Tout le monde sait que les humains et la plupart des autres espèces de vertébrés entendent à l’aide de tympans qui transforment la pression des ondes sonores en signaux pour notre cerveau. Mais qu’en est-il des petits animaux comme les insectes et les arthropodes ? Peuvent-ils détecter les sons ? Et si oui, comment ?
L’éminent professeur Ron Miles, membre du corps professoral du département de génie mécanique du Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science de l’Université de Binghamton, explore cette question depuis plus de trois décennies, dans le but de révolutionner la technologie des microphones.
Une étude récemment publiée sur les araignées tissant des orbes – l’espèce présentée dans le livre pour enfants classique « Charlotte’s Web » – a donné des résultats extraordinaires : les araignées utilisent leurs toiles comme des réseaux auditifs étendus pour capturer les sons, donnant peut-être aux araignées un avertissement avancé de l’arrivée proies ou prédateurs.
L’article, « Audition externalisée dans une araignée à tissage d’orbes qui utilise sa toile comme capteur auditif », publié le 29 mars dans le Actes de l’Académie nationale des sciencesfournit la première preuve qu’une araignée peut sous-traiter l’audition à sa toile.
Il est bien connu que les araignées réagissent lorsque quelque chose fait vibrer leurs toiles, comme une proie potentielle. Dans ces nouvelles expériences, les chercheurs montrent pour la première fois que les araignées se retournent, s’accroupissent ou s’aplatissent en réponse aux sons dans l’air.
L’étude est la dernière collaboration entre Miles et Ron Hoy, professeur de biologie à Cornell, et elle a des implications pour la conception de microphones bio-inspirés extrêmement sensibles à utiliser dans les aides auditives et les téléphones portables.
Jian Zhou, qui a obtenu son doctorat. dans le laboratoire de Miles et effectue des recherches postdoctorales au Laboratoire national d’Argonne, et Junpeng Lai, actuellement titulaire d’un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Miles, sont co-premiers auteurs. Miles, Hoy et le professeur agrégé Carol I. Miles du département des sciences biologiques du Harpur College of Arts and Sciences à Binghamton sont également les auteurs de cette étude. Des subventions des National Institutes of Health à Ron Miles ont financé la recherche.
Un seul brin de soie d’araignée est si fin et sensible qu’il peut détecter le mouvement des particules d’air vibrantes qui composent une onde sonore, ce qui est différent du fonctionnement des tympans. Les recherches précédentes de Ron Miles ont conduit à l’invention de nouvelles conceptions de microphones basées sur l’audition des insectes.
Crédit : Université de Binghamton
« L’araignée est vraiment une démonstration naturelle qu’il s’agit d’un moyen viable de détecter le son en utilisant des forces visqueuses dans l’air sur des fibres minces », a-t-il déclaré. « Si cela fonctionne dans la nature, nous devrions peut-être l’examiner de plus près. »
Les araignées peuvent détecter de minuscules mouvements et vibrations grâce aux organes sensoriels de leurs griffes tarsiennes au bout de leurs pattes, qu’elles utilisent pour saisir leurs toiles. Les araignées orb-weaver sont connues pour fabriquer de grandes toiles, créant une sorte d’antennes acoustiques avec une surface sensible au son qui est jusqu’à 10 000 fois supérieure à celle de l’araignée elle-même.
Dans l’étude, les chercheurs ont utilisé la chambre anéchoïque de l’Université de Binghamton, une salle complètement insonorisée sous le complexe des technologies innovantes. Collectant des tisserands d’orbes aux fenêtres du campus, ils ont demandé aux araignées de tisser une toile à l’intérieur d’un cadre rectangulaire afin qu’elles puissent la positionner où elles voulaient.
L’équipe a commencé par utiliser un son pur à 3 mètres de distance à différents niveaux sonores pour voir si les araignées répondaient ou non. Étonnamment, ils ont découvert que les araignées peuvent réagir à des niveaux sonores aussi bas que 68 décibels. Pour un son plus fort, ils ont trouvé encore plus de types de comportements.
