ce ballooning.

Fig 1:  les araignées grimpent au sommet d’une éminence, émettent plusieurs fils de soie et s’élèvent dans l’air  : ici la danse tiptoe sur une marguerie [img]. Source : Michael Hutchinson

Le circuit électrique atmosphérique global et le gradient de potentiel atmosphérique qui en résulte (APG en anglais atmospheric potential gradient) fournissent une force supplémentaire qui a été proposée pour expliquer une partie de ce ballooning.

Les araignées « volantes » ne volent pas : elles sont emportées par la viscosité de l’air… et les champs électriques ?

Récemment Morley, E. L., & Robert, D. (2018) ici ont testé l’hypothèse que ces champs électriques (APG) pourraient être détectés par les araignées et seraient suffisants pour stimuler le ballooning.
Ils ont observé que la présence d’un champ électrique vertical est un stimulus qui déclenche le comportement de ballooning chez l’araignée Erigone spp (taxonomy@NCBI).
Ils ont étudié également la réponse mécanique de certaines soies de leurs pattes en réponse aux champ électrique et aux flux d’air, et trouvé que ces poils mécano-sensibles (récepteurs sensoriels putatifs) sont actionnés mécaniquement par des champs électriques faibles qu’ils ont mesuré.
Pour Morley, E. L., & Robert, D. (2018), ces mesures cf plus bas indiquent qu’une une force électrique suffisante pour le ballooning est présente. Ces résultats suggèrent également que l’APG, en tant qu’information météorologique supplémentaire, peut être un indicateur de moment propice pour l’ »envol ».

Le ballooning par le vent est connu depuis longtemps

Darwin avait déjà décrit en détail ces araignées qui s’envolaient du Beagle  à une vitesse qui l’a fortement surpris par air tout a fait calme.

Le mécanisme est assez bien illustré  (attention c’est une vidéo d’un modèle pas de la réalité) ici:

Fig. 5 : un résumé en animation Highlights sur le site de l’iuneversité de bristol :  [img]. source University of Bristol https://www.youtube.com/watch?v=GRrUxi6d7so

Morley et al. résument leur article :

  • Spiders detect electric fields at levels found under natural atmospheric conditions
  • Ballooning behavior is triggered by such electric fields
  • Trichobothria mechanically respond to such electric fields, as well as to air flow
  • Electric field and air flow stimuli elicit distinct displacements of trichobothria

(Les membres Expériment@l-Tremplins peuvent obtenir ces articles…).
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Fig 6 : Les araignées émettent plus de soies (gauche), et effectuent la danse sur les pointes (tiptoe) quand le champ électrique est plus fort   [img]. Source : Morley (2018)

Comment ces araignées détecteraient-elles le champ électrique ?

Mechanical Displacement of Spider Trichobothria
Fig 7:  Les poils sensoriels des pattes (trichobotries) a-b et mesures du déplacement des trichobotries (c-h) corrélé temporellement avec le champ é-  [img]. Source :  Morley (2018)

Morley et al. (2018) ont effectué des mesures du déplacement de certains poils sensoriels des pattes (trichobotries) seraient sensibles au champ électrique et leurs résultats sont convaincants : cf fig 7.

A cette taille les filaments baignent dans un air « visqueux »

Pour des organismes si petits (quelques [mg])  et pour leurs fils, les forces de viscosité l’emportent sur les forces aérodynamique habituelles  pour nous : C’est un peu comme si nous pataugions dans la mélasse : nous tomberions très lentement et il serait presque impossible de voler.
Donc ces araignées baignent dans un air visqueux pour eux mais ne volent pas, ni ne flottent comme un ballon ou une mongolfière.

On mesure avec le nombre de Reynolds le ratio des forces inertielles aux forces visqueuses agissant sur une particule dans un fluide. Quand ce ratio est bas les forces de viscosité sont prédominantes. Une fourmi qui tombe de la tour Eiffel tombe dans un air relativement visqueux ne sera pas blessée le moins du monde en atteignant le sol, elle se comporte dans l’air avec un nombre de Reynolds bas. Ces araignées vivent dans un monde au nombre de Reynold plutôt bas.

