Ifran Yilmaz
En 1832, à 100 km des côtes argentines, Charles Darwin observa de nombreuses araignées minuscules, d’un rouge profond, mesurant 2 à 3 mm, portées par la brise marine et agrippées aux cordages et aux voiles du HMS Beagle, le navire à bord duquel il effectuait son tour du monde. Il s’interrogea sur la manière dont un si grand nombre d’araignées pouvait atteindre un navire aussi éloigné des côtes. Darwin comprit que ces insectes, terrestres et dépourvus d’ailes apparentes, utilisaient de fins fils de soie extrêmement résistants comme voiles ou ballons pour planer au gré du vent.
Grâce à ce procédé, ces minuscules insectes pouvaient voler jusqu’à une altitude d’environ 4 000 mètres. Les processus chimiques impliqués dans la production de ces fils de soie, à peine visibles à l’œil nu mais plus résistants que l’acier, demeurent un mystère. Bien que notre technologie actuelle nous empêche encore de fabriquer des fils aussi sophistiqués, 45 000 à 50 000 espèces d’araignées connues de l’humanité sont capables de produire aisément de tels fils, aux caractéristiques variées, en fonction de leur alimentation, de leurs déplacements et de leur mode de reproduction dès leur naissance. Elles utilisent ces fils pour tendre leurs pièges à la chasse, construire leurs nids ou se déplacer en se suspendant dans les airs. Ces fils de soie diversifiés sont synthétisés à partir des acides aminés dans les « laboratoires » à soie situés dans l’abdomen des araignées.
Pour trouver de nouveaux habitats, ces minuscules araignées grimpent jusqu’à atteindre l’extrémité d’une branche ou d’une feuille, puis déploient un fil de soie, tel un cerf-volant, dans le sens du vent avant de s’envoler. Elles s’y accrochent et planent dans les airs, comme si elles faisaient du ski nautique ou du parapente. Elles peuvent ainsi parcourir des centaines de kilomètres et, selon les courants aériens, atteindre des altitudes de 500 mètres, voire de 4 000 mètres. L’explication la plus courante est que la force de traînée ou de portance du vent peut aider l’araignée accrochée à ces fils à s’élever dans les airs. Cependant, les modèles aérodynamiques existants ne parviennent pas à expliquer pleinement les mécanismes de ce phénomène [1]. Un autre modèle proposé utilise les charges électriques présentes dans l’atmosphère pour expliquer ce phénomène [2].
Le fil miraculeux qui capte l’électricité
Étonnamment, on a découvert que les araignées sont capables de détecter les champs électriques et de produire un fil chargé par ces champs, fonctionnant comme une pile. Selon les recherches, l’araignée produit ces fils spéciaux, adaptés à l’effet de gonflement, grâce à ses récepteurs sensibles. Elle peut également déterminer la direction et la force du vent grâce à ses poils mécano sensoriels et ainsi créer une force motrice électrique suffisante pour le gonflement [3].
À ce sujet, les physiciens divergent quant à la principale force motrice agissant sur le fil de soie : la résistance aérodynamique due au vent ou la force électrostatique atmosphérique. Depuis lors, on attribue la force physique nécessaire au gonflement à la résistance aérodynamique pour des vitesses de vent inférieures à 3 mètres par seconde, se basant sur les observations et estimations de Darwin. Cependant, la contribution des forces électrostatiques à ce phénomène n’a jamais été étudiée.
Plusieurs problèmes surgissent lorsqu’on utilise uniquement la résistance aérodynamique pour expliquer le processus de gonflement. Par exemple, chez certaines espèces, l’araignée déploie plusieurs fils de soie et les colle ensemble pour former une toile en éventail qui fonctionne comme un ballon. Chez d’autres espèces, on observe qu’elles tiennent les fils de soie séparément pour se déplacer par légère brise. L’effet d’une force électrostatique repousse ces fils, les empêchant de s’agglomérer. On s’interroge également sur la façon dont les araignées peuvent libérer des fils de soie pour se déplacer à grande vitesse malgré un vent faible.
