Des arachnides géantes de StarShip Troopers aux fourmis géantes de
Des Monstres attaquent la ville (Gordon Douglas) 1953 en passant par le cafard géant extraterrestre qui dans
Men in Black (Barry Sonnenfeld) 1997 incarnait le méchant du film, les insectes géants comme les fourmis ont particulièrement inspiré les auteurs de films et bande dessinés. Est ce que ces fourmis géantes existent vraiment ? D'ailleurs est ce vraiment possible ?
La taille et la masse.
cube_et_masse_d'une_fourmi.jpg
Le poids, la surface et la taille d'une fourmi est étroitement lié comme pour tout objet.
Prenons pour exemple un objet en 3 dimensions comme un cube.
Soit L la longueur, l la largeur et P la profondeur. L = l = P = 1 pour notre petit cube.
Ce cube à une surface de Lxl = 1x1 = 1cm
2 ( si l'on prend comme unité de longueur le centimètre )
Ce cube à un volume de L x l x P = 1 x 1 x 1 = 1cm
3
Nous multiplions par 4 la taille du cube, pour ce faire nous devons multiplier par 4 chacune des 3 arrêtes, la largeur , la longueur et la profondeur. (lx4) x (Lx4) x (Px4) = (1x4) x (1x4) x (1x4) = 4
3 cubes, c'est à dire 64 cubes. ( 4 correspond au facteur d'agrandissement et 3 au nombre de dimensions)
Ce gros cubes est donc 64 fois plus volumineux et naturellement 64 fois plus lourd.
Ainsi la masse est proportionnelle au cube de la taille.
Maintenant prenons une face de ce gros cube, cette face est alors formé de 8 faces d'un petit cube. On a effectivement multiplié chaque dimension d'une surface par 2 soit la longueur et la largeur: (lx4) x (Lx4) = (1x4) x (1x4)= 4
2= 16. Comme une surface est caractérisé par 2 dimension, la surface du gros cube est celle de 4 x 4 = 4
2= 16 faces d'un cubes, la surface à donc été multiplié par 16. ( 4 étant le facteur multiplicateur de taille et
2 le nombre de dimensions ).
Ainsi la surface est proportionnelle au carré de la taille.
Application:
section_d'un_muscle_fourmi.jpg
Quelques explication des termes abordés ci après ( les "/" indique une division, un rapport ):
-facteur d'agrandissement ou facteur de gain de taille = taille fourmi géante / taille petite fourmi
-facteur de gain de force = force fourmi géante / force petite fourmi
-faacteur de gain de poids = poids fourmi géante / poids petite fourmi
-densité de puissance massique = force ou puissance / poids de la fourmi en question
-facteur de gain de surface ou d'agrandissement de surface = surface de la petite fourmi / surface de la fourmi géante
-Une Fourmi 4 fois plus Grande: les ennuis commencent...
La force des fourmis leur ai donné par leur muscle, qui agissent un peu comme des cordes : plus un muscle est gros, plus il est fort, mais sa longueur ne le rend pas plus fort.
Par gros nous entendons la surface de la section d'un muscle qui est directement lié à son diamètre.
En considérant ce qui a été dit dans la partie ci avant une fourmi géante aurait des muscles 16 fois plus gros que ceux d’une petite fourmi, car 4 fois plus larges et 4 fois plus épais : mais le fait qu’ils seraient aussi 4 fois plus long ne l’aiderait pas.
On peut facilement s’en convaincre en considérant un cylindre, que l’on agrandit d’un
facteur 4. On obtient alors un cylindre 16 fois plus solide puisque le rayon de la coupe
transversale sera 4 fois plus grand et que l’aire sera donc π x (4r) x 2 = 16 π r2.
Qu’en serait-il de la résistance des os de la fourmi ? On voit facilement que ses os seraient aussi 16 fois plus solides, puisque c’est le même principe qui s’appliquerait.
Ainsi la force d'un muscle augmente directement proportionnellement avec la surface de sa section. Hors la surface augmente proportionnellement au carré de la taille.
On peut donc en déduire que la force du muscle ainsi que la résistance des os augmente proportionnellement au carré de la taille.
On a donc que :
-la masse est proportionnelle au cube de la taille.
-la force du muscle ainsi que la résistance des os est proportionnel au carré de la taille.
