Chasseuse hors pair et importante régulatrice des populations d’insectes, la libellule inspire à tous les niveaux avec ses ailes finement ciselées, sa vue panoramique et ses techniques de chasse optimisées. Une aubaine pour les ingénieurs en biomimétisme !
Les libellules, biologie et histoire
Étymologie et anatomie
Les libellules, au sens commun, désignent les odonates, un ordre d'insectes qui regroupe les demoiselles et les libellules stricto sensu. Elles sont généralement confondues, mais nous pouvons vous aider à les différencier : les libellules ont les ailes pliées sur les côtés au repos ainsi que de gros yeux joints, alors que les demoiselles ont des ailes pliées au-dessus d’elles au repos et des yeux plus petits et séparés.
Alors qui est qui : Libellule ou demoiselle ?
On suppose que le terme ”demoiselle” leur a été attribué pour leur forme élancée et svelte et la beauté de leurs couleurs. L'étymologie de libellule viendrait de libella, qui désigne un niveau, en raison de leur tête aplatie évoquant un requin marteau. Une autre théorie, que nous préférons, vient de latin liber, libellus, « petit livre », ce qui évoque les ailes étendues comme les feuillets d'un livre lorsque l'insecte se pose. Le biomiméticien voit la nature comme un livre ouvert, et c’est particulièrement à propos ici au vu du potentiel biomimétique exceptionnel de la libellule.
Pour simplifier la lecture ici, nous inclurons les demoiselles dans l’ordre des libellules.
Nombre d’espèces, habitat et répartition
Il y a plus de 5 700 espèces d’odonates recensées dans le monde (notamment en zones tropicales), dont 120 en Europe. Ces insectes ont su s’adapter à toutes sortes d’environnements.
Les libellules sont généralement associées aux milieux humides : mares, rivières,… mais certaines espèces s’en éloignent. La dégradation de la qualité de l’eau et la destruction de zones humides réduit l’habitat des odonates. En Europe, 20 % des espèces sont sur la liste rouge internationale et de nombreuses espèces sont sur listes rouges nationales/régionales. Ce sont majoritairement des espèces endémiques (qui n’existent qu’à un endroit). Selon l’UICN (Union Internationale pour la Conservation de la Nature), 11 espèces sur les 89 présentes en France sont menacées d’extinction, et 13 sont quasi-menacées. Des mesures sont prises en conséquence pour préserver leur habitat, les zones humides.
Les libellules font partie des insectes migrateurs, certaines espèces comme la libellule globe-trotter (Pantala Flavescens) peuvent traverser l’océan indien pour relier l’Afrique, des études estiment que l’espèce pourrait parcourir 18 000 km en 4 générations !
Mode d’alimentation et rôle dans les écosystèmes
Les libellules sont carnivores et ne capturent que des proies vivantes, volantes et abondantes dans le milieu où elles se trouvent. Leur régime alimentaire est constitué de diptères (moustiques, mouches) et d'éphémères. Elles ne s'attaquent que très rarement à des proies de grande taille, comme les zygoptères (demoiselles) ou les papillons.
Les libellules sont essentielles pour contrôler les populations d’insectes nuisibles dans tous leurs stades de développement. Les larves de libellules se nourrissent de larves de moustiques, et les libellules de moustiques adultes, taons et autres nuisibles.
De façon générale, la présence de libellules indique la bonne qualité d'un écosystème. Pour se développer à l’état larvaire, elles ont besoin de milieux aquatiques sains, c'est-à-dire qui contiennent des larves d’autres insectes qui leurs servent de proies et de la végétation en quantité suffisante pour oxygéner l’eau. Le meilleur moyen de protéger les libellules passe donc par la préservation de leur habitat (limiter l'artificialisation des berges, protéger la flore d'eau douce, limiter la pollution des rivières, etc.). Les zones humides, repères de biodiversité, sont particulièrement ciblées.
Les “proto-libellules”, les plus gros insectes de tous les temps
Lorsqu'on imagine la vie il y a 300 millions d’années, on se représente des dinosaures et des fougères géantes. Pourtant, les libellules étaient déjà présentes ! Les ancêtres des odonates qui arpentaient alors la Pangée nous auraient paru plutôt impressionnants. L’envergure de ces libellules pouvait atteindre 75 cm, environ la taille d'un pigeon. L'espèce Meganeuropsis permiana, pouvaient peser près de 500 g !
Ces proto-libellules étaient les premiers prédateurs volants, ce qui explique en partie l’adaptation remarquable de leur morphologie à leurs capacités de vol. Ces dernières ont disparu avec l’arrivée des premiers vertébrés planeurs/volants, dont elles pouvaient vraisemblablement difficilement se cacher. Une explication au fait qu’il n’existe plus de giga-libellule serait qu’un insecte aussi grand avait besoin d’un environnement avec un fort taux d’oxygène pour pouvoir voler, bien supérieur aux 20 % actuels. La réduction progressive de la taille de ces insectes pourrait aussi être liée à l’apparition des premiers ancêtres des oiseaux il y a 150 millions d’années, qui étaient plus agiles et les chassaient donc plus facilement.
