Une charge électrique relie le ver sauteur à une proie aérienne

Un petit ver qui saute haut dans les airs (jusqu’à 25 fois la longueur de son corps) pour s’attacher aux insectes volants utilise l’électricité statique pour accomplir cet exploit étonnant, ont découvert des scientifiques.

La revue PNAS a publié les travaux sur le nématode Steinernema carpocapsae, un ver rond parasite, dirigés par des chercheurs de l’Université Emory et de l’Université de Californie à Berkeley.

“Nous avons identifié le mécanisme électrostatique utilisé par ce ver pour atteindre sa cible et nous avons montré l’importance de ce mécanisme pour la survie du ver”, explique le co-auteur Justin Burton, professeur de physique à Emory, dont le laboratoire a dirigé les analyses mathématiques des expériences de laboratoire. “Une tension plus élevée, combinée à un petit souffle de vent, augmente considérablement les chances qu’un ver sauteur se connecte à un insecte volant.”

“On pourrait s’attendre à faire de grandes découvertes chez les gros animaux, mais les plus petits recèlent également de nombreux secrets intéressants”, ajoute Victor Ortega-Jiménez, co-auteur principal et professeur adjoint de biomécanique à l’Université de Californie à Berkeley.

Il a mené des expériences, notamment en utilisant des techniques de microscopie à grande vitesse pour filmer le ver parasite, dont la longueur est d’environ le diamètre de la pointe d’une aiguille, alors qu’il sautait sur des mouches des fruits chargées électriquement.

Les chercheurs ont montré comment une charge de quelques centaines de volts, semblable à celle générée par les ailes d’un insecte battant l’air, initie une charge opposée dans le ver, créant ainsi une force d’attraction. Ils ont identifié l’induction électrostatique comme le mécanisme de charge à l’origine de ce processus.

“Grâce à la physique, nous avons appris quelque chose de nouveau et d’intéressant sur la stratégie d’adaptation d’un organisme”, explique Ranjiangshang Ran, co-auteur principal de l’article et chercheur postdoctoral au laboratoire de Burton. “Nous contribuons à faire œuvre de pionnier dans le domaine émergent de l’écologie électrostatique.”

Les co-auteurs incluent Saad Bhamla et Sunny Kumar, qui étudient la biomécanique des espèces au Georgia Institute of Technology, où des expériences préliminaires ont été réalisées ; et Adler Dillman, biologiste des nématodes à l’Université de Californie à Riverside.

La vie choquante de minuscules organismes

L’électricité statique, ce petit choc que vous ressentez parfois lorsque votre main touche une poignée de porte en métal ou lorsque vous passez un pull par-dessus votre tête, se produit lorsqu’une accumulation d’électrons se décharge rapidement au contact d’un conducteur.

Bien que le phénomène ne soit rien de plus qu’un choc gênant à l’échelle humaine, de nouvelles preuves montrent que l’électricité statique joue un rôle crucial dans la vie de certains petits organismes.

En 2013, par exemple, Ortega-Jiménez a découvert que les toiles d’araignées profitaient de la charge des insectes volants pour les piéger électrostatiquement lors de leur passage.

D’autres recherches ont montré comment l’électrostatique aide les abeilles à collecter le pollen, les acariens des fleurs à faire du stop sur les colibris et les araignées ballons à dériver sur des brins de soie sur de grandes distances.

Burton et Ortega-Jiménez ont co-écrit un commentaire pour le journal Tendances en parasitologie en 2023, mettant en valeur les recherches sur les forces électrostatiques et les tiques.

“Les tiques peuvent être aspirées du sol par des animaux pelucheux, uniquement à cause de l’électricité statique présente dans la fourrure de l’animal”, explique Burton.

Tout en menant des expériences pour valider cet effet électrostatique sur l’attraction des tiques vers des hôtes chargés, Ortega-Jiménez a développé une nouvelle technique pour contrôler le potentiel électrique d’une tique attachée. Cette avancée s’est avérée être la pièce manquante qui a permis aux chercheurs de poursuivre de nouvelles expériences sur les nématodes.

Alors que le ver sauteur tourne

Pour l’article actuel, les chercheurs voulaient étudier comment les forces électrostatiques, combinées à l’aérodynamique, affectent le taux de réussite de S. carpocapsae à se connecter à un insecte volant.

S. carpocapsae est un ver rond non segmenté, ou nématode, qui tue les insectes grâce à une relation symbiotique avec des bactéries. Le ver prospère dans les sols presque partout sur Terre, à l’exception des pôles. Il est de plus en plus utilisé pour la lutte biologique contre les ravageurs en agriculture, et des chercheurs du monde entier étudient comment améliorer davantage son efficacité en tant que pesticide naturel.

Lorsque le ver détecte un insecte au-dessus de sa tête, il s’enroule en boucle puis se lance dans les airs jusqu’à 25 fois la longueur de son corps. C’est l’équivalent d’un être humain sautant plus haut qu’un immeuble de 10 étages.

“Je pense que ces nématodes font partie des plus petits et des meilleurs sauteurs au monde”, déclare Ortega-Jiménez. Au cours de leurs sauts vertigineux et acrobatiques, note-t-il, ils tournent à 1 000 fois par seconde.

Si le ver atteint sa cible, il pénètre dans le corps de l’insecte par une ouverture naturelle. Il dépose ensuite ses bactéries symbiotiques qui tuent l’insecte en 48 heures.

