Les chercheurs de CU Boulder ont, pour la première fois, utilisé la tomodensitométrie à rayons X (également connue sous le nom de tomodensitométrie) pour scruter à l’intérieur des essaims d’abeilles.
Les scans fournissent un regard plus approfondi sur ces humbles insectes : les abeilles, a découvert le groupe, ne s’agglutinent pas dans un groupe aléatoire. Au lieu de cela, ils semblent former des structures en forme de dôme suivant des règles mathématiques étonnamment sophistiquées, ou ce que les chercheurs appellent une « loi d’échelle ». Les résultats pourraient un jour aider les ingénieurs à concevoir des bâtiments plus résistants, voire des essaims de minuscules robots qui se comportent un peu comme des insectes, a déclaré Orit Peleg, auteur principal de l’étude.
Et les abeilles peuvent réaliser tout cela malgré leur cerveau de la taille de grains de sable.
« Je suis formé en physique et ces lois ne me sont pas évidentes », a déclaré Peleg, professeur adjoint à l’Institut BioFrontiers et au Département d’informatique de CU Boulder. « Mais les abeilles savent en quelque sorte s’organiser pour maintenir leur stabilité mécanique. »
Le groupe a publié ses résultats le 17 octobre dans la revue Rapports scientifiques.
Faire en sorte que les abeilles restent immobiles pour leurs radiographies a demandé du travail, a noté Olga Shishkov, auteur principal de l’étude et chercheur postdoctoral au Peleg Lab de BioFrontiers.
Tout d’abord, les chercheurs se sont appuyés sur des reines d’abeilles pour persuader des milliers d’abeilles ouvrières de se joindre à des essaims dans le laboratoire – ces structures, qui sont souvent suspendues à l’envers, ressemblent un peu à un moule Jell-O qui se tortille. Ensuite, l’équipe a fait tourner ces essaims devant une petite machine CT développée à l’origine pour les hôpitaux vétérinaires.
L’effort a été un succès : la méthode du groupe est si précise que vous pouvez sélectionner des abeilles individuelles dans les scans 3D. Les images pourraient donner aux scientifiques un nouvel outil pour comprendre comment les abeilles et d’autres insectes sociaux créent de tels « superorganismes » métamorphosés.
« Une chose que nous voulons savoir, c’est comment les abeilles réagissent aux différentes températures », a déclaré Shishkov. « S’il fait froid dehors, comment gardent-ils l’intérieur de l’essaim au chaud ? S’il fait chaud, comment restent-ils au frais ? »
Jetant un coup d’œil à l’intérieur
Cela commence par un voyage intrépide : Peleg a expliqué que lorsque les ruches d’abeilles deviennent trop encombrées, les reines d’abeilles s’envolent pour chercher un autre endroit où vivre. Les reines amènent avec elles des milliers d’abeilles ouvrières, qui se regroupent parfois autour de la reine pour la protéger – un détail de sécurité bourdonnant et ondulant.
« Vous pouvez trouver ces essaims suspendus à presque n’importe quel type de surface, des arbres aux bancs et aux voitures », a déclaré Peleg. « Ce sont de magnifiques petites assemblées. »
Ils sont aussi très flexibles. Dans une étude précédente, par exemple, Peleg et ses collègues ont secoué des essaims d’abeilles pour essayer d’imiter la force d’une rafale de vent. En réponse, les abeilles se sont aplaties en forme de crêpe, les aidant à rester stables au milieu du tumulte.
Une chose, cependant, a échappé à l’équipe de Peleg : « Jusqu’à présent, nous n’avons pas pu jeter un coup d’œil à l’intérieur d’un essaim et voir ce qui se passe. »
Mettez le poids sur moi
Pour ce faire, le groupe, comprenant les étudiantes de premier cycle de CU Boulder Claudia Chen et Claire Allison Madonna, a scanné 11 essaims d’abeilles contenant de 4 000 à 10 000 insectes.
D’après les calculs des chercheurs, un essaim d’abeilles fonctionne un peu comme une pyramide de cheerleading. Plus d’abeilles se regroupent autour de la base de l’essaim, puis s’éclaircissent au fur et à mesure qu’elles montent. Les abeilles semblent également s’arranger pour qu’aucune couche ne doive porter plus que sa juste part de poids. En termes mathématiques, la structure suit une loi d’échelle dans laquelle chaque couche supporte un poids qui équivaut à peu près à son propre poids à la puissance un et demi.
« Ce que signifie cette loi d’échelle, c’est que chaque couche utilise la même quantité de sa force disponible que toutes les autres couches », a déclaré Shishkov.
Dans la même étude, Shishkov et ses collègues ont testé des abeilles pour calculer le poids qu’une seule abeille pouvait porter. Il s’avère qu’une abeille peut soulever environ 35 autres abeilles, en moyenne. Les abeilles d’un essaim ne soulèvent qu’un maximum d’environ quatre autres abeilles.
Les lois d’échelle comme celle que l’équipe a découverte sont de nature courante, a expliqué le co-auteur de l’étude, Kaushik Jayaram. Chez les haltérophiles humains, par exemple, le nombre d’haltères que vous pouvez soulever a tendance à varier en fonction de votre poids, une relation qui suit une formule mathématique étonnamment cohérente.
« Le même type de lois s’applique apparemment aux abeilles », a déclaré Jayaram, professeur adjoint au département de génie mécanique Paul M. Rady. « L’existence de cette loi d’échelle laisse entendre qu’il pourrait y avoir des principes généraux d’organisation pour des structures comme celles-ci que nous ne connaissons pas encore. »
Shishkov, pour sa part, aimait travailler avec les abeilles – sans aucune réserve de miel à protéger, les petits insectes ne la piquent pas (trop).
« Ils sont étonnamment amicaux dans un essaim », a déclaré Shishkov.
Olga Shishkov et al, la loi d’échelle force-masse régit la distribution de masse à l’intérieur des essaims d’abeilles mellifères, Rapports scientifiques (2022). DOI : 10.1038/s41598-022-21347-5