Un chasseur avec plus d’une corde à son arc
Des ailes performantes car optimisées à différentes échelles
En terme d’aérodynamisme, la libellule est un véritable modèle de performance. Son thorax porte 2 paires d’ailes et 3 paires de pattes utilisées pour attraper les proies ou s’accrocher à des plantes, très rarement pour marcher. Les ailes des libellules sont des structures très sophistiquées, notamment via la forme et la taille variables de leurs cellules, de leurs veines, et de leurs plissements et jonctions. Autant de paramètres qui modifient ses propriétés de flexibilité et permettent leurs capacités de vol extraordinaire ! Les 2 paires d’ailes indépendantes des libellules leur permettent d’effectuer des manœuvres acrobatiques, de faire du vol statique, à reculons ou même sur le dos ! Elles sont les championnes de la vitesse de vol horizontal chez les insectes avec des pointes à 56 km/h (les abeilles atteignent difficilement les 25 km/h), mais aussi de vol ascensionnel, jusqu’à 1,5 m/s !
Ces performances sont permises par l’anatomie de leurs ailes, très subtile et optimisée à tous niveaux. Les veines de la libellule permettent de maintenir la géométrie de l’aile et créent des plissements - appelés corrugations - qui améliorent l’écoulement de l’air et augmentent sa portance : un mécanisme semblable aux renforts d’une planche à voile mais avec un niveau de détail sensiblement supérieur.
Les veines de l’aile de la libellule sont reliées par deux types de jonctions :
Les jonctions fixes : des veines fermement connectées qui empêchent les déformations.
Les jonctions mobiles : une veine sert d’axe de rotation/flexion pour une veine transversale ; ces jonctions contiennent en plus des protéines élastiques qui absorbent l’énergie des déformations et permettent à la libellule un vol de précision !
La circulation sanguine dans ces veines permet également de “regonfler” la structure et redonner sa forme à l’aile après une déformation !
Les veines de la libellule sont une source de bio-inspiration importante et ont permis à des chercheurs du département d’architecture de la prestigieuse université de Berkeley de concevoir des façades biomimétiques offrant moins de prise au vent.
Les ailes des libellules sont constituées de membranes transparentes, qui font moins de 3 µm d’épaisseur (25 fois plus fin qu’une feuille A4) contre 0.5 mm pour les veines ! Ces membranes très fines ne se contentent pas de créer de la portance et permettre le vol, elles sont elles-mêmes recouvertes de nano-piliers de quelques centaines de nanomètres de haut seulement ! Ces nano-piliers confèrent à l’aile de la libellule des propriétés d’hydrophobie et donc d’auto-nettoyage - les micro gouttes d’eau n’adhérant pas à la surface irrégulière - mais aussi des propriété antibactériennes car ces piliers peuvent déformer et percer les membres des cellules des bactéries. Ces nano-piliers sont observables sur des espèces très différentes de libellules. Ils jouent donc probablement un rôle important dans leur survie. En effet, l’accumulation de contaminants sur les ailes pourrait réduire leurs capacités de vol et ainsi leur capacité à capturer leurs proies. Eviter la contamination bactérienne grâce à la structure de surface est un mécanisme très répandu dans le vivant qui représente un potentiel très important d'innovations par biomimétisme. Dans le domaine de la santé, ces nano-piliers ont été reproduits par des chercheurs de l’Université australienne de Swinburne sur des implants médicaux en titane, éliminant ainsi 50% des bactéries nuisibles en contact avec la surface. Ainsi, le biomimétisme permet de réduire les risques d’infection.
Enfin, le quadrillage de l’aile de la libellule offre d’impressionnantes propriétés de robustesse, car il correspond à l’équilibre parfait de la répartition des efforts sur chaque sommet des polygones le composant. Ainsi leurs ailes sont un excellent compromis entre légèreté et résistance. Forts de cette observation, des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie (Etats-Unis) ont développé un algorithme de machine learning permettant de générer un tel motif pour n’importe quelle aile donnée. Ainsi, on peut librement imaginer voler dans quelques années à bord d’avions biomimétiques aux ailes inspirées de celles de la libellule !
Les libellules ont le compas dans l’œil
Les insectes possèdent des yeux composés, constitués d’un ensemble de récepteurs sensibles à la lumière : les facettes ou ommatidies. Les libellules sont une fois de plus dans le haut du panier avec des yeux composés comportant de 15 000 à 30 000 ommatidies par œil, ce qui leur donne la capacité d'avoir une excellente vision à 360° ! A titre de comparaison, les mouches à fruits n’ont “que” 700 ommatidies par œil en moyenne !
Vous vous demandez d'où viennent ces magnifiques couleurs irisées ? Découvrez-le en lisant notre article sur les couleurs du vivant !