L’étude du mécanisme de production de la soie révèle qu’une force extérieure est nécessaire pour extraire le fil des pores de la glande lors de sa fabrication. Dès lors, comment l’accélération importante requise pour le décollage initial est-elle atteinte par faible vent ? Bien que des études suggèrent que les courants thermiques et les variations de température agissent comme force motrice par temps chaud, ce phénomène a également été observé par temps nuageux et pluvieux. Des modèles prenant en compte toutes les conditions, telles que l’humidité, la température et la vitesse du vent, ont été élaborés, mais des questions restent en suspens.
L’araignée est-elle versée en physique ?
Le rôle des forces électrostatiques dans le décollage des araignées était suspecté, mais restait à prouver. Des expériences menées par des scientifiques de l’Université de Bristol ont finalement confirmé, dans une étude, que les araignées détectent les champs électriques et les utilisent pour s’élancer dans les airs [4]. Lorsqu’elles perçoivent un vent favorable, les araignées grimpent à l’extrémité d’une feuille, là où la charge électrique est la plus élevée. Elles mettent alors leurs pattes à l’horizontale, dressent leur abdomen et commencent à libérer leur fil de soie. Lorsque le fil atteint une longueur suffisante, les charges électriques de l’atmosphère exercent une force d’attraction. Cette force, opposée par la pression terrestre, repousse le fil non conducteur, propulsant ainsi l’araignée dans les airs.
Champ électrique
La distribution du champ électrique dans l’atmosphère est liée à de nombreux systèmes biologiques. Par exemple, les bourdons peuvent détecter les champs électriques entre eux et les fleurs. Les abeilles domestiques utilisent les charges électriques pour communiquer au sein de leur ruche. Quelle est la capacité à détecter et à utiliser les forces électrostatiques chez les organismes terrestres ? La soie produite par les araignées est reconnue comme un excellent isolant. Michael Faraday l’a utilisée pour les premières mesures de charge électrostatique et a constaté qu’elle accumulait une charge négative nette.
La question suivante est de savoir comment se forment ces champs électriques. La Terre est chargée électriquement négativement, tandis que la haute atmosphère est chargée positivement en raison des milliers d’orages qui se produisent quotidiennement. Cette différence de potentiel atmosphérique (tension) entre la Terre et le ciel existe également par temps ensoleillé, bien qu’elle soit moins marquée que par temps orageux. Ce phénomène ne peut être réduit à un simple vol d’araignées, car il cache des mécanismes plus complexes.
Les scientifiques ont découvert qu’une araignée peut percevoir les forces électrostatiques et déterminer si les conditions sont propices au décollage, et même contrôler son altitude en vol, grâce aux poils récepteurs spéciaux situés sur ses pattes (les trichobothries – féminin, du grec thrix « poil » et bothros « fosse »). Les mécanismes permettant d’ajuster l’épaisseur et la longueur du fil grâce à l’ouverture et la fermeture des buses sécrétrices de soie, de préparer le mélange d’acides aminés dans le bon ordre et de libérer ce mélange, initialement liquide mais se solidifiant au contact de l’air, sont d’une telle complexité qu’on ne les retrouve même pas dans les usines modernes de production de fil de nylon.
Des dizaines de paramètres, tels que ceux mentionnés ci-dessus, doivent être réglés avec précision, au moment opportun, en quantités exactes, dans l’ordre requis et sans faute pour que les araignées puissent se déplacer dans les airs grâce à un système semblable à un parachute ou à une voile, ce qu’elles font avec une aisance déconcertante.
Références
- Humphrey J.A.C. (1987). Fluid mechanic constraints on spider ballooning. Oecologia. 73: 469–477.
- Gorham, P.W. (2013). Ballooning spiders: the case for electrostatic flight. Archiv, archiv:1309.4731v, arxiv.org/abs/1309.4731.
- Morley, E.L. and Robert, D. (2018). Electric Fields Elicit Ballooning in Spiders. Curr Biol. 28(14): 2324–2330.e2 Ibid.