Une fourmi 4 fois plus grande sera donc 64 fois plus lourde mais seulement 16 fois plus forte et aurait une ossature seulement 16 plus résistante.
Ainsi il y a un déséquilibre entre la résistance de l'ossature, la force et le poids .
Imaginez vous donc 64/16= 4 fois plus lourd ( rapport du facteurs de poids sur celui de surface ) sans pour autant être plus fort. On obtient une personne atteint d'obésité morbide.
Une telle personne n'arrive pas à marcher.
graphique_fourmi_géante.jpg
Maintenant augmentons le facteur d'agrandissement c'est à dire le rapport de taille entre la petite fourmi et la grande.
Prenons une fourmi de 0,5cm pesant 5mg et pouvant soulevé 50 fois son poids c'est à dire 250mg et multiplions là par un facteur 400. Sa taille est alors de 2m soit la taille d'un Homme plutôt très grand.
Cette fourmi aurait alors un poids 400
3 = 64 000 000 fois supérieur, elle pèserait donc 64 000 000 x 5mg = 300Kg, et aurait des os et une force 160 000 fois supérieur soit une force de porté de 160 000 x 250mg = 40kg.
Cela en devient vite banal d'autant plus que l'on sait que le record d'haltérophilie pour la catégorie des moins de 56kg chez les Hommes est de 301Kg soit 7.5 fois supérieur à la fourmi géante pour un poids 5 fois inférieur à la fourmi géante.
Si on se tourne du coté de la densité de puissance massique c'est à dire du rapport poids soulevé / poids de la fourmi ont a pour la fourmi normal un rapport de 50 et pour la fourmi géante un rapport de 0.13.
La petite fourmi a donc une force 385 fois plus importante par unité de masse que la fourmi géante.
Le rapport entre le facteur de gain de force et celui de poids (c'est à dire 160 000 / 64 000 000) est de 0.0025 soit 4 millièmes donc finalement cette fourmi n'a que 4 millième de la force nécessaire qu'elle devrait avoir pour se déplacer avec autant de facilité qu'un petite fourmi de 0.5cm.
C'est comme si nous ou une petite fourmi pesait 400 fois plus qu'actuellement sans pour autant avoir des os plus résistant ou une force accru et des muscles plus gros.
Imaginez la peine qu'aurais un
Lasius niger de se déplacer si il était 400 fois plus lourd si toutefois son exosquelette ne se casse pas sous son propre poids.
L'adhérence:
Venons en maintenant à l'adhérence des pattes des fourmis. Elles peuvent comme nous le savons escalader des parois verticale, voir retourné et ce grâce à des petits coussinet recouvert de poiles extrêmement fin mettant en jeu la force de Van der Waales, une forces électromagnétiques résiduelles faibles, d’origine quantique, s’exerçant entre des molécules et même des atomes neutres . Le Gecko en à d'ailleurs des similaires et est très bien connu pour cette caractéristique.
Est-ce que les fourmis géante pourrait toujours escalader les surfaces verticales ?
Le Gecko de 10g peut toujours coller aux surface sous 3 fois son poids comme le montre la référence ci-dessous que vous pouvez lire si vous souhaitez un avoir un aspect plus poussé de cette "bioforce"
Forces_de_Van_der_Waals_et_Problème_du_Gecko.pdf
Seulement les fourmis elles sont encore plus impressionante car elle peuvent soutenir jusqu'à 100 fois leur poids.
pelotte_van_der_waals.jpg
[/left]
Nous avons vu que pour une fourmi géante de 2m le rapport entre le facteur d'agrandissement du poids et celui de la surface il y a un rapport de 400. Donc pour toujours adhérer aux surfaces planes une fourmi géante devrait avoir des coussinets avec une surface de contact 400/100 = 4 fois supérieur à ce qu'elle aurait normalement.
Dans la pratique pouvoir soutenir son poids une seule fois ne suffit pas ( à part en cas de statisme pure ), 2 fois est le minimum syndicale pour dépasser un temps soit peu cette instabilité critique entre adhésion et chute. En respectant ce raisonnement le facteur passe alors de 4 à 8.
Imaginez vous avec des pieds 8 fois plus large et long...dur voir impossible de se déplacer.
