Isaac Newton n’aurait jamais formulé les lois du mouvement s’il s’était contenté d’étudier les chats.
Imaginez que vous teniez un chat sur le dos et que vous le laissiez tomber d’une fenêtre au deuxième étage. Si un chat était simplement un système mécanique obéissant aux règles de Newton concernant la matière en mouvement, il devrait atterrir sur son dos. (Bien sûr, il y a des détails techniques à considérer, comme le fait que cela devrait se faire dans un vide, mais passons.) En réalité, la plupart des chats évitent les blessures en se retournant pendant leur chute pour atterrir sur leurs pattes.
Cette capacité n’étonne pas vraiment les gens — tout le monde a vu des vidéos montrant les prouesses acrobatiques des chats. Cependant, depuis plus d’un siècle, les scientifiques s’interrogent sur la physique qui sous-tend cette aptitude. Comme le souligne le lauréat du prix Nobel Frank Wilczek dans un article récent, le théorème mathématique qui analyse le chat tombant comme un système mécanique échoue pour les chats vivants.
La physique au service de la biologie
« Ce théorème n’est pas pertinent pour les chats biologiques réels », écrit Wilczek, physicien théorique au MIT. Les chats ne sont pas des systèmes mécaniques fermés et peuvent « consommer de l’énergie stockée… ce qui permet un mouvement mécanique. »
Cela dit, les lois de la physique s’appliquent aux chats, tout comme à tous les autres animaux, des insectes aux éléphants. La biologie ne se soustrait pas à la physique ; elle l’intègre. Des forces de friction à l’échelle microscopique aux dynamiques fluides dans l’eau et l’air, les animaux exploitent les lois physiques pour se déplacer, nager ou voler. Chaque aspect du comportement animal, de la respiration à la construction de refuges, dépend d’une manière ou d’une autre des contraintes et des opportunités offertes par la physique.
« Les organismes vivants sont… des systèmes dont les actions sont contraintes par la physique à travers plusieurs échelles de longueur et de temps », écrivent Jennifer Rieser et ses co-auteurs dans le dernier numéro de l’Annual Review of Condensed Matter Physics.
Bien que le domaine de la physique du comportement animal soit encore à ses débuts, des progrès significatifs ont été réalisés pour expliquer des comportements individuels et comment ceux-ci sont influencés par les interactions avec d’autres individus et l’environnement. En plus de découvrir comment les animaux exécutent leurs diverses compétences, ces recherches pourraient également mener à de nouvelles connaissances en physique en examinant des capacités animales que les scientifiques ne comprennent pas encore.
Les animaux en mouvement
La physique s’applique aux animaux en action sur une large gamme d’échelles spatiales. À l’échelle la plus petite, les forces d’attraction entre les atomes voisins facilitent la capacité des geckos et de certains insectes à grimper sur les murs ou même à marcher au plafond. À une échelle légèrement plus grande, les textures et les structures offrent une adhésion pour d’autres acrobaties biologiques. Par exemple, dans les plumes des oiseaux, de minuscules crochets et barbes agissent comme du Velcro, maintenant les plumes en place pour améliorer la portance en vol, rapportent Rieser et ses collègues.
Les textures biologiques aident également au mouvement en facilitant la friction entre les parties animales et les surfaces. Les écailles des serpents rois de Californie possèdent des textures qui permettent un glissement rapide vers l’avant, mais augmentent la friction pour ralentir les mouvements en arrière ou sur les côtés. Certaines espèces de serpents se déplaçant en ondulations semblent avoir évolué avec des textures différentes qui réduisent la friction dans la direction du mouvement, selon des recherches récentes.
Les structures à petite échelle sont également cruciales pour l’interaction des animaux avec l’eau. Pour de nombreux animaux, les microstructures rendent le corps « superhydrophobe » — capable de bloquer la pénétration de l’eau. « Dans les climats humides, le rejet des gouttes d’eau peut être essentiel pour des animaux comme les oiseaux volants et les insectes, où le poids et la stabilité sont d’une importance cruciale », notent Rieser et ses co-auteurs Chantal Nguyen, Orit Peleg et Calvin Riiska.
