La physique

Le ganga Namaqua est inhabituel, en ce qui concerne les oiseaux, car ses plumes du ventre sont conçues pour aspirer l'eau plutôt que de la garder à l'extérieur. Maintenant, Jochen Mueller de l'Université Johns Hopkins, Maryland, et Lorna Gibson du Massachusetts Institute of Technology ont découvert les détails de cette capacité à aspirer l'eau [1]. Les résultats pourraient aider à comprendre d'un point de vue évolutif comment et pourquoi ces oiseaux ont développé cette capacité. Le travail pourrait également inspirer la conception de matériaux artificiels capables de stocker et de libérer efficacement l'eau.

"La capacité de transport d'eau fraîche du ganga des sables revient toujours dans les cours d'ornithologie", explique Allison Shultz, conservatrice d'ornithologie au National History Museum du comté de Los Angeles, qui a fourni des échantillons de plumes à Mueller et Gibson. "Mais le mécanisme de son fonctionnement n'a jamais été exploré de manière détaillée. Cela rend ce nouveau travail vraiment excitant", dit-elle.

En 1896, Edmund Meade-Waldo, un ornithologue et défenseur de l'environnement britannique, a noté un comportement étrange parmi les gangas captifs qu'il élevait. Les oiseaux mâles adultes se dandinaient jusqu'aux sources d'eau dans leurs enclos, s'asseyaient dans cette eau, puis se dandinaient avec le ventre gonflé vers leurs petits. Les poussins se mettaient alors sous le ventre des oiseaux adultes et posaient leur bec sur les plumes du ventre. Les papas semblaient apporter de l'eau à boire à leurs poussins.

Meade-Waldo a partagé les observations avec d'autres ornithologues, mais l'idée que les poussins de ganga des sables "aspirent l'eau de la poitrine [d'un oiseau mâle]", comme l'a écrit Meade-Waldo, a été accueillie avec un scepticisme extrême. "Personne ne l'a cru", dit Mueller. "C'était considéré comme un comportement fou."

Au cours des 70 années suivantes, d'autres observateurs ont fourni des rapports similaires, mais ce n'est qu'en 1967 que l'idée a reçu une réelle crédibilité. En effectuant des expériences avec des spécimens et des plumes de gangas morts, deux biologistes de l'Université Cornell ont découvert que les gangas mâles pouvaient contenir dans leurs plumes abdominales environ 15% de leur poids corporel en eau. Ces oiseaux - qui vivent principalement dans le sud-ouest de l'Afrique - nichent souvent jusqu'à 30 km du point d'eau le plus proche, et les biologistes de Cornell ont estimé qu'un ganga des sables mâle pouvait retenir plus de la moitié de l'eau absorbée dans ses plumes pendant le vol d'environ 30 minutes entre le source et son nid. Cela laissait beaucoup de liquide à donner aux poussins, qui ne peuvent pas voler pendant leur premier mois de vie.

Alors, comment le ganga des sables capte-t-il l'eau, la garde-t-il dans son ventre sur de longues distances, puis la restitue-t-il à ses petits ? Les biologistes de Cornell avaient quelques idées, mais sans l'utilisation des technologies modernes, les détails restaient flous. Dans leur étude, Mueller et Gibson ont pris les plumes du ventre d'un ganga Namaqua mâle adulte et ont effectué diverses expériences de mouillage, ainsi que des tests structurels à l'aide d'un microscope électronique à balayage et d'un tomodensitomètre.

La première chose que le duo a remarquée était la structure inhabituelle des plumes – quelque chose que les scientifiques antérieurs avaient documenté, mais pas capturé en détail. Comme la plupart des plumes d'oiseaux, celles du ganga des sables ont une tige principale au centre et une ailette duveteuse qui s'étend vers l'extérieur. À l'intérieur de cette palette se trouvent une myriade de barbes - les brins individuels de plumes - qui se subdivisent ensuite en barbules. Pour un rouge-gorge, par exemple, ces barbules sont droites avec un crochet au bout. Pour le ganga des sables, cependant, Mueller et Gibson ont observé des barbules courbées qui s'enroulent en hélice pour une bobine, puis s'étendent tout droit.

Une fois immergé dans l'eau, le duo a observé que les barbules du ganga des sables se déroulaient, tournant de sorte que celles des barbes opposées se chevauchaient pour créer une "forêt" dense de fibres. En soulevant la plume déroulée hors de l'eau, les barbules ont conservé cette structure forestière, emprisonnant l'eau sur la surface supérieure. Une fois séchée, la plume retrouve son état d'origine. "Le changement de forme de la barbule est entièrement réversible", explique Mueller.

La capacité des barbules à s'enrouler et à se dérouler vient, dit Mueller, de leur structure moléculaire. Les barbules des plumes d'oiseaux sont fabriquées à partir de kératine, le même matériau que les cheveux et les ongles. Chez le ganga, cette kératine existe en phases amorphe et cristalline. Ces différentes phases gonflent de différentes quantités lorsqu'elles rencontrent de l'eau, entraînant un changement de forme. "Un côté des barbules gonfle plus que l'autre côté, provoquant ce déroulement", explique Mueller.

Les calculs de l'équipe montrent que la capacité de rétention d'eau des plumes provient du même effet de tension superficielle observé dans la capillarité, où l'eau s'écoule dans un tube. L'espace entre deux barbes agit comme un tube qui aspire l'eau et l'empêche de jaillir lorsque l'oiseau vole. "Les dimensions des plumes correspondent à ce que nous attendons d'une conception optimisée", déclare Mueller. "C'était une surprise."

"Certaines des avancées vraiment passionnantes dans la compréhension de la biologie surviennent lorsque des personnes de domaines extérieurs, comme l'ingénierie, arrivent avec une nouvelle perspective et les outils analytiques les plus récents et les plus performants", déclare Shultz. Elle note qu'avant d'apprendre cette étude, elle n'aurait pas pensé avoir sondé la morphologie des plumes sous l'eau - ce n'est pas une étape qu'un conservateur prend normalement. "Ce travail montre l'importance d'étudier les objets dans le contexte dans lequel ils sont utilisés dans la nature", dit-elle.

–Katherine Wright

Katherine Wright est rédactrice en chef adjointe de Physics Magazine.

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