Des mesures de la longueur du filament, la force du vent et la distance

Il y a pas mal de temps Humphrey, J. A. C. (1987).ici avaient étudié les effets sur les fils des araignées en fonction des conditions de vent et
Leurs résultats : 
1) La longueur du filament auquel une araignée en ballon est attachée affecte considérablement la vitesse finale et le temps de réponse du système filamentaire. À cet égard, les araignées attachées à des filaments courts dans des vents forts se déplacent plus rapidement et plus loin que les araignées de taille égale attachées à de longs filaments dans des vents plus faibles.
2) En cas de détachement du substrat, il est garanti qu’un système de filaments d’araignée monte et continuera de le faire tant que la composante verticale du vent dépasse la vitesse finale de chute libre du système.
3) Plusieurs petites araignées sur un filament de soie voyageront plus vite et plus loin qu’une seule araignée de masse équivalente sur le même filament.
4) Bien qu’une composante verticale oscillatoire du mouvement du vent retarde la vitesse de chute du filament d’araignée, l’ampleur de cet effet n’est pas importante et ne peut donc pas tenir compte des grandes distances parcourues par certains aéronautes. Ces distances sont probablement dues à des rafales dirigées verticalement qui surviennent périodiquement sur des espaces étendus en présence d’une forte composante horizontale du vent.
5) Le système de filaments d’araignée est le seul connu de l’auteur où moins de 0,1% du poids du système peut représenter plus de 75% de la traînée totale.

Fig. 8.  « Fenêtre » dans laquelle on peut s’attendre à un vol en araignée. L’ordonnée montre la taille de l’araignée D (mm) ou la masse m (mg) que soulèvera un vent agissant sur un filament de longueur 1 (m) et de diamètre d = 2 µm. L’abscisse montre le module de la vitesse du vent, |V| en m / s et m.p.h Source Humphrey (1987)

Fig. 9. Illustration de la longueur de filament requise pour initier le gonflement d’une seule araignée de masse 4,17 mg selon : A) la composante verticale minimale de la vitesse du vent ; B) la vitesse terminale d’une seule araignée de masse 4,17 mg ; C)  la vitesse terminale de cinq araignées identiques de masse combinée 4,17 mg Source Humphrey (1987)

Des mesures – avec les araignées – dans la nature et en soufflerie

Un article récent approfondit ces mesures : Cho, M., et al. (2018) ici ont étudié le comportement de ballooning en fonction de la vitesse du vent dans la nature et dans une soufflerie. (Les membres Expériment@l-Tremplins peuvent obtenir ces articles…).

Fig 10: différents filaments emis par les araignées  [img]. Source :  Cho, M., et al.  (2018).
Fig 11: Le « ballooning » des araignées a été observé en soufflerie . Vidéo NYT https://www.dailymotion.com/video/x6n94g5 [img]. Source :  par Cho, M., et al.  (2018)

Ils ont mis en évidence les vitesses de vent appropriée et montrent qu’un vent vertical faible peut suffire à les élever

In the wind tunnel tests, as-yet-unknown physical properties of ballooning fibers (length, thickness, and number of fibers) were identified. Large spiders, 16–20 mg Xysticus spp., spun 50–60 nanoscale fibers, with a diameter of 121–323 nm. The length of these threads was 3.22 ± 1.31 m (N = 22). These physical prop- erties of ballooning fibers can explain the ballooning of large spiders with relatively light updrafts, 0.1–0.5 m s−1, which exist in a light breeze of 1.5–3.3 m s−1. Additionally, in line with previous research on turbulence in atmospheric boundary layers and from our wind measurements, it is hypothesized that spiders use the ascending air current for their aerial dispersal, the “ejection” regime, which is induced by hairpin vortices in the atmospheric boundary layer turbulence. This regime is highly correlated with lower wind speeds. This coincides well with the fact that spiders usually balloon when the wind speed is lower than 3ms−1.  »
Cho, M., et al.  (2018) ici (Les membres Expériment@l-Tremplins peuvent obtenir ces articles…).

Les observations de Darwin sur le Beagle et leur explication possible en terme d’effet de pointe ?

Puisque de nombreux résultats suggèrent que le champ électrique est en jeu, l’effet de pointe doit être pris en compte et des chercheurs ont modélisé ces effets possibles notamment sur le Beagle lors des observations de Darwin.