Une petite vidéo EN ANGLAIS traitant du sujet et de son application à la robotique:
L'exosquelette:
Une autre raison raison est liée à l’exosquelette dont disposent les fourmis. En effet, comme tous les arthropodes, les fourmis n’ont pas de squelette interne (pas d’os, donc) mais possèdent un squelette externe, appelé exosquelette, qui assure les fonctions de support des organes et de maintien de la forme du corps, ainsi que de protection contre les chocs et contre l’effet asséchant de l’air. L’exosquelette est formé de plaques rigides de
cuticule reliées aux articulations par des couches plus fines et flexibles de cuticule.
Du fait de leur petite taille, les fourmis vivent dans des "mondes physiques" qui les soumettent à des contraintes différentes : la force de gravité, c'est à dire le poids des organes à l'intérieur se trouve en équilibre avec les forces de surface.
Ici encore ce système est parfait pour des organismes de dimensions modestes. Mais quand la taille augmente, le poids augmente aussi. Et le poids augmente comme nous l'avons vu par un facteur cube quand la surface augmente par un facteur carré. Or, quand le poids augmente la masse musculaire doit aussi augmenter pour supporter le poids du corps.
Comme les muscles de l’exosquelette sont "reliés" à la surface interne de la cuticule, cette surface deviendrait finalement trop limitée pour que ces muscles assez volumineux pour soutenir le poids d'une fourmi de grande taille puissent "collé" à la partie interne de l'exosquelette. L’exosquelette serait inadéquat à cette échelle, les organes s'écraseraient les uns sur les autres et risqueraient d'exploser au moindre choc.
Ainsi ce n'est pas pour rien que tout les être vivant de grande taille ont un squelettes formé d'os à défaut d'avoir un exosquelette chitineux.
La respiration:
Circulation et respiration chez les fourmis.jpg
Il y a le problème de la respiration. Car les fourmis ne possèdent ni poumons, ni branchies, ni circulation sanguine. L'air se balade et diffuse librement dans leur corps, entrant et sortant par des petits trous, les spiracles, reliés entre eux par des tuyauteries appelées trachées. Si la fourmi gagne en taille, les tubes trachéaux se rallongent pour atteindre les tissus centraux, et sont plus nombreux pour satisfaire les demandes en oxygène d'un corps plus grand.
Certes le système trachéal s'agrandit pour atteindre des membres plus longs, et les tuyaux augmentent en diamètre ou en nombre afin de répondre à la demande d'oxygène supplémentaire. Mais cette augmentation de taille atteint un seuil critique aux jointures où les pattes et le corps se réunissent. La taille de cette jointure limite la taille de la trachée qui y passe, l'apport en l'oxygène et donc le développement de la fourmi. Par exemple, les coléoptères ne peuvent pas se développer au-delà d'environ 15 centimètres. C'est justement la taille (sans les antennes) du plus grand coléoptère connu : le scarabée longicorne Titanus giganteus, en Amérique du sud.
Pourtant, au Paléozoïque, il y a 300 millions d'années, il existait des insectes géants, comme des libellules de 75 centimètres. C'est la concentration plus élevée en oxygène qui a permis aux insectes ces tailles respectables : la proportion d'oxygène dans l'air était de 35% à cette époque, contre 21% aujourd'hui. Or, lorsque la concentration en oxygène est élevée, l'insecte a besoin de plus petites quantités d'air pour satisfaire ses demandes en oxygène. Le diamètre trachéal peut ainsi être plus étroit et fournir encore suffisamment d'oxygène pour un insecte beaucoup plus grand.
Le coeur:
Les fourmis ont un système circulatoire ouvert sans vaisseaux pour acheminé les nutriments, le sang ou plus justement l'
hémolymphe coule dans les espaces vides qu'on appel sinus. Cette hémolymphe est pompé vers l'avant au travers d'un élément simple, le vaisseaux dorsal. Ce vaisseaux est essentiellement constitué d'une aorte suivi de bulbe thoracique. Chaque unité composant ce vaisseaux dorsal commence et se termine par une valve, l'ostiole , au travers de laquelle le sang est pompé. L'hémolymphe effectue alors un cycle, pompé à l'arrière elle est déversé principalement à l'avant. Elle s'écoule dans les sinus et baigne les organe et muscles.
