Pourquoi l'abeille peut-elle vaincre un frelon bien plus gros qu'elle ?
― Pas avec son dard, mais en le « cuisant à l'étouffée » avec la chaleur de son corps
Face au frelon géant, dix fois plus lourd qu'elle, l'abeille japonaise ne peut pas gagner avec son dard. Alors elle utilise la « chaleur ». Plusieurs centaines d'abeilles encerclent l'ennemi et font monter la température jusqu'à la limite : celle qu'elles-mêmes supportent, mais que l'adversaire ne supporte pas.
En automne, dans les montagnes. Devant une ruche en bois, un gros insecte de la taille d'un pouce s'approche. C'est un frelon géant.
L'abeille ne mesure qu'un peu plus d'1 cm. Sa force de mandibule et la dureté de son corps ne font pas le poids. On rapporte que, face à une ruche d'abeilles occidentales, quelques frelons peuvent parfois exterminer des dizaines de milliers d'abeilles.
Mais devant une ruche d'abeille japonaise, originaire du pays, les choses se passent un peu différemment. En un instant, le frelon disparaît, englouti dans une « boule » d'abeilles.
Deux raisons seulement expliquent cette victoire
L'abeille peut faire vibrer très finement ses muscles de vol, sans les relier aux ailes, pour ne produire que de la chaleur. Lorsque plusieurs centaines d'abeilles font cela en même temps, le centre de la boule atteindrait environ 46 °C en quelques minutes.
Le frelon mourrait entre 44 et 46 °C environ. L'abeille, elle, supporterait jusqu'à 48-50 °C environ. C'est cet écart de quelques degrés, cette « brèche », que l'abeille vise en maintenant la température à ce niveau précis.
Vaincre par la « résistance à la chaleur » du corps un adversaire plus fort physiquement : c'est une façon de combattre qui transforme directement les différences de constitution entre espèces en arme.
Plusieurs centaines d'abeilles ne forment qu'un seul « poêle »
Quand un frelon approche de la ruche, les abeilles l'attendent au fond de l'entrée. Puis, à l'instant où l'ennemi commence à pénétrer, plusieurs centaines d'entre elles se jettent sur lui d'un coup et l'encerclent. Cette boule est appelée « boule d'abeilles » (hôkyû).
Une fois en boule, les abeilles continuent de faire vibrer leurs muscles thoraciques. Le mécanisme ressemble beaucoup à celui qui nous fait frissonner quand nous avons froid. La chaleur produite par une seule abeille est infime, mais celle de plusieurs centaines s'accumule en un même endroit, et les abeilles à l'extérieur jouent le rôle d'une « couette » qui retient la chaleur.
Regardez la partie gauche de la figure 1. Le frelon, au centre, est entouré de tous côtés par les corps des abeilles : la chaleur n'a aucune échappatoire. Selon les observations, la température au centre atteindrait environ 46 °C en quelques minutes et se maintiendrait à ce niveau pendant environ 20 minutes.
Tout se joue sur un écart de quelques degrés seulement
L'important, ici, c'est de ne « pas trop » faire monter la température. En atteignant 50 °C, le frelon mourrait à coup sûr. Mais les abeilles qui l'encerclent mourraient elles aussi.
Sur l'échelle de droite de la figure 1, la température de la boule (flèche en pointillés) se situe juste au-dessus de la bande limite du frelon. Il ne reste qu'une marge de 2 à 4 °C environ avant d'atteindre la bande limite de l'abeille. C'est un peu comme régler, avec son propre corps, la température d'un sauna où seul l'adversaire ne peut pas entrer.
Des travaux plus récents suggèrent en outre que l'accumulation de dioxyde de carbone dans la boule joue également un rôle. La respiration intense des abeilles rend l'air, à l'intérieur de la boule, « étouffant ». Selon certains rapports, le frelon succomberait alors à une température plus basse qu'en temps normal.
L'abeille occidentale, la plus couramment élevée en apiculture, est originaire de régions où le frelon géant n'existe pas. Elle peut former une boule, mais on rapporte qu'elle ne l'encercle ni aussi vite ni en aussi grand nombre que l'abeille japonaise. On pense que cette différence tient à la longue coévolution, ou non, avec ce prédateur sur un même territoire.
Selon des observations, les abeilles de Chypre encerclent un autre type de frelon et le tuent principalement en lui bloquant la respiration, plus qu'avec la chaleur. Même tactique d'encerclement en boule, mais moyen d'action différent selon l'adversaire.
En résumé
L'abeille japonaise ne fait le poids face au frelon géant ni par la force ni par le dard. Alors plusieurs centaines d'entre elles encerclent l'ennemi et font vibrer leurs muscles de vol pour produire de la chaleur. En maintenant le centre à environ 46 °C, seul le frelon, plus sensible à la chaleur, succombe.
