On croyait auparavant qu’il n’y avait que l’homme qui en était responsable, mais un exemple naturel de mécanisme d’engrenage fonctionnel a été découvert chez un insecte commun – ce qui montre que l’évolution a mis au point des engrenages à emboîtement bien avant nous.

Le jeune Issus – un insecte qui se nourrit de plantes et que l’on trouve dans les jardins à travers l’Europe – a des articulations postérieures avec des bandes courbes en forme de dents opposées qui s’engrènent, tournant comme des engrenages mécaniques pour synchroniser les jambes de l’animal lorsqu’il se lance dans un saut.

Cette découverte démontre que les mécanismes d’engrenage que l’on croyait jusqu’alors uniquement fabriqués par l’homme ont un précédent évolutif. Les scientifiques affirment qu’il s’agit de la “première observation d’un engrenage mécanique dans une structure biologique”.

Grâce à une combinaison d’analyse anatomique et de capture vidéo à grande vitesse des mouvements normaux d’Issus, les scientifiques de l’Université de Cambridge ont pu révéler pour la première fois le fonctionnement de ces engrenages naturels. Les résultats sont présentés dans le dernier numéro de la revue Science.

Les engrenages de la patte arrière de l’Issus présentent une remarquable ressemblance technique avec ceux que l’on trouve sur chaque vélo et dans les boîtes de vitesses des voitures. Chaque dent d’engrenage présente un coin arrondi à l’endroit où elle est reliée à la bande d’engrenage ; une caractéristique identique aux engrenages fabriqués par l’homme comme ceux des vélos – essentiellement un mécanisme d’absorption des chocs pour empêcher les dents de se cisailler.

Les dents des engrenages des pattes arrière opposées s’emboîtent comme celles d’une boîte de vitesses de voiture, assurant une synchronisation presque complète des mouvements des jambes. Les jambes se déplacent toujours à 30 “microsecondes” l’une de l’autre, une microseconde étant égale à un millionième de seconde.

C’est essentiel pour les puissants sauts qui sont le principal mode de transport de cet insecte, car même de minuscules écarts de synchronisation entre les vitesses de ses pattes au point de propulsion entraîneraient une “rotation en lacet”, ce qui provoquerait une vrille incontrôlable de l’Issus.

“Cette synchronisation précise serait impossible à réaliser par le biais du système nerveux, car les impulsions neurales prendraient beaucoup trop de temps pour la coordination extraordinairement serrée requise”, a déclaré l’auteur principal, le professeur Malcolm Burrows, du département de zoologie de Cambridge.

“En développant des engrenages mécaniques, l’Issus peut simplement envoyer des signaux nerveux à ses muscles pour produire à peu près la même quantité de force – ensuite, si une jambe commence à propulser le saut, les engrenages s’enclenchent, créant une synchronisation absolue.

“Dans l’Issus, le squelette est utilisé pour résoudre un problème complexe que le cerveau et le système nerveux ne peuvent pas résoudre”, a déclaré M. Burrows. “Cela souligne l’importance de considérer les propriétés du squelette dans la façon dont le mouvement est produit”.

“Nous pensons généralement aux engrenages comme quelque chose que nous voyons dans les machines conçues par l’homme, mais nous avons découvert que c’est seulement parce que nous n’avons pas regardé assez attentivement”, a ajouté le co-auteur Gregory Sutton, aujourd’hui à l’Université de Bristol.

“Ces engrenages ne sont pas conçus, ils sont évolués – ils représentent des machines à grande vitesse et de précision qui ont été développées pour la synchronisation dans le monde animal”.

Il est intéressant de noter que les engrenages mécaniques ne se trouvent que dans les stades juvéniles – ou “nymphes” – de l’insecte, et qu’ils se perdent dans la transition finale vers l’âge adulte. Ces transitions, appelées “mues”, se produisent lorsque les animaux se débarrassent de leur peau rigide à des moments clés de leur développement afin de grandir.

On ne sait pas encore pourquoi l’Issus perd ses membres postérieurs lorsqu’il atteint l’âge adulte. Les scientifiques soulignent qu’un problème avec tout système d’engrenage est que si une dent de l’engrenage se casse, l’efficacité de tout le mécanisme est endommagée. Alors que la rupture des dents d’engrenage chez les nymphes pourrait être réparée lors de la prochaine mue, tout dommage à l’âge adulte reste permanent.

Cela peut également être dû à la taille plus grande des adultes et, par conséquent, à leur “trochantera”, l’équivalent en insectes des os du fémur ou de la cuisse. Selon les scientifiques, la trochantera adulte plus grande pourrait leur permettre de créer suffisamment de friction pour alimenter les énormes sauts de feuille en feuille sans qu’il soit nécessaire d’avoir des dents d’engrenage qui s’engrènent pour l’entraîner.

Chaque bande d’engrenage de l’Issus juvénile mesurait environ 400 micromètres de long et comportait entre 10 et 12 dents, les deux côtés de l’engrenage de chaque jambe contenant le même nombre – ce qui donne un rapport d’engrenage de 1:1.

Contrairement aux engrenages fabriqués par l’homme, chaque dent d’engrenage est asymétrique et incurvée vers le point où les dents s’emboîtent – car les engrenages fabriqués par l’homme ont besoin d’une forme symétrique pour fonctionner dans les deux sens de rotation, alors que les engrenages de l’Issus ne fonctionnent que dans un sens pour faire avancer l’animal.

Bien qu’il existe des exemples de rouages apparemment décoratifs dans le règne animal – comme sur la carapace de la tortue des roues dentées ou sur le dos de la punaise des roues – les rouages ayant un rôle fonctionnel restent insaisissables ou ont été rendus caducs par l’évolution.

L’Issus est le premier exemple d’un mécanisme d’engrenage naturel ayant une fonction observable, selon les scientifiques.

Source : https://www.cam.ac.uk/research/news/functioning-mechanical-gears-seen-in-nature-for-the-first-time

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