L’araignée infinie

Comment fonctionnent les pattes d’araignées

Ce n’est pas un secret, les araignées sont considérées comme effrayantes par une grande majorité de personnes dans le monde. Pourtant, lorsque vous leur demandez, la plupart des gens ne peuvent pas vraiment nommer ce qui les effraie tant chez les araignées. Les explications commencent généralement par les yeux perçants, les crocs, les morsures ou l’enveloppement de leur proie. Le mouvement des araignées figure également en tête de liste. Elles se déplacent en courant la nuit (surtout lorsque vous allumez la lumière et qu’elles s’enfuient en courant), sautent et courent d’une manière générale d’une façon « effrayante ». Mais qu’est-ce qui rend leur mouvement vraiment étranger et effrayant pour nous ? La réponse réside dans deux éléments clés de leur anatomie, leur squelette et leurs muscles.

D’abord, regardez cette courte vidéo d’une araignée en train de marcher, pour vous donner un peu de contexte:

Les araignées sont des arthropodes, ce qui signifie littéralement « à pieds joints ». Comme tous les arthropodes, elles sont dépourvues d’os et de squelette interne. Au lieu de cela, elles ont un squelette externe dur appelé exosquelette. Cet exosquelette est fait de chitine, quelque chose de similaire à nos ongles et à nos cheveux. Il est super solide et léger. Mais quel est le lien avec leurs mouvements effrayants ? Les araignées n’ont pas d’os internes, ce qui signifie qu’elles n’ont pas les mêmes muscles et les mêmes attaches que les vertébrés.

Dans le corps des vertébrés, comme les humains, il existe trois types de muscles. Ce sont les muscles cardiaques (cœur), viscéraux (organes internes) ou squelettiques. Les os de notre squelette sont mus par des muscles qui s’attachent directement à chaque os par paires antagonistes. Ce sont les fléchisseurs et les extenseurs. La contraction des muscles fléchisseurs provoque la flexion d’une articulation (pensez à « fléchir votre muscle »), tandis que les extenseurs provoquent l’ouverture d’une articulation. Les fléchisseurs et les extenseurs nous permettent d’effectuer des mouvements fluides dans nos muscles. Les araignées n’ont pas ce même mouvement.

Les humains n’ont qu’une seule articulation majeure par membre (genou, coude, etc), mais les araignées ont sept articulations pour chaque patte. L’avantage d’avoir un exosquelette à plusieurs articulations est que les araignées n’ont pas le support des os pour une flottille de fléchisseurs et d’extenseurs. Il n’y a pas assez de place à l’intérieur de leur corps pour les fixer, et même s’il y en avait, tous ces muscles les rendraient super lourdes et lourdes. En plus de cela, les araignées n’auraient pas assez d’énergie pour garder ces muscles au chaud (c’est dur d’être une créature à « sang froid ») ni assez d’oxygène pour soutenir un grand nombre de muscles.

Alors, si les araignées peuvent naturellement fléchir leurs membres vers l’intérieur, comment font-elles pour pousser leurs pattes vers l’extérieur pour courir, sauter et se déplacer sans extenseurs ? La réponse est la pression hydraulique. Le corps d’un squelette est rempli d’un fluide qui ressemble au sang (bien que quelque peu différent) appelé hémolymphe. Si vous vous souvenez, les araignées n’ont que deux parties du corps, la première est la tête et le milieu fusionnés, appelés céphalothorax (#2 ci-dessous). L’autre est leur abdomen (#3).

Les huit pattes de l’araignée sont attachées au céphalothorax pour une bonne raison. Le mouvement vers l’extérieur de chaque patte est contrôlé par le céphalothroax, qui régule le mouvement hydraulique et la pression de l’hémolymphe. Les araignées n’ont pas besoin de muscles extenseurs car elles peuvent utiliser le mouvement fluide/hydraulique pour « pousser » leurs pattes. Le céphalothorax agit comme un soufflet rempli de fluide, très finement réglé, qui pousse l’hémolymphe autour du corps de l’araignée en une fraction de seconde. Les muscles fléchisseurs des pattes de l’araignée veulent naturellement se contracter, mais la pression hydraulique permet aux pattes de se déplacer vers l’extérieur et de résister à cette contraction. Avez-vous déjà vu une araignée morte avec ses huit pattes recroquevillées ? (oui, je sais, la plupart d’entre vous ont applaudi) C’est parce que lorsque l’araignée meurt, ses pattes se contractent naturellement en raison du manque de résistance hydrostatique des muscles fléchisseurs.

