Percer les secrets énergétiques du mouvement collectif des animaux : comment le comportement de groupe réduit les coûts énergétiques chez les poissons


De nombreux animaux, y compris les prédateurs supérieurs, se déplacent en groupe. Nous savons que ce comportement collectif est fondamental pour la capacité de l'animal à se déplacer dans des environnements complexes, mais on en sait moins sur ce qui motive ce comportement, car de nombreux facteurs sont à la base de son évolution. Les scientifiques se demandent cependant si tous ces animaux partagent une motivation fondamentale, comme l’accouplement, la sécurité ou peut-être même l’économie d’énergie.

« Le mot clé est peut-être », a déclaré Yangfan Zhang, chercheur postdoctoral au Département de biologie organique et évolutive (OEB) de Harvard, « parce que personne n'a réellement mesuré cela ni comparé directement tous les groupes d'animaux, principalement parce qu'il est difficile d'avoir un système qui peut mesurer non seulement un groupe, mais aussi les individus de ce groupe. Mais nous savons que, au fil de l'évolution, il existe une certaine pression pour optimiser l'efficacité de l'utilisation de l'énergie.

Dans une nouvelle étude publiée dans eLifeZhang et le co-auteur, le professeur George Lauder, également à l'OEB et conservateur d'ichtyologie au Musée de zoologie comparée, se sont demandé si les mouvements de groupe coordonnés d'animaux se déplaçant dans un fluide pourraient réduire le coût énergétique de la locomotion.. En combinant biomécanique et bioénergétique (mesure simultanée de la consommation d’énergie métabolique et des mouvements des animaux dans une plate-forme expérimentale hautement spécialisée), les chercheurs ont non seulement découvert une économie d’énergie significative, mais ont également identifié une consommation d’énergie réduite par battement de queue.

Les vertébrés terrestres ont évolué à partir des poissons, passant des nageoires aux membres et modifiant les organes respiratoires de la respiration aquatique à l'air. Malgré des environnements et des systèmes respiratoires différents, tous les vertébrés et poissons partagent les mêmes voies métaboliques pour produire de l’énergie. Une voie utilise l’oxygène appelée métabolisme aérobie. L’autre voie, appelée anaérobie, est utilisée lorsque l’oxygène est limité ou ne peut pas fournir suffisamment d’énergie pour se déplacer à des vitesses élevées. Ensemble, ils contribuent à la dépense énergétique totale du mouvement. Les poissons ont cependant plus besoin d’optimiser leur locomotion que les animaux se déplaçant dans les airs ou sur terre. En effet, l’eau est un fluide 50 fois plus visqueux que l’air et nécessite une énergie considérable pour vaincre la résistance du fluide pendant le mouvement. L’eau contient également cinq fois moins d’oxygène par kilogramme que l’air ; ce qui signifie que les animaux aquatiques sont « pressés » par un plafond plus bas de disponibilité en oxygène et ont une pression plus élevée sur la demande énergétique.

Pour tester le coût énergétique de la locomotion des poissons, Zhang et Lauder ont conçu un « tapis roulant » à eau scellé qui contrôlait la vitesse de l’eau. En mesurant la vitesse à laquelle l'oxygène est éliminé du « tapis roulant » scellé, les chercheurs ont pu distinguer le taux d'absorption d'oxygène par les animaux.

« Le système est conçu pour avoir la sensibilité de mesure nécessaire pour capturer le coût énergétique d'un poisson individuel par rapport directement au coût d'un groupe de huit poissons », a déclaré Zhang. « En standardisant la biomasse des poissons dans le tapis roulant aquatique avec une vitesse d'eau contrôlée, nous pouvons comparer directement le coût de la nage entre les bancs de poissons et celui d'un poisson individuel. »

Le « tapis roulant » utilisait également deux caméras orthogonales à grande vitesse pour capturer des caractéristiques de locomotion uniques – l’une vue latérale, l’autre vue du bas. Cela a permis de mesurer les positions tridimensionnelles des poissons et a permis aux chercheurs de mesurer la distance entre les poissons dans le banc.

« Ce que nous avons découvert, c'est que le coût total pour le groupe pour se déplacer dans son ensemble est bien inférieur par biomasse par rapport à celui d'un individu, et que le groupe a dépensé le moins d'énergie à une vitesse médiane d'une longueur de corps par seconde », a déclaré Zhang. . « Lorsque nous examinons les études qui suivent les animaux sauvages, nous constatons que de nombreux animaux migrent à une vitesse d'environ une longueur de corps par seconde. »

Les chercheurs ont découvert que se déplacer rapidement nécessitait plus d’énergie, mais qu’il en était de même pour se déplacer lentement. Cependant, à une vitesse moyenne d'une longueur de corps par seconde, ils ont constaté une baisse de la courbe énergétique où la natation était à un coût minimum, qui augmentait à la fois à des vitesses plus rapides et plus lentes, présentant une relation en forme de J.

En tant que groupe de vertébrés le plus diversifié, les espèces de poissons ont une immense valeur culturelle et commerciale pour la société humaine. Pourtant, les changements climatiques constituent un défi direct pour la biodiversité des poissons.

« Les projections sur l'abondance future des espèces de poissons ne peuvent pas être fondées uniquement sur la biologie des individus », a déclaré Lauder, « nous avons également besoin d'une compréhension fondamentale du mouvement collectif qui rend compte des interactions entre les individus au sein d'un groupe ». la locomotion aquatique sous contraintes environnementales offre un aperçu non seulement des caractéristiques hautement conservées de la physiologie des vertébrés, mais également du fonctionnement interne des principes de la dynamique des fluides et de la locomotion animale.

« Je pense que ce qu'il y a de beau dans cette étude, c'est que nous avons capturé le spectre complet de la dépense énergétique d'une manière holistique, ce qui nous a permis de prendre en compte un coût énergétique se déplaçant à grande vitesse », a déclaré Zhang. « Les scientifiques étudient cette question depuis des décennies, mais nous avons découvert que la clé résidait dans la mesure non seulement des coûts aérobies, mais également des coûts anaérobies. Cela représente une part énorme pour tout organisme et, sans mesurer les deux, vous n'obtenez que la moitié du coût. histoire.

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

*