Même minuscule, un corps devient un poêle dès lors que plusieurs centaines se rassemblent.
Ce n'est pas la force qui a fait la différence, mais quelques degrés de tolérance à la chaleur.
La communication entre abeilles d'une même colonie est expliquée dans « Pourquoi l'abeille peut-elle indiquer l'emplacement des fleurs par sa danse en huit ? », et le lien entre taille du corps et perte de chaleur dans « Pourquoi les petits animaux doivent-ils manger sans arrêt pour survivre ? ».
- Préparez 5 verres et versez-y la même quantité d'eau chaude, à la même température.
- Placez-en un seul à l'écart, et regroupez les 4 autres bien serrés, sans espace entre eux, puis recouvrez-les d'une serviette.
- Au bout de 20 minutes, comparez au doigt la chaleur de l'eau du verre isolé et celle des verres regroupés (n'utilisez pas d'eau bouillante, restez à une température supportable au toucher).
Les verres regroupés devraient avoir gardé plus de chaleur. La surface d'échange avec l'extérieur est réduite, et les verres du pourtour jouent le rôle de « couette ». C'est le même principe pour la boule d'abeilles, à ceci près que chaque abeille continue en plus de produire elle-même de la chaleur. Par ailleurs, si vous apercevez un nid de frelons dans la nature, ne vous en approchez pas.
Pour en savoir plus ― vocabulaire, formules, liens avec les manuels scolairesDu niveau collège jusqu'aux matières spécialisées à l'université, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeContenu vu en sciences au collège
- LycéeContenu vu en « physique fondamentale » ou en biologie au lycée
- Lycée+Contenu approfondi du lycée, ou traité en encadré dans les manuels
- UniversitéContenu non vu au lycée, relevant d'une matière universitaire spécialisée (physiologie animale, écologie du comportement)
- RechercheContenu qui n'est même pas encore enseigné à l'université comme « établi » : sujet actuellement à l'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène porte un nom
- Boule d'abeilles (hôkyû) : boule formée par plusieurs centaines d'abeilles encerclant un ennemi. Quand elle tue par la chaleur, on parle aussi de « boule thermique meurtrière ».
- Thermogenèse par frisson : production de chaleur par de petites vibrations musculaires, sans mouvement du corps. L'abeille le fait avec les muscles thoraciques du vol, ailes immobiles.
- Température létale : seuil au-delà duquel un être vivant, exposé à une température plus élevée, meurt. Elle varie selon les espèces, et c'est cet écart qui devient « l'arme » de la boule d'abeilles.
CollègeLycéeVérification par le calcul : en combien de minutes la boule atteint-elle 46 °C ?
On estime le temps nécessaire pour que la chaleur produite par plusieurs centaines d'abeilles fasse passer la température de la boule d'environ 35 °C à environ 46 °C. On considère le cas le plus rapide, où la chaleur ne s'échappe pas vers l'extérieur.
| En notation symbolique | t = m × c × ΔT ÷ P (P = N × p) |
| En mots | Temps nécessaire = masse de la boule × chaleur spécifique × élévation de température visée ÷ chaleur produite par l'ensemble |
| Origine de la formule | Conservation de l'énergie : la chaleur nécessaire pour élever la température (masse × chaleur spécifique × variation de température) est fournie par la chaleur que les abeilles produisent chaque seconde |
Signification des symboles :
t est le temps (en secondes), m la masse totale de la boule (en g), c la chaleur spécifique (chaleur nécessaire pour élever 1 g de 1 °C, en J/(g·K)), ΔT l'élévation de température (en °C), P la puissance thermique totale de la boule (en W, soit des J par seconde), N le nombre d'abeilles, p la puissance thermique d'une seule abeille (en W).
| Nombre d'abeilles formant la boule N | environ 500 (on parle de « plusieurs centaines ») |
| Masse d'une abeille | environ 0,1 g |
| Chaleur produite par frisson p, par abeille | de l'ordre de quelques dizaines de milliwatts ; on retient ici 0,03 W |
| Chaleur spécifique c du corps de l'insecte | un peu inférieure à celle de l'eau, environ 3,5 J/(g·K) |
| Température de départ et objectif | d'environ 35 °C à environ 46 °C |
| Puissance thermique totale de la boule P | 500 × 0,03 = 15 (W) |
| Masse totale de la boule m | 500 × 0,1 = 50 (g) |
| Chaleur nécessaire pour 1 °C | 50 × 3,5 = 175 (J) |
| Élévation de température ΔT | 46 − 35 = 11 (°C) |
| Chaleur totale nécessaire | 175 × 11 = 1925 (J) |
| Temps nécessaire t | 1925 ÷ 15 ≒ 128 (secondes) |
| Converti en minutes | 128 ÷ 60 ≒ 2,1 (minutes) |
Si aucune chaleur ne s'échappait, la boule atteindrait donc 46 °C en environ 2 minutes, selon cette estimation. En réalité, une partie de la chaleur s'échappe vers l'extérieur, ce qui concorde bien avec les « quelques minutes » observées. La chaleur d'une seule abeille est infime, mais réunie à 500, elle équivaut à celle d'une petite ampoule (15 W).
