Comment le gerris repère-t-il aussitôt un insecte tombé à l'eau ?
― Il lit les rides de l'eau du bout des pattes
Sur un étang, quand un insecte tombe non loin d'un gerris, celui-ci change de direction et fonce droit dessus. Il ne le repère pas à vue. Quand l'insecte se débat, il crée de minuscules rides à la surface de l'eau, qui se propagent jusqu'aux pattes du gerris. Et ces rides portent des informations précises : dans quelle direction, et à quelle distance.
Un fossé d'irrigation en automne, ou un étang de parc. À la surface de l'eau, plusieurs gerris flottent, pattes écartées.
Soudain, un petit insecte ailé tombe et bat des ailes désespérément. Le gerris glisse alors sur l'eau, d'un mouvement rapide et sûr, pour s'approcher.
Si nous posions un doigt au bord de l'étang, nous ne sentirions rien. C'est pourtant la même surface d'eau — mais seul le gerris reçoit le signal.
Seulement deux raisons expliquent cette réactivité
La surface de l'eau se comporte comme une membrane tendue qui cherche à se rétracter. Quand l'insecte se débat, cette membrane vibre et de minuscules rides se propagent. Fait curieux : plus une ride est fine, plus elle va vite.
Le gerris perçoit les vibrations avec l'extrémité de ses pattes, posées sur l'eau. La patte qui reçoit le signal en premier indiquerait la direction, tandis que le décalage entre les rides fines et les rides plus larges indiquerait la distance.
Pour le gerris, la surface de l'eau est à la fois un « plancher » et un « fil téléphonique » qui transmet des événements lointains. Voyons cela en détail.
Sur l'eau, plus une ride est fine, plus elle va vite
Les vagues à la surface de l'eau sont rappelées vers leur position d'équilibre par deux forces. La première est la gravité : l'eau soulevée redescend sous son propre poids. La seconde est la tension superficielle : la surface de l'eau cherche à minimiser son aire, donc elle tend à s'aplanir dès qu'elle se déforme.
Pour les grandes vagues, comme la houle en mer, c'est la gravité qui domine : plus la vague est longue, plus elle va vite. Mais pour les rides minuscules, de la taille d'un bout de doigt, c'est la tension superficielle qui prend le dessus. La relation s'inverse alors : plus la ride est fine, plus elle va vite.
Regardez la figure 1. La frontière entre ces deux régimes se situe autour de 1,7 centimètre entre deux crêtes. C'est là que la vitesse est minimale, environ 23 centimètres par seconde. En dessous de cette longueur, plus on va vers la gauche, plus la vitesse augmente. Les vibrations émises par un insecte qui se débat appartiennent justement à ce monde-là, à gauche du graphique.
Six pattes, un capteur de direction et de distance
Les pattes du gerris sont couvertes de poils fins qui repoussent l'eau, ce qui lui permet de flotter à la surface. Près des articulations des pattes se trouveraient des organes sensoriels capables de percevoir les vibrations. Avec ses six pattes largement écartées, le corps du gerris forme une véritable petite « rangée d'antennes » posée sur l'eau.
Comme sur la gauche de la figure 2, quand un insecte tombe, des rides circulaires se propagent. La patte la plus proche de l'insecte reçoit la vibration un tout petit peu avant la patte la plus éloignée. C'est ce léger décalage temporel qui renseignerait le gerris sur la direction.
Pour la distance, l'indice serait l'« agencement » des rides. Regardez la droite de la figure 2 : comme les rides fines vont plus vite, elles arrivent en premier aux pattes, suivies plus tard par les rides plus larges. Plus l'onde a été émise loin, plus les rides fines ont eu le temps de prendre de l'avance en chemin, et plus l'étalement est marqué.
Autrement dit, si le passage « fin → large » est lent, la source est loin ; s'il est rapide, elle est proche. C'est un peu comme estimer la distance d'un orage au bruit du tonnerre — sauf que le gerris fait cela avec ses pattes.
Comment d'autres animaux exploitent-ils les vibrations de l'eau ?
Le gerris n'est pas le seul à lire les vibrations de la surface de l'eau. La notonecte, qui nage sur le dos dans les étangs, se suspend sous la face inférieure de la surface et repérerait la position de sa proie grâce aux rides émises par un insecte tombé à l'eau. Certaines araignées de rivage, comme les Pisauridae, posent aussi leurs pattes sur l'eau pour guetter ces vibrations.
Le gerris utilise même ces rides comme un « langage ». Le mâle tapote la surface de l'eau par petits coups répétés avec ses pattes, envoyant des rides selon un rythme précis. Ce signal servirait à communiquer avec ses congénères ou à appeler une femelle. Au lieu de sons, c'est par les vagues de la surface que la communication passe.
À l'inverse, notre doigt, lui, ne perçoit presque rien des infimes vibrations de la surface d'un étang. Notre corps est bien trop grand, et ces rides bien trop petites. Sur une même surface d'eau, selon la taille du corps, l'information qui y circule est complètement différente.
