La capacité des étoiles de mer à se déplacer sur quasiment toutes les surfaces avec une grande dextérité dépendraient du temps d’adhérence de leurs pieds (ou podia) plutôt que de leur taille ou de leur poids, selon une étude. Alors que la vitesse de locomotion et l’amplitude de mouvement dépendent du poids chez la plupart des animaux, les étoiles de mer s’adapteraient en fonction des exigences mécaniques de leurs environnements et ce, à l’aide d’un contrôle nerveux décentralisé.
Les étoiles de mer peuvent vivre dans une grande diversité d’environnements allant de petites mares de marée peu profondes aux eaux profondes continentales. Leur capacité de locomotion leur permet de coloniser des environnements variés. Elles peuvent se déplacer sur quasiment toutes les surfaces, qu’elles soient horizontales, verticales ou même inversées, et sur des substrats rocheux, herbeux et vitreux — et ce malgré une grande diversité de tailles allant de quelques grammes à plusieurs kilogrammes.
Cette habileté repose principalement sur leur capacité à maintenir leur face ventrale (là où se trouve leur bouche) en contact avec le substrat. Cette face est notamment recouverte de rangées de pieds ambulacraires hydrauliques, ou podia, facilitant l’adhérence aux surfaces. Ces petits pieds tubulaires se mettent en mouvement grâce à la pression hydraulique et agissent comme des ventouses pour s’accrocher ou ramper.
Si les podia sont bien caractérisés d’un point de vue mécanique et morphologique, les mécanismes par lesquels leurs mouvements sont coordonnés et adaptés en fonction des besoins de l’animal demeurent incompris. Une question fondamentale subsiste : la coordination des podia est-elle principalement opérée par un activateur de rythme central, ou résulte-t-elle d’un contrôle décentralisé et d’un couplage biomécanique passif entre les podia de l’étoile de mer ?
Les podia de l’étoile de mer commune (Asterias rubens). © UMONSUne équipe multidisciplinaire de l’Université de Mons (UMONS), en Belgique, a exploré la question en étudiant la manière dont les étoiles de mer parviennent à se déplacer efficacement sur des surfaces variées malgré une grande différence de taille et de poids. Les résultats pourraient ouvrir la voie à des applications en robotique et en biomécanique, ainsi que le développement de matériaux adhésifs biomimétiques.
« Étudier la locomotion des étoiles de mer, c’est aussi apprendre comment la nature résout des problèmes d’ingénierie complexes avec des solutions élégantes et robustes », indique dans un communiqué de l’UMONS, Amandine Deridoux, l’auteure principale de l’étude.
Une vitesse dépendante du temps d’adhérence des podia
Les chercheurs de l’étude ont effectué différentes expériences de locomotion sur l’étoile de mer commune (Asterias rubens) et mesuré leurs forces d’adhésion à l’aide d’analyses d’images à haute résolution et de modèles physiques. Afin d’observer les mouvements des podia avec précision, l’équipe a utilisé une plateforme en verre réfractive spécialisée, couramment utilisée pour imager les mouvements des pattes d’insectes. La réfraction de la lumière de la plateforme changeait à chaque fois qu’un podia entrait en contact avec celle-ci, offrant un indicateur précis des mouvements de l’étoile de mer.
Les résultats ont révélé que la vitesse à laquelle les étoiles de mer se déplaçaient ne dépendait pas du nombre de podia en contact avec la surface. Autrement dit, les animaux se déplaçaient au même rythme quel que soit le nombre de podia en contact avec le substrat. Cette vitesse dépendait en revanche du temps pendant lequel chaque podia adhérait à la surface. Plus ce temps d’adhérence était court, plus l’étoile de mer se déplaçait rapidement.
Cette capacité à adapter le temps d’adhésion des pieds confèrerait à l’animal une locomotion particulièrement efficace et pouvant s’adapter à d’importantes variations de masse corporelle et de conditions environnementales. « Les étoiles de mer ne compensent pas leur poids en multipliant les points d’appui. Elles modulent la dynamique d’adhésion de leurs pieds, de manière collective et adaptative, ce qui leur permet de conserver une efficacité de déplacement étonnante », explique Sylvain Gabriele, professeur à l’UMONS et coordinateur de l’étude.
Un système de contrôle décentralisé
Ces résultats suggèrent que l’étoile de mer régule le mouvement de ses podia non pas par le biais d’un système neuronal centralisé, mais plutôt en modifiant la durée de contact en fonction de la charge mécanique par le biais d’un contrôle décentralisé.
Pour confirmer ces observations, les chercheurs ont effectué une autre expérience consistant à faire porter de petits sacs à dos lestés (25 ou 50 % du poids total des animaux) aux étoiles de mer et évaluer comment le poids supplémentaire pouvait affecter leur locomotion. La charge supplémentaire augmentait significativement le temps d’adhérence des podia.
Une étoile de mer chargée d’un petit sac à dos lestés dans le cadre d’une des expériences de l’étude. © UMONS« Ensemble, nos résultats démontrent que les étoiles de mer adaptent leur locomotion aux exigences mécaniques changeantes en modulant les interactions entre le pied ambulacraire et le substrat, révélant une stratégie robuste et décentralisée pour naviguer sur des terrains divers et difficiles », écrivent les chercheurs dans leur étude publiée dans la revue PNAS.
Ces observations ouvrent des perspectives intéressantes dans différents domaines de recherche. L’efficacité de mouvement élevée malgré les contraintes variables pourrait par exemple inspirer le développement de robots capables de se déplacer sur des surfaces difficiles, de nouveaux matériaux adhésifs intelligents ou encore des systèmes biomécaniques polyvalents.