Après la mort de l’hôte, le ver se nourrit des bactéries qui se multiplient ainsi que des tissus de l’insecte et pond des œufs. Plusieurs générations peuvent se produire dans le cadavre de l’insecte jusqu’à ce que les vers juvéniles émergent dans l’environnement pour infecter d’autres insectes avec des bactéries.

Des expériences minutieuses

Les chercheurs ont conçu des expériences pour étudier la physique impliquée dans la capacité du ver à se connecter à un insecte volant.

Dans la nature, les ailes d’un insecte volant frottant contre les ions présents dans l’air peuvent générer des centaines de volts. Les physiciens devaient connaître la charge exacte des mouches des fruits utilisées dans le modèle expérimental. Cela a obligé Ortega-Jiménez à attacher un petit fil connecté à une alimentation haute tension à l’arrière de chaque mouche des fruits pour contrôler sa tension.

“Il est très difficile de coller un fil métallique sur une mouche des fruits”, explique-t-il. “D’habitude, cela me prend une demi-heure, parfois une heure.”

Un autre défi consistait à identifier les bonnes conditions pour inciter les vers dans la configuration expérimentale à sauter. Ortega-Jiménez a utilisé un substrat de papier humidifié.

Le papier devait être juste assez humide, mais pas trop. Enfin, un ver avait besoin d’être encouragé par une légère bouffée d’air ou une légère perturbation mécanique avant de sauter vers une mouche des fruits suspendue.

Ortega-Jiménez a mené des dizaines d’expériences, les enregistrant avec une caméra spéciale à grande vitesse capable de capturer les trajectoires aériennes des vers submillimétriques, essentiellement invisibles à l’œil humain, à 10 000 images par seconde.

Il a également créé une petite soufflerie pour certaines expériences, afin que les physiciens puissent analyser le rôle de la brise ambiante dans le taux de réussite du ver.

Numériser les données

À l’aide d’un logiciel informatique, Ran a numérisé les trajectoires des vers, en s’appuyant sur environ 60 vidéos d’expériences. Le processus prenait beaucoup de temps dans les cas où un ver quittait le plan focal de la caméra, brouillant l’image, auquel cas Ran devait cliquer à la main pour enregistrer sa position.

Ran a utilisé un algorithme informatique connu sous le nom de chaîne de Markov Monte Carlo (MCMC) pour analyser les données numérisées. (“Markov” représente le mathématicien qui a développé l’algorithme, tandis que “Monte Carlo” fait référence à la région de Monaco célèbre pour ses casinos.)

“MCMC vous permet d’effectuer des explorations aléatoires, en utilisant différents ensembles de paramètres, pour déterminer une probabilité mathématique pour un résultat”, explique Ran.

Ran a identifié un ensemble de 50 000 valeurs plausibles de paramètres d’ajustement pour la trajectoire d’un seul ver, telles que la tension de l’insecte, les dimensions physiques et la vitesse de lancement du ver, afin de tester la probabilité qu’une charge particulière dans un ver lui permette d’atteindre sa cible.

Sans électrostatique, seule une trajectoire de ver sur 19 a réussi à atteindre la cible.

Le modèle a montré qu’une charge de quelques centaines de volts – une magnitude que l’on trouve couramment chez les insectes volants – génère une charge opposée chez un ver sauteur et augmente considérablement les chances qu’il se connecte à un insecte en vol. Une charge de seulement 100 volts donnait une probabilité d’atteindre l’objectif inférieure à 10 %, tandis qu’une charge de 800 volts augmentait la probabilité de succès à 80 %.

Un ver dépense une grande quantité d’énergie pour sauter et fait face à des risques de prédation ou de dessèchement lorsqu’il est suspendu dans les airs.

“Nos résultats suggèrent que, sans l’électrostatique, cela n’aurait aucun sens que ce comportement de prédateur sauteur ait évolué chez ces vers”, explique Ran.

Sciences passées et futures

Les chercheurs avaient émis l’hypothèse que l’induction électrostatique était le mécanisme à l’origine de l’interaction entre le ver et sa cible. L’examen des documents de recherche les a finalement conduits à une loi d’induction énoncée par le physicien écossais James Clerk Maxwell.

“Maxwell, l’un des physiciens les plus prolifiques de tous les temps, avait une imagination débordante, semblable à celle d’Einstein”, explique Ran.

“Il s’avère que notre modèle du mécanisme de chargement des vers était en accord avec une prédiction de l’induction électrostatique faite par Maxwell en 1870. Il y a de nombreux trésors enfouis dans l’histoire scientifique. Parfois, être un scientifique, c’est comme être un archéologue.”

La force de traînée était un autre élément clé de l’équation, en raison de la petite taille du ver. Les chercheurs utilisent la comparaison entre une boule de bowling volant dans les airs, qui n’est pas très affectée par la force de traînée, et une plume flottante, qui en dépend fortement.

Ran s’est appuyé sur les données expérimentales pour simuler les effets de la charge électrostatique combinée à différentes vitesses du vent. Les résultats ont révélé comment la moindre brise, de seulement 0,2 mètre par seconde, combinée à une tension plus élevée, augmentait encore la probabilité qu’un ver atteigne sa cible.

Ces travaux constituent un nouveau cadre pour des recherches plus approfondies sur le rôle de l’électrostatique en écologie.

“Nous vivons dans un monde électrique, l’électricité est partout autour de nous, mais l’électrostatique des petits organismes reste pour l’essentiel une énigme”, explique Ortega-Jiménez. “Nous développons les outils nécessaires pour enquêter sur de nombreuses autres questions précieuses entourant ce mystère.”