LycéeLycée+Pourquoi la température peut-elle se stabiliser ?
LycéeLa température d'un objet se stabilise lorsque la chaleur qui entre et celle qui sort s'équilibrent. Dans la boule d'abeilles, la température est déterminée par l'équilibre entre la chaleur produite par les abeilles et celle qui s'échappe à la surface de la boule. Si les abeilles réduisent leurs vibrations, la température cesse de monter.
Lycée+Plus la boule est grande, plus la surface (par où la chaleur s'échappe) devient petite par rapport au volume (qui produit la chaleur). C'est pourquoi se regrouper en grand nombre et en boule favorise le réchauffement. Le même principe explique pourquoi les manchots se serrent les uns contre les autres par temps froid.
UniversitéCapacité thermique et thermorégulation chez les insectes
La « chaleur nécessaire pour 1 °C (175 J) » calculée au point ② correspond à la capacité thermique de l'ensemble de la boule. Les insectes capables, comme l'abeille, d'élever eux-mêmes leur température corporelle sont considérés en physiologie animale comme un exemple d'« hétérothermie » : ils maintiennent la température de leur thorax grâce à la thermogenèse par frisson des muscles de vol. L'étude de la boule d'abeilles publiée par Masato Ono et ses collègues en 1995 dans une revue scientifique britannique est bien connue sur ce sujet.
📖 Pour la démonstration des formules et pour aller plus loin : Capacité thermique (Wikipédia, en japonais) ／ Abeille japonaise (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui reste encore mal compris
- Quelle est la part respective de la chaleur et du dioxyde de carbone ? Certains travaux rapportent que le dioxyde de carbone accumulé dans la boule abaisse la température que le frelon peut supporter, mais la part exacte de chaque facteur n'est pas encore établie.
- Quelles abeilles rejoignent la boule ? Certaines études rapportent que les abeilles exposées à de fortes chaleurs voient ensuite leur espérance de vie réduite. Certains chercheurs pensent que ce sont surtout des ouvrières âgées qui participent, et la répartition des rôles au sein de la colonie est encore à l'étude.
- Comment la température est-elle « synchronisée » ? On ignore encore comment plusieurs centaines d'abeilles, sans aucun signal apparent, cessent de produire de la chaleur autour de 46 °C.
Autrement dit, le contenu de cet article n'est lui aussi qu'une « explication en l'état actuel des connaissances ». Le chiffre de 46 °C lui-même varierait selon les conditions d'observation.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, « vie animale et évolution des espèces », « quantité de chaleur » | Le comportement de la boule d'abeilles, la notion de quantité de chaleur |
| Lycée | Physique fondamentale, « quantité de chaleur et chaleur spécifique » | Vérification par le calcul (masse × chaleur spécifique × variation de température) |
| Lycée+ | Biologie, « comportement animal » | Surface et volume, mécanisme de réchauffement collectif |
| Université | Physiologie animale, écologie du comportement | Thermogenèse par frisson, capacité thermique, différences de température létale selon les espèces |
| Recherche | Comportement social et défensif des insectes | Effet du dioxyde de carbone, sélection des abeilles participantes |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Apiculture, pourquoi se serrer les uns contre les autres tient chaud |
- Ono, M., Igarashi, T., Ohno, E. (1995) Unusual thermal defence by a honeybee against mass attack by hornets. Nature 377
- Sugahara, M., Sakamoto, F. (2009) Heat and carbon dioxide generated by honeybees jointly act to kill hornets. Naturwissenschaften 96
- Papachristoforou, A. et al. (2007) Smothered to death: hornets asphyxiated by honeybees. Current Biology 17
- Heinrich, B. (1993) The Hot-Blooded Insects. Harvard University Press
- Wikipédia « Abeille japonaise » (ニホンミツバチ, en japonais)
※Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. La température et le nombre d'abeilles peuvent varier selon les observations et les conditions. Si vous rencontrez un nid de frelons, ne vous en approchez pas et adressez-vous à votre municipalité ou à un professionnel pour son élimination.