Les rides minuscules s'atténuent vite à cause de la viscosité de l'eau. C'est tout le contraire d'une grande houle, capable de voyager sur des milliers de kilomètres. On pense que le gerris ne peut détecter que des proies relativement proches. Sous la pluie, toute la surface de l'eau se couvre de rides, et le signal d'une proie se retrouve comme noyé dans le « bruit » des gouttes.
En résumé
Le gerris repère sa proie non pas à vue, mais avec ses pattes. Quand un insecte se débat, la tension superficielle génère de minuscules rides qui se propagent. Plus elles sont fines, plus elles vont vite : l'ordre d'arrivée porte donc l'information de distance. On pense que le gerris lit ce décalage avec ses six pattes pour déterminer la direction et la distance.
Pour le gerris, la surface de l'eau est à la fois un plancher et un fil téléphonique.
L'ordre d'arrivée des rides, des plus fines aux plus larges, raconte la distance.
Sur la façon dont les vagues se propagent à la surface de l'eau, voir Pourquoi une pierre jetée dans un étang forme-t-elle des cercles qui s'agrandissent ?, et sur les « sens invisibles » d'autres animaux, voir Comment le requin trouve-t-il une proie cachée dans le sable ? et Comment la chauve-souris évite-t-elle les obstacles dans le noir ?.
- Remplissez une bassine ou un plat d'eau, et placez-le là où une lumière (fenêtre, lampe) se reflète à la surface.
- Avec la pointe d'un cure-dent, touchez la surface une seule fois. Puis, au même endroit, tapotez plusieurs fois de suite, par petits coups rapides.
- Observez les cercles qui s'agrandissent grâce au scintillement du reflet lumineux. Vous devriez voir les rides fines filer vers l'extérieur en premier, avant de s'atténuer et disparaître.
Ajoutez une goutte de liquide vaisselle et recommencez : la tension superficielle diminue, et l'aspect des rides change. Si vous croisez un gerris sur un étang, essayez de toucher doucement l'eau à proximité avec un brin d'herbe. Il pourrait réagir en changeant de direction.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les manuelsDu collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeNiveau collège (sciences)
- LycéeNiveau lycée (physique, biologie)
- Lycée+Approfondissement lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Non vu au lycée : matière universitaire spécialisée (mécanique des fluides, physiologie sensorielle)
- RechercheMême à l'université, ce n'est pas encore une "vérité établie" : sujet activement étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Tension superficielle : propriété d'un liquide dont la surface tend à minimiser son aire. Celle de l'eau est particulièrement forte.
- Onde de tension superficielle (onde capillaire) : ride fine à la surface de l'eau, pour laquelle la tension superficielle est la force de rappel dominante.
- Mécanorécepteur : organe sensoriel qui perçoit les vibrations ou les pressions. Chez le gerris, on pense qu'il se situe près des articulations des pattes.
CollègeLycéeVérifions avec une formule : en combien de temps la ride d'un insecte atteint-elle le gerris ?
Supposons qu'un insecte se débatte à 10 centimètres de distance, produisant une ride de 5 millimètres entre deux crêtes. Calculons la vitesse d'une onde dominée par la tension superficielle, puis le temps qu'elle met à arriver.
| En symboles | c ＝ √( 2π × σ ÷ ( ρ × λ ) ) |
| En mots | vitesse de la ride ＝ racine carrée de « 2π × tension superficielle » divisé par « densité de l'eau × longueur d'onde » |
| D'où vient cette formule | Elle découle de l'équilibre entre la tension superficielle, qui tend à aplanir la surface courbée, et l'inertie de l'eau en mouvement (sa tendance à continuer à bouger). La longueur d'onde λ étant au dénominateur, plus la ride est fine, plus elle va vite. |
| c | vitesse de propagation de la ride (mètres par seconde) |
| σ | tension superficielle de l'eau (newtons par mètre) |
| ρ | densité de l'eau (kilogrammes par mètre cube) |
| λ | distance entre deux crêtes (mètres) |
| Tension superficielle de l'eau (~20°C) | environ 0,073 newton par mètre |
| Densité de l'eau | environ 1000 kilogrammes par mètre cube |
| Longueur de la ride (hypothèse) | 5 mm ＝ 0,005 mètre |
| Distance de l'insecte (hypothèse) | 10 cm ＝ 0,10 mètre |
| Envergure des pattes du gerris (hypothèse) | environ 1,5 cm ＝ 0,015 mètre |
| 2π × tension superficielle | 6,28 × 0,073 ≒ 0,458 |
| densité × longueur d'onde | 1000 × 0,005 ＝ 5 |
| division | 0,458 ÷ 5 ≒ 0,092 |
| racine carrée | la racine de 0,092 vaut environ 0,30 (soit environ 30 cm/s) |
| temps pour atteindre le gerris (secondes) | 0,10 ÷ 0,30 ≒ 0,33 |
| écart entre patte proche et patte lointaine (secondes) | 0,015 ÷ 0,30 ＝ 0,05 |
Une agitation à 10 centimètres met environ un tiers de seconde à atteindre le gerris. L'écart entre la patte proche et la patte lointaine est d'environ un vingtième de seconde, un temps bien plus court qu'un battement de paupière. On pense que c'est sur ce minuscule décalage que le gerris se base pour déterminer la direction. Notez qu'en tenant compte aussi de l'effet de la gravité dans une formule plus complète, la vitesse ne change quasiment pas pour des ondes de cette longueur.