Ils ont ensuite placé la source sonore à un angle de 45 degrés, pour voir si les araignées se comportaient différemment. Ils ont découvert que non seulement les araignées localisaient la source sonore, mais qu’elles pouvaient indiquer la direction du son entrant avec une précision de 100 %.
Pour mieux comprendre le mécanisme d’audition des araignées, les chercheurs ont utilisé la vibrométrie laser et mesuré plus d’un millier d’emplacements sur une toile d’araignée naturelle, l’araignée étant assise au centre sous le champ sonore. Le résultat a montré que la bande se déplace avec le son presque avec une efficacité physique maximale sur une plage de fréquences ultra large.
« Bien sûr, la vraie question est, si la toile bouge comme ça, est-ce que l’araignée entend l’utiliser ? » dit Miles. « C’est une question à laquelle il est difficile de répondre. »
Lai a ajouté: « Il pourrait même y avoir une oreille cachée dans le corps de l’araignée dont nous ne savons rien. »
Réponses comportementales des araignées au son aérien distant (3 m). Des exemples de comportements sont enregistrés sous des tonalités acoustiques aériennes incidentes normales de 200 Hz à 88 dB. Dans la première partie, l’araignée lève ses pattes antérieures dans les airs. Après la réponse initiale, l’araignée secoue sa toile orbe. Dans la deuxième partie, l’araignée tourne son corps instantanément. Les pattes antérieures de l’araignée sont ensuite étirées dans l’air. Dans la troisième partie, l’araignée étend instantanément les jambes hors de la direction de son corps. En tant qu’action accessoire, les pattes antérieures de l’araignée sont étirées dans les airs. Dans la dernière partie, l’araignée tire légèrement les fils de la toile vers la direction de son corps avec ses pattes. Crédit: Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2122789119
L’équipe a donc placé un mini-haut-parleur à 5 centimètres du centre de la toile où se trouve l’araignée et à 2 millimètres du plan de la toile, à proximité mais sans toucher la toile. Cela permet au son de se propager à l’araignée à la fois dans l’air et à travers la toile. Les chercheurs ont découvert que l’onde sonore du mini-haut-parleur s’éteignait de manière significative lorsqu’elle voyageait dans les airs, mais qu’elle se propageait facilement à travers le Web avec peu d’atténuation. Le niveau sonore était encore d’environ 68 décibels lorsqu’il a atteint l’araignée. Les données sur le comportement ont montré que quatre araignées sur 12 ont répondu à ce signal transmis par le Web.
Ces réactions ont prouvé que les araignées pouvaient entendre à travers les toiles, et Lai était ravie lorsque cela s’est produit : « Je travaille sur cette recherche depuis cinq ans. C’est une longue période, et c’est formidable de voir que tous ces efforts deviendront quelque chose qui tout le monde sait lire. »
Les chercheurs ont également découvert qu’en s’accroupissant et en s’étirant, les araignées pouvaient modifier la tension des brins de soie, les réglant ainsi pour capter différentes fréquences. En utilisant cette structure externe pour entendre, l’araignée pourrait être en mesure de la personnaliser pour entendre différentes sortes de sons.
De futures expériences pourraient étudier comment les araignées utilisent le son qu’elles peuvent détecter en utilisant leur toile. De plus, l’équipe aimerait tester si d’autres types d’araignées tisseuses utilisent également leur soie pour sous-traiter leur audition.
« Il est raisonnable de supposer qu’une araignée similaire sur une toile similaire réagirait de la même manière », a déclaré Ron Miles. « Mais nous ne pouvons tirer aucune conclusion à ce sujet, puisque nous avons testé un certain type d’araignée qui se trouve être assez commun. »
Lai a admis qu’il n’avait aucune idée qu’il travaillerait avec des araignées lorsqu’il est venu à Binghamton en tant que doctorat en génie mécanique. élève.
« J’ai eu peur des araignées toute ma vie, à cause de leur allure extraterrestre et de leurs pattes poilues ! » dit-il en riant. « Mais plus je travaillais avec des araignées, plus je les trouvais incroyables. Je commence vraiment à les apprécier. »
Jian Zhou et al, Audition externalisée dans une araignée à tissage orbe qui utilise sa toile comme capteur auditif, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2122789119. doi.org/10.1073/pnas.2122789119