Les surfaces qui bloquent l’eau aident également les animaux à garder leur peau propre. « Ce mécanisme d’auto-nettoyage… peut être important pour protéger l’animal des dangers tels que les parasites cutanés et d’autres infections », expliquent les auteurs de l’Annual Review. Dans certains cas, éliminer des matériaux étrangers de la surface d’un animal peut être nécessaire pour préserver les propriétés de surface qui améliorent le camouflage.
En effet, la physique de l’interaction de la lumière avec la surface d’un animal est pertinente pour de nombreux autres comportements. Les couleurs vives et l’iridescence chez les oiseaux, les papillons et certains autres insectes dépendent de la manière dont les couches de différentes microstructures sont combinées. Ces couleurs contribuent à l’attraction et peuvent influencer la capacité à éviter les prédateurs.
À des échelles plus grandes, la physique sous-tend même les mouvements les plus simples des animaux, qui nécessitent une coordination complexe des signaux électriques et chimiques à l’intérieur du corps et entre le corps et le cerveau. Pour un mouvement réussi, la physique interne doit s’harmoniser avec les propriétés physiques de l’environnement. Se déplacer dans un fluide, par exemple, est régi non seulement par le corps mais aussi par les propriétés du liquide.
Dans l’eau, les animaux nageurs adoptent différentes stratégies de mouvement en fonction de divers facteurs, y compris la forme de leur corps. Les poissons à corps élancé, par exemple, se propulsent principalement par un mouvement latéral de leur corps et de leur queue. D’autres poissons de formes variées génèrent du mouvement en utilisant leurs nageoires.
Les méthodes physiques pour décrire ces stratégies ne peuvent pas facilement prendre en compte des facteurs tels que la turbulence et les tourbillons. Calculer le comportement attendu dans de telles situations peut dépasser la puissance de calcul disponible. Les scientifiques se sont donc tournés vers des expériences réelles. Une étude a fourni des indices sur une capacité particulière des truites ; l’eau s’écoulant autour d’un cylindre a induit un vortex qui a permis même à une truite morte de nager en amont.
L’assemblage animal
L’évolution a doté les animaux de compétences de mouvement adaptées à leur environnement sans nécessiter de manuel d’instructions. Cependant, modifier l’environnement à l’avantage d’un animal nécessite une compréhension plus sophistiquée de la physique. Des fourmis et guêpes aux blaireaux et castors, divers animaux ont appris à construire des nids, des abris et d’autres structures pour se protéger des menaces environnementales.
Les nids d’oiseaux, par exemple, doivent combiner des brindilles, des feuilles, de la terre et de l’herbe en une structure de stabilité et d’intégrité mécanique fiables. Les oiseaux semblent savoir que des brindilles flexibles offrent une meilleure stabilité que des tiges rigides ; des expériences en physique ont montré que la flexion des matériaux plus flexibles permet des forces de friction qui aident à maintenir le nid ensemble. Rieser et ses collègues soupçonnent que l’application des connaissances des oiseaux sur l’assemblage des composants du nid pourrait aider les scientifiques à concevoir de nouveaux métamatériaux pour diverses applications.
Les structures animales doivent également respecter la physique nécessaire pour contrôler la température, l’humidité et la ventilation dans une plage confortable. « Sans un échange d’air suffisant, par exemple, les animaux s’étoufferaient », écrivent Rieser et ses collègues.
Les chiens de prairie, par exemple, construisent des terriers étendus avec plusieurs ouvertures. Ces ouvertures doivent différer en élévation, montre l’analyse physique, pour assurer une ventilation adéquate (via des différences de pression qui induisent le flux d’air). Des études de terrain montrent que les ingénieurs chiens de prairie ont compris cela par eux-mêmes — tout comme les chats ont compris comment se tordre et changer de forme en tombant.
Il ne fait aucun doute que les animaux possèdent de nombreux autres tours que les physiciens ne peuvent pas encore expliquer complètement, ce qui rend le domaine de la physique du comportement animal si fertile.
« Des investigations supplémentaires sur les nombreux aspects des comportements animaux d’un point de vue physique », écrivent Rieser et ses collègues, « aideront à la découverte de nouvelles lois physiques pour des comportements que la nature a compris mais que nous n’avons pas encore découvertes ou pleinement comprises. »