Les libellules possèdent également une acuité visuelle impressionnante : 300 images/seconde contre 60 max pour l'œil humain ! Enfin, les libellules, comme nombre d’insectes volants, possèdent des ocelles, des yeux simples qui peuvent détecter la lumière et servent à assurer une bonne stabilité pendant le vol en détectant les changements de luminosité. Chez les libellules ces yeux simples auraient également la capacité de détecter les mouvements !
Pour aller de paire avec ces yeux très efficaces (le “hardware”), les moyens de traitement des informations doivent aussi être performants (le “software”). Les libellules possèdent un système neuronal visuel très simple et pourtant très efficace pour traiter rapidement les informations visuelles. Ce mécanisme permet aux libellules non seulement de suivre les déplacements de la cible, mais également d’anticiper sa position future : ils permettent donc l’interception de la proie ! Les informations issues des neurones descendants sont transmises simultanément vers les centres moteurs des ailes et permettent une adaptation indépendante des ailes avant et arrière. Ce fonctionnement intégré permet à la libellule une très grande réactivité lors d'un vol de chasse : la latence avant la réponse au mouvement de la proie très courte (25 ms pour les mouvements de la tête et seulement 30 ms pour les ailes) ! Pour comparaison, un humain moyen a un temps de réaction de 200 ms, soit 8 fois plus lent.
Les libellules, avec leur faible nombre de neurones, disposent d’une attention visuelle sélective. Elles peuvent concentrer leur attention sur un insecte précis au sein d’une nuée. Cela leur permet d’atteindre ces performances de rapidité avec une faible puissance de calcul, comparée à notre cortex visuel.
Le mécanisme de commande des ailes de la libellule est encore une fois très subtil : des organes particuliers sur leurs ailes joueraient le rôle de capteur de torsion de l’aile. Ces mécanorécepteurs génèrent des signaux qui, couplés aux inputs nerveux, permettent un contrôle fin des mouvements des ailes, donc du vol !
Les proies des libellules n’ont presque aucune chance : la synergie de toutes ces capacités fait des libellules les prédateurs au taux de succès de capture des proies le plus élevé connu, pouvant atteindre 95 % ! Cela avec une durée de vol moyenne avant la capture de la proie inférieure à 0,5 s ! A titre de comparaison, les grands félins, lors de la chasse en groupe, ont un taux de réussite de 30% en moyenne.
Ces systèmes neuronaux relativement simples et extrêmement économes en énergie qui permettent à la libellule de se concentrer sur une proie dans une environnement complexe sont bien sûr un modèle et une source d’idées pour améliorer les algorithmes biomimétiques de reconnaissance d’image : des thématiques brûlantes chez les concepteurs de véhicules autonomes et de drones bio-inspirés.
Un chasseur sachant chasser
Outre l'architecture de leurs ailes et de la sobriété de leur mécanisme neuronal, les libellules ont aussi développé des méthodes robustes adaptées à leur environnement.
Les libellules possèdent deux types de vol de prédation, en fonction des espèces :
les libellules de petites ou moyennes tailles sont des percheuses : elles attendent, posées sur une branche et observant le ciel, qu’une proie passe à leur portée avant de fondre sur elle.
les grandes libellules ont plus tendance à tourner dans le ciel (comme un rapace le ferait) et initient leur poursuite quand elles détectent une proie appropriée.
Comme si leurs ailes et leurs capacités de vol extraordinaires des libellules ne suffisaient pas, la poursuite de la proie se fait souvent dans leur angle mort, par derrière et en-dessous ! Leurs proies ne voient rien venir : les libellules sont des adeptes du camouflage en mouvement, qui réduit la capacité de leur proies à détecter qu’elles sont poursuivies ! Le principe du camouflage en mouvement est de maintenir le champ de vision de la proie le plus homogène possible. C'est par les changements brusques de couleur et de luminosité que la méfiance s'installe chez la proie. Si son champ de vision ne connait pas de variation brusque, elle n'a aucune raison de s'inquiéter, et se laisse cueillir d'autant plus facilement.
Pour atteindre cette performance, les libellules volent vers leurs proies en choisissant un chemin dont chaque point passe par une ligne imaginaire, tracée entre la position actuelle de la proie et la position initiale de la libellule.
Cette stratégie de poursuite particulière est terriblement efficace, permettant à la libellule un chemin de capture plus court qu’une poursuite classique, dans laquelle on foncerait directement en direction de la proie à chaque instant : le prédateur peut parfois capturer sa proie en ayant une vitesse plus faible que celle-ci ! La méthode de chasse de la libellule n’est pas sans inspirer de nombreux algorithmes biomimétiques de poursuite de cible.
Conclusion
Chez la libellule, rien n’est laissé au hasard : moustiques, taons et autres proies ne peuvent qu'espérer avoir un coup de chance ! Après cette lecture, si l’on vous demande d’imaginer le chasseur ultime, ne vous arrêtez donc pas aux lions ou aux orques et pensez à la libellule, bien plus performante !