C’est ce que Gorham, P. W. (2013) ici ont fait : « Nous considérons les aspects généraux de la physique sous-jacente au vol des araignées  […] volantes. Nous montrons que les observations existantes et la physique de la soie d’araignée en présence du champ électrique statique de la Terre indiquent un rôle potentiellement important pour les forces électrostatiques dans le vol des araignées. Un exemple convaincant est analysé en détail, motivé par la « rapidité inexplicable » observée dans le l’élévation de ces araignées de H.M.S. Beagle, enregistré par Charles Darwin lors de son célèbre voyage. »  Gorham, P. W. (2013) Traduction

Fig.12. À gauche: aperçu de la simulation de champ électrostatique en trois dimensions pour un modèle informatique du HMS Beagle. La couleur du vecteur est mise à l’échelle en dB (V / m) et les valeurs sont définies sur une échelle absolue similaire au champ terrestre non perturbé de 120 V / m. Droite: une vue agrandie montrant une partie des vecteurs de champ électrique dans la zone après pont, indiquant la grande composante horizontale qui se développe à proximité du rail du navire. Les intensités de champ sont également un facteur 2-3 plus élevé près du rail que dans le champ ambiant.  Source Gorham, P. W. (2013)

Les pointes des plantes augmentent le champ électrique localement

Les araignées semblent chercher des pointes locales et l’effet de pointe pourrait amplifier le champ électrique localement facilitant le décollage -et donnant une hauteur de départ intéressante indiquent Morley (2018).

Parce qu’elles sont enracinées dans la terre et contiennent une forte proportion d’eau et d’électrolytes, les plantes ont tendance à s’équilibrer au potentiel du sol  et la force du champ électrique entourant les feuilles et les branches peut atteindre plusieurs kilovolts par mètre (figures 12B-12E). Par exemple, dans des conditions météorologiques légèrement instables (APG de 1 kVm-1), le champ électrique d’environ 10 m au-dessus de la canopée d’un arbre de 35 m de hauteur peut dépasser 2 kVm-1 (figures 12B-12E et S1). Plus près de l’arbre, autour des extrémités des feuilles, des aiguilles et des branches, les champs électroniques atteignent facilement des dizaines de kilovolts par mètre (figures 12B-12E et S1) Morley (2018). (Les membres Expériment@l-Tremplins peuvent obtenir ces articles…).

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Fig. 12: Les arbres peuvent augmenter le champ électrique de manière très conséquente par l’effet de pointe  [img]. Source :  Morley (2018)

Et les chenilles au bout de leur fil qu’on voit parfois dans les forêts de conifères : balloonent-ils ?

Selon L’entomologiste Christian Lavorel : »il y a un grand nombre d’espèces qui utilisent un fil de soie pour descendre au sol et s’y nymphoser.  » Il ajoute avec humour : « On peut en tirer deux enseignements:
1) Ce ne sont pas les alpinistes qui ont inventé le rappel!
2) Il suffit d’un coup de vent pour que la chenille funambule devienne chenille volante.
Je ne sais pas si on a pu mettre en évidences de véritables stratégies de dispersion par le vent. Comme les papillons adultes ont des ailes (en général), ce serait moins avantageux du point de vue évolutif que pour les araignées. En effet, le papillon peut utiliser ses sens pour coloniser plus efficacement de nouvelles zones.
Encore de jolis sujets d’étude. » Lavorel, C. (2018)

Sources

  • Gorham, P. W. (2013). Ballooning spiders: the case for electrostatic flight. arXiv preprint arXiv:1309.4731. Consulté à l’adresse https://arxiv.org/abs/1309.4731
  • Humphrey, J. A. C. (1987). Fluid mechanic constraints on spider ballooning. Oecologia, 73(3), 469‑477. https://doi.org/10.1007/BF00385267
  • Lavorel, C., (2018), Communication personnelle par mail, Labergement,  22 aout 2018
  • Le monde et Nous, Pascale (2017). 10 choses insolites sur les araignées. Consulté 16 août 2018, à l’adresse http://lemondeetnous.cafe-sciences.org/2017/03/10-choses-insolites-sur-les-araignees/
  • Morley, E. L., & Robert, D. (2018). Electric Fields Elicit Ballooning in Spiders. Current Biology, 28(14), 2324-2330.e2. https://doi.org/10.1016/j.cub.2018.05.057
  • Pierre, J.-J. (2018). Les araignées peuvent utiliser l’électricité pour s’envoler. Consulté 16 août 2018, à l’adresse https://trustmyscience.com/les-araignees-peuvent-utiliser-l-electricite-pour-s-envoler/
  • Publié 22 aout mais remis en ligne le 28 janvier suite a un problème technique

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