LycéeLycée+Vitesse des ondes et « dispersion »
LycéeEn physique de lycée, on apprend que vitesse de l'onde ＝ fréquence × longueur d'onde. À 30 cm/s pour une longueur d'onde de 5 mm, cela correspond à une onde qui vibre environ 60 fois par seconde. À la surface de l'eau, la vitesse varie selon la longueur d'onde. On appelle cette propriété la dispersion.
Lycée+Quand la vitesse dépend de la longueur d'onde, les différentes ondes émises au même endroit se réorganisent au fil de leur trajet, de la plus rapide à la plus lente. C'est exactement ce que montre la figure 2 : « ride fine d'abord, ride large ensuite ». C'est le même type de phénomène que la décomposition de la lumière par un prisme.
Univ.Relation de dispersion des ondes de gravité-capillarité
En mécanique des fluides, la relation entre la fréquence angulaire et le nombre d'onde des vagues à la surface de l'eau (la relation de dispersion) s'obtient comme la somme d'un terme de gravité et d'un terme de tension superficielle. C'est la relation de dispersion des ondes de gravité-capillarité. La longueur d'onde pour laquelle la vitesse de phase est minimale vaut environ 1,7 cm ; en dessous de cette valeur, on parle d'ondes capillaires. Pour ces ondes capillaires, la vitesse de groupe vaut 1,5 fois la vitesse de phase, et c'est cet écart qui détermine l'ordre d'arrivée de l'énergie. Le mécanisme même de la locomotion du gerris sur l'eau, lui, repose sur le transfert de quantité de mouvement à des tourbillons créés par ses pattes (étude de Bush et al.).
📖 Pour la démonstration de la formule et pour aller plus loin : Wikipédia (anglais) « Capillary wave » ／ La mécanique des fluides de la locomotion du gerris (article de Bush et al.)
RechercheCe qui reste encore incertain
- Jusqu'à quel point la distance est-elle lue précisément ? L'idée que le passage « fin → large » des rides renseigne sur la distance vient d'expériences menées notamment sur la notonecte. Dans quelle mesure le gerris s'appuie réellement sur cet indice fait encore débat.
- Comment distingue-t-il les vibrations d'une proie de celles d'un congénère ? Le rythme du signal émis par un mâle et celui de l'agitation d'une proie seraient différents. La manière dont le cerveau du gerris fait cette distinction reste mal connue.
- Comment perçoit-il les vibrations sous la pluie ou par vent fort ? À l'état naturel, la surface de l'eau est constamment agitée par les gouttes de pluie ou le vent. Comment le gerris extrait un signal important de ce bruit de fond est une question encore à l'étude.
Autrement dit, le contenu de cet article reflète « ce que l'on comprend à ce jour ». La perception au bout des pattes d'un petit insecte reste un monde où beaucoup de choses restent à découvrir.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière・unité | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・propriétés de l'eau, corps et sens des animaux | Tension superficielle, perception des vibrations par les pattes |
| Lycée | Physique・propriétés des ondes ／ Biologie・réception des stimuli | vitesse de l'onde ＝ fréquence × longueur d'onde, mécanorécepteurs |
| Lycée+ | Physique・dispersion (approfondissement) | Pourquoi les rides fines arrivent en premier |
| Univ. | Mécanique des fluides・physiologie sensorielle | Relation de dispersion des ondes de gravité-capillarité, vitesse de groupe |
| Recherche | Écologie comportementale・biophysique | Lecture de la distance, distinction signal/proie |
| ― | Lien avec le quotidien | Observation en étang ou en rizière, expérience en bassine |
- Hu, D. L., Chan, B., Bush, J. W. M. (2003) The hydrodynamics of water strider locomotion. Nature 424.
- Wilcox, R. S. (1972) Communication by surface waves: mating behavior of a water strider. Journal of Comparative Physiology.
- Wiese, K. (1974) The mechanoreceptive system of prey localization in Notonecta. Journal of Comparative Physiology.
- Wikipédia (japonais) « Gerris » (アメンボ)
- Wikipédia (japonais) « Tension superficielle » (表面張力)
- Landau, L. & Lifshitz, E. Mécanique des fluides (東京図書, édition japonaise), section sur les ondes de tension superficielle.
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. Certains aspects des mécanismes sensoriels des animaux abordés font encore l'objet de débats scientifiques.