Ne pensez pas que ce n’est pas parce que les araignées n’ont pas d’ensembles de fléchisseurs et d’extenseurs qu’elles ne peuvent pas se déplacer efficacement. Comme la plupart d’entre vous le savent, elles peuvent se déplacer assez rapidement. Les araignées sauteuses (~1-20 mm de longueur) seraient capables de sauter entre 30 et 40 fois leur propre longueur !

L’une des raisons pour lesquelles les araignées sont naturellement frileuses et ont peur des humains (lire prédateurs) est qu’elles dépendent de la pression hydrostatique dans leur squelette. Si elles sont perforées ou perdent une patte, elles risquent de perdre leur pression et de se dégonfler littéralement. Chez certaines espèces, des contrôles ou des valves dans les pattes empêchent le dégonflement, mais s’ils perdent suffisamment d’hémolymphe, ils ne pourront plus bouger. Leur corps principal est également très vulnérable à la perforation et même à la mort.

L’autre avantage d’avoir un exosquelette (que tous les arachnophobes vont adorer) est que les araignées ne peuvent pas devenir très grosses. C’est en partie parce que les hydrauliques de cette nature et leurs exosquelettes affiliés ne peuvent pas soutenir les animaux terrestres qui sont très grands. Consultez mon billet sur les  » blattes tueuses de 50 pieds  » pour en savoir plus.

Les araignées et la biomimétique

Comme les lecteurs réguliers de mon blog le savent, j’adore la biomimétique, un domaine de la science et de l’ingénierie dédié à la modélisation de solutions issues de la nature. L’hydraulique des araignées est actuellement étudiée par les chercheurs pour voir s’ils peuvent créer des robots qui se déplacent comme les araignées. Si vous n’avez pas lu mon billet sur le biomimétisme et les imprimantes 3D, consultez-le ici.

Actuellement, les chercheurs ont créé un petit robot, fabriqué à partir d’une imprimante 3D, qui utilise l’hydraulique et le pneumatique pour sauter et ramper. Tout comme une véritable araignée, les pattes du robot sont contrôlées par des pompes hydrauliques situées dans l’abdomen de la machine. Avant d’avoir la chair de poule, pensez aux applications d’une telle machine. Les humains pourraient fouiller rapidement les décombres et les débris des bâtiments, envoyer des robots araignées dans des situations de prise d’otages, repérer les drains et les égouts bouchés, entrer dans des mines dangereuses ou sonder des grottes. Le mouvement des araignées peut vous sembler effrayant, mais il y a une grande technologie qui peut être développée en imitant les araignées.

Les leçons sur l’hydraulique des araignées

La chose impressionnante à propos des araignées, et de leur mouvement, est que vous pouvez combiner des leçons sur la biologie, l’anatomie, la physiologie, l’hydraulique et le pneumatique dans une activité d’ingénierie pour les 5-8e années. J’ai modifié une leçon sur les bras hydrauliques pour enseigner les araignées. Cela peut être aussi simple que d’utiliser des seringues, de l’eau, des bâtons de popsicle, de la colle chaude, des perles, un tuyau d’aquarium et des attaches zip. Mon site préféré était « Easy Hydraulic Machines » du site Instructables. Ils ont des instructions étape par étape et un PDF téléchargeable.

Pour mes cours, j’ai commencé par une rapide leçon sur l’anatomie des araignées, puis sur l’hydraulique et la pneumatique (à l’aide de seringues et de tuyaux). Ensuite, j’ai fait travailler les élèves en groupes et leur ai donné des fournitures, sans instructions de construction. Je leur ai demandé de proposer des suggestions pour un bras hydraulique, y compris les critères et les contraintes du projet (et oui, cela correspond aux normes scientifiques de la prochaine génération). Ils ont dû dessiner un modèle, trouver des matériaux, développer un concept de fonctionnement du bras, puis, après approbation, construire le bras. Cela peut prendre deux ou trois périodes de classe, selon que vous voulez avoir des défis de « levage ».

Voici une courte vidéo du site Instructables, qui vous donne quelques idées :

La beauté de ce projet est qu’il peut aussi être réalisé à la maison, pour l’école à domicile, ou juste pour s’amuser pendant les vacances. Vous pouvez même acheter des kits hydrauliques en ligne. La créativité n’a pas de fin !

Même si les araignées peuvent être considérées comme effrayantes, je les vois comme effrayantes-cool. Elles nous offrent une mine d’informations et d’apprentissages, de la façon dont elles filent un matériau plus résistant qu’un câble d’acier, à leur façon de se déplacer. Espérons que maintenant, vous aurez vous aussi un plus grand respect pour l’humble araignée, et que vous la laisserez ramper sur son chemin.