Isaac Newton n’aurait jamais découvert les lois du mouvement s’il n’avait étudié que les chats.
Imaginez que vous tenez un chat, le ventre en l’air, et que vous le laissez tomber d’une fenêtre du deuxième étage. Si un chat est simplement un système mécanique qui obéit aux lois de la matière en mouvement de Newton, il devrait atterrir sur le dos. (OK, il y a quelques détails techniques, comme le fait que cela doit être fait dans le vide, mais ignorons cela pour l’instant.) Au lieu de cela, la plupart des chats évitent généralement les blessures en se tordant sur le chemin de la chute pour atterrir sur leurs pattes.
La plupart des gens ne sont pas déconcertés par ce tour de passe-passe : tout le monde a vu des vidéos attestant des prouesses acrobatiques des chats. Mais depuis plus d’un siècle, les scientifiques se demandent comment les chats y parviennent. De toute évidence, le théorème mathématique analysant la chute du chat comme un système mécanique ne fonctionne pas pour les chats vivants, comme le souligne le lauréat du prix Nobel Frank Wilczek dans un article récent.
« Ce théorème n’est pas pertinent pour les chats biologiques réels », écrit Wilczek, physicien théoricien au MIT. Ce ne sont pas des systèmes mécaniques fermés et ils peuvent « consommer l’énergie stockée… permettant le mouvement mécanique ».
Néanmoins, les lois de la physique s’appliquent aux chats, comme à tous les autres animaux, des insectes aux éléphants. La biologie n’évite pas la physique, elle l’adopte. De la friction à l’échelle microscopique à la dynamique des fluides dans l’eau et l’air, les animaux exploitent les lois de la physique pour courir, nager ou voler. Tous les autres aspects du comportement animal, de la respiration à la construction d’abris, dépendent d’une manière ou d’une autre des restrictions imposées et des opportunités offertes par la physique.
« Les organismes vivants sont… des systèmes dont les actions sont limitées par la physique sur de multiples échelles de longueur et de temps », écrivent Jennifer Rieser et ses coauteurs dans le numéro actuel de l’Annual Review of Condensed Matter Physics.
Bien que la physique du comportement animal en soit encore à ses balbutiements, des progrès considérables ont été réalisés dans l’explication des comportements individuels, ainsi que dans la manière dont ces comportements sont façonnés par les interactions avec d’autres individus et l’environnement. En plus de permettre de mieux comprendre la manière dont les animaux exercent leur répertoire diversifié de compétences, ces recherches pourraient également conduire à de nouvelles connaissances en physique, acquises en étudiant minutieusement les capacités animales que les scientifiques ne comprennent pas encore.
Des créatures en mouvement
La physique s’applique aux animaux en action sur une large gamme d’échelles spatiales. À l’extrémité la plus petite de cette échelle, les forces d’attraction entre atomes proches facilitent la capacité des geckos et de certains insectes à grimper aux murs ou même à marcher au plafond. À une échelle légèrement plus grande, les textures et les structures fournissent l’adhérence nécessaire à d’autres gymnastiques biologiques. Dans les plumes des oiseaux, par exemple, de minuscules crochets et barbes agissent comme du velcro, maintenant les plumes en position pour améliorer la portance lors du vol, rapportent Rieser et ses collègues.
Les textures biologiques facilitent également le mouvement en facilitant la friction entre les parties animales et les surfaces. Les écailles des serpents royaux de Californie possèdent des textures qui permettent un glissement rapide vers l’avant, mais augmentent la friction pour retarder le mouvement vers l’arrière ou latéral. Certains serpents à mouvement latéral ont apparemment développé des textures différentes qui réduisent la friction dans le sens du mouvement, comme le suggèrent des recherches récentes.
Les structures à petite échelle sont également importantes pour l’interaction des animaux avec l’eau. Pour de nombreux animaux, les microstructures rendent le corps « superhydrophobe », c’est-à-dire capable de bloquer la pénétration de l’eau. « Dans les climats humides, l’élimination des gouttelettes d’eau peut être essentielle chez les animaux, comme les oiseaux et les insectes volants, pour lesquels le poids et la stabilité sont d’une importance cruciale », notent Rieser, de l’Université Emory, et les coauteurs Chantal Nguyen, Orit Peleg et Calvin Riiska.
Les surfaces imperméables aident également les animaux à garder leur peau propre. « Ce mécanisme d’auto-nettoyage… peut être important pour aider à protéger l’animal contre des dangers tels que les parasites cutanés et d’autres infections », expliquent les auteurs de l’Annual Review. Et dans certains cas, il peut être nécessaire d’éliminer les matières étrangères de la surface d’un animal pour préserver les propriétés de surface qui améliorent le camouflage.