Fréquence des battements d'oiseaux, d'insectes, de chauves-souris et de baleines prédite avec uniquement la masse corporelle et la surface des ailes

Une seule équation universelle peut se rapprocher de la fréquence des battements d'ailes et des coups de nageoires effectués par les oiseaux, les insectes, les chauves-souris et les baleines, malgré leurs différentes tailles corporelles et formes d'ailes, rapportent Jens Højgaard Jensen et ses collègues de l'Université de Roskilde au Danemark dans une nouvelle étude publiée dans PLOS UN le 5 juin.

La capacité de voler a évolué indépendamment chez de nombreux groupes d’animaux différents. Pour minimiser l'énergie nécessaire pour voler, les biologistes s'attendent à ce que la fréquence à laquelle les animaux battent des ailes soit déterminée par la fréquence de résonance naturelle de l'aile. Cependant, trouver une description mathématique universelle du vol battu s’est révélé difficile.

Les chercheurs ont utilisé l’analyse dimensionnelle pour calculer une équation décrivant la fréquence des battements d’ailes des oiseaux volants, des insectes et des chauves-souris, ainsi que les battements de nageoires des animaux plongeurs, notamment les manchots et les baleines.

Ils ont découvert que les animaux volants et plongeurs battent leurs ailes ou leurs nageoires à une fréquence proportionnelle à la racine carrée de leur masse corporelle, divisée par la surface de leurs ailes. Ils ont testé l’exactitude de l’équation en comparant ses prédictions aux données publiées sur les fréquences de battements d’ailes des abeilles, des papillons de nuit, des libellules, des coléoptères, des moustiques, des chauves-souris et des oiseaux allant des colibris aux cygnes.

Les chercheurs ont également comparé les prédictions de l'équation aux données publiées sur la fréquence des coups de nageoires des manchots et de plusieurs espèces de baleines, notamment les baleines à bosse et les baleines à bec communes.

La relation entre la masse corporelle, la surface des ailes et la fréquence des battements d'ailes montre peu de variation entre les animaux volants et plongeurs, malgré d'énormes différences dans leur taille corporelle, la forme de leurs ailes et leur histoire évolutive, ont-ils découvert.

Enfin, ils ont estimé qu'un ptérosaure disparu (Quetzalcoatlus northropi), le plus grand animal volant connu, battait ses ailes de 10 mètres carrés à une fréquence de 0,7 hertz.

L'étude montre que malgré d'énormes différences physiques, des animaux aussi distincts que les papillons et les chauves-souris ont développé une relation relativement constante entre la masse corporelle, la surface des ailes et la fréquence des battements d'ailes.

Les chercheurs notent que pour les animaux nageurs, ils n'ont pas trouvé de publications contenant toutes les informations requises ; les données de différentes publications ont été rassemblées pour effectuer des comparaisons et, dans certains cas, la densité animale a été estimée sur la base d'autres informations.

De plus, des animaux extrêmement petits – plus petits que tous ceux encore découverts – ne rentreraient probablement pas dans l’équation, car la physique de la dynamique des fluides change à une si petite échelle. Cela pourrait avoir des implications à l’avenir pour les nanobots volants.

Les auteurs affirment que l’équation est l’explication mathématique la plus simple qui décrit avec précision les battements d’ailes et les coups de nageoires dans le règne animal.

Les auteurs ajoutent : « Avec une fréquence de battements d'ailes et de nageoires d'un facteur presque 10 000, les données de 414 animaux, depuis la baleine bleue jusqu'aux moustiques, suivent la même ligne. En tant que physiciens, nous avons été surpris de voir à quel point notre simple prédiction de la La formule des battements d’ailes fonctionne pour une collection d’animaux aussi diversifiée. »