La encore ce système circulatoire convient aux petites fourmis mais montre vite ses faiblesse quand les dimensions augmentent.
Leur vitesse de déplacement:
Une fourmi de type fourmis charpentière peut se déplacer à 300m/heure (pas toutes c'est sûr).
Multiplions encore par 400 ce chiffre, on obtient alors la petite vitesse de 120 000m/heure soit 120Km/heure c'est à dire plus qu'un guépard a l'assaut qui ne peut tenir une vitesse de l'ordre de 100km/h que quelques courtes secondes.
On aurait donc un vrai bolide mais en réalité impossible comme démontré avant.
La voltige lors de l'Essaimage
La plupart des espèces s'accouplent en vol qu'en serait-il pour des fourmi géante ?
Les ailes des
sexués seraient 160 000 fois plus imposante en surface mais le poids d'une fourmi géante serait 64 milions de fois plus imposant aussi. Comment voulez vous donc qu'une fourmi arrivent à voler avec un poids 400 fois supérieur de ce qu'elle devrait peser ?
De 2 choses l'une, soit les sexués ressemblerait plus à d'énormes oiseaux, soit leur vole serait biaisé et leur reproduction en vol ne serait plus présente ce qui est je pense pour cette dernière hypothèse la plus probable.
Au Crétacé supérieur vivait cependant un reptile volant nommé Pteranodon qui pouvait atteindre 9m d'envergure, 5m de long avec un crane mesurant la moitié de sa longueur. Il a été cependant détonné en 1975 par la découverte d'un autre ptérosaure nommé Quetzalcoatlus qui lui pouvait atteindre une envergure de 15m.
Tout 2 se faisait porté par les vent et planaient grâce à leur énormes ailes de peau..
Enorme n'est ce pas ?
Pas tant que ça en fait quand on sait qu'un Pteranodon ne pesait tout au plus que 18Kg.
Et oui le vol de croisière impose une fitness extrême, ne vole pas qui veut, il faut être équipé comme il faut.
Une Fourmilière ?
L'excavation est très consommatrice d'énergie, compte tenu de ce qui a été déjà dit et notamment de leur probable force il est évidant que des fourmis géantes ne pourraient construire aussi facilement de galerie et tunnels que leur consœur petite.
De plus à cette échelle là encore les contraintes dans les galeries ne seraient pas les mêmes et au même titre que dans les mines il faudrait mettre en place de nombreuse renfort et poutre en tout genre pour stabiliser les galerie, leur tenu et éviter les effondrement, les salles ressemblerait donc plus à des charpentes ou à des ouvrages de maçonnerie qu'à des grottes.
Il n'y a donc qu'un pas à franchir pour avancer que si elles gardent leur gout de l'architecture à l'échelle d'un Homme elles construiraient probablement des maison , des immeubles, des quartiers, des villes.
Ce qui ne changerait probablement pas :
Il n'y a aucune raison de penser que leur système de vision change bien que aucun animal de grande taille n'est adopté ce système à facettes.
Concernant leur système de communication c'est également le cas, les
phéromones sont toujours présentes chez beaucoup d'animaux de grande taille surtout en ce qui concerne la reproduction.
En conclusion:
Finalement une fourmis de taille humaine ne serait plus une fourmis, si elle devait vraiment voir le jour elle ressemblerait peut être à un homme car:
-elle aurait troqué son exosquelette pour un squelette interne
-elle aurait changé de système respiratoire passant d'un système trachéen passif à un système pulmonaire actif avec des vecteurs efficace d'oxygène comme l'hémoglobine
-Sa force serait de l'ordre de celle d'un être humain.
-elle ne pourrait plus escalader les surfaces verticale lisse.
-elle aurait opté pour un vrai cœur à système circulatoire fermé.
-elle construirait des habitations sur terre et non sous terre
-elle aurait toujours ses yeux à facettes
-elle aurait aussi toujours ses phéromones pour communiquer.
Finalement une fourmi géante ne ressemblerait plus à une fourmi , sa physiologie se rapprocherait plus d'un Homme comme antman ou l'homme fourmi !
Je termine par une référence qui traite justement ce sujet :
-
On Being the Right Size in Possible Worlds (John Haldane, 1928)
-
Principles of animal locomotion par R. McNeill Alexander
Pourquoi j'ai choisi ce pseudo: mon prénom
