Des centaines d’insectes affamés, un étudiant et une combinaison en mesh… Comment une série d’expériences aide à comprendre le vol des moustiques

Source: The Conversation – in French – By David Hu, Professor of Mechanical Engineering and Biology, Adjunct Professor of Physics, Georgia Institute of Technology

Derrière chaque piqûre se cache une mécanique précise : en suivant des moustiques à la trace, une équipe de chercheurs a mis au jour les lois qui gouvernent leur comportement.

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« Quatre minutes, c’est trop long ».

Voici le message que m’a envoyé Chris Zuo, étudiant de premier cycle, accompagné de photos montrant d’innombrables piqûres de moustiques sur sa peau nue. Ce massacre sur l’ensemble du corps n’était pas le résultat d’un camping qui aurait mal tourné. Il avait passé ce laps de temps limité dans une pièce contenant 100 moustiques affamés, vêtu uniquement d’une combinaison en mesh que nous pensions capable de le protéger.

C’est ainsi qu’a débuté notre enquête de trois ans pour comprendre le comportement d’un insecte d’une simplicité trompeuse : le moustique. Cela peut ressembler au plan sadique d’un professeur, mais en réalité, nous avons respecté toutes les procédures. Le comité d’éthique de notre université a approuvé le protocole, en s’assurant que Chris était en sécurité et qu’il n’était soumis à aucune pression. Les moustiques étaient exempts de maladies et provenaient de notre État, la Géorgie. Et cette séance a donné lieu aux premières — et dernières — piqûres reçues par qui que ce soit dans le cadre de l’étude.

En plus de mon rôle de tortionnaire pour étudiants, je suis auteur et professeur à Georgia Tech, avec plus de 20 ans d’expérience dans l’étude des déplacements des animaux.

Les moustiques sont l’animal le plus dangereux au monde. Les maladies qu’ils transmettent, du paludisme à la dengue, provoquent plus de 700 000 décès par an. Les moustiques ont causé plus de morts que les guerres.

Le monde dépense 19 milliards d’euros par an en milliards de litres d’insecticides, en millions de kilos de larvicides et en millions de moustiquaires imprégnées d’insecticide – le tout pour lutter contre un insecte minuscule qui pèse dix fois moins qu’un grain de riz et ne possède que 200 000 neurones.

Et pourtant, les humains sont en train de perdre la guerre contre les moustiques. Ces insectes évoluent pour prospérer en milieu urbain et propagent les maladies plus rapidement avec le changement climatique. Comment des animaux aussi simples peuvent-ils nous repérer avec une telle facilité ?

Les scientifiques savent que les moustiques ont une très mauvaise vue et qu’ils dépendent de signaux chimiques pour compenser. Mais savoir ce qui attire un moustique ne suffit pas à prédire son comportement. On peut savoir qu’un missile à guidage thermique est attiré par la chaleur sans pour autant comprendre comment il fonctionne.

C’est là qu’intervient Chris et son sacrifice dans la pièce infestée de moustiques. En suivant les trajectoires de nombreux moustiques autour de lui, nous espérions déterminer comment ils adaptent leurs décisions à sa présence. Comprendre la manière dont les moustiques réagissent aux humains constitue une première étape pour mieux les contrôler.

Comment les moustiques repèrent leur repas

Sur les 3 500 espèces de moustiques, plus de 100 sont dites anthropophiles, c’est-à-dire qu’elles préfèrent les humains comme source de nourriture. Certaines espèces sont capables de repérer une seule personne au milieu d’un troupeau entier de bovins pour aller lui sucer le sang.

C’est une prouesse, étant donné que les moustiques ne volent pas bien. Ils cessent de voler dès qu’il y a une légère brise de 3 à 5 km/h, soit une vitesse d’air comparable à celle générée par le balancement de la queue d’un cheval. Dans des conditions plus calmes, les moustiques utilisent leur cerveau minuscule pour suivre la chaleur, l’humidité et les odeurs humaines transportées par le vent.

Le dioxyde de carbone, sous-produit de la respiration de tous les êtres vivants, est particulièrement attractif. Les moustiques le détectent aussi facilement que vous percevez l’odeur d’une benne à ordures pleine, jusqu’à environ 9 mètres de leur hôte, là où les concentrations chutent à quelques parties par million, soit l’équivalent de quelques tasses de colorant dans une piscine olympique.

La vision des moustiques ne leur est pas très utile pour partir à la recherche de leur prochain repas. Leurs deux yeux comptent plusieurs centaines de petites lentilles individuelles appelées ommatidies, chacune large comme un cheveu humain. Elles produisent une image en mosaïque, légèrement floue, comme pixelisée. En raison des lois de l’optique, les moustiques ne peuvent distinguer un humain adulte qu’à quelques mètres de distance. Avec la seule vue, ils sont incapables de différencier un humain d’un petit arbre. Ils examinent donc chaque objet sombre.

Collecter des données sur les trajectoires de vol

La difficulté lorsqu’on étudie le vol des moustiques, c’est que, comme des enfants surexcités, la plupart de leurs mouvements n’ont pas vraiment de sens. Dans une pièce vide, les moustiques modifient très souvent leur vitesse et leur direction de façon complètement aléatoire. Il nous fallait donc de nombreuses trajectoires de vol pour faire émerger un signal au milieu de ce bruit.

L’un de nos collaborateurs, le biologiste de l’université de Californie à Riverside Ring Cardé, nous a expliqué que dans les années 1980, les scientifiques menaient des « études de piqûres » en se mettant en sous-vêtements et en écrasant les moustiques qui se posaient sur leur peau nue. Selon lui, la nudité permettait d’éviter des variables parasites, comme la couleur du tissu d’une chemise.

Chris et moi nous sommes regardés. S’asseoir nu et attendre de servir de proie aux moustiques ? Non… Nous avons plutôt conçu la combinaison en mesh que Chris portait initialement dans la pièce infestée. Mais après avoir vu ses piqûres, il nous fallait une meilleure solution.

À la place, Chris a choisi des vêtements à manches longues, qu’il a lavés avec une lessive sans parfum, et a enfilé gants et masque. Entièrement protégé, il n’avait plus qu’à rester debout et attendre, tandis qu’un nuage de moustiques tourbillonnait autour de lui.

Les Centers for Disease Control and Prevention (CDC) des États-Unis nous ont fait découvrir le Photonic Sentry, une caméra capable de suivre simultanément des centaines d’insectes en vol dans une pièce. Elle enregistre 100 images par seconde avec une résolution de 5 mm, dans un espace de la taille d’un grand studio. En seulement quelques heures, Chris et un autre doctorant, Soohwan Kim, ont produit plus de données sur le vol des moustiques que tout ce qui avait été mesuré auparavant dans l’histoire humaine.

Pour les mathématiciens, comme nos collaborateurs Jörn Dunkel, Chenyi Fei et Alex Cohen du MIT, la géométrie du corps de Chris reste trop complexe pour étudier les réactions des moustiques. Les mathématiciens excellent dans l’art de ramener les problèmes complexes à leur essence. Chenyi a donc suggéré d’épargner Chris : pourquoi ne pas le remplacer par un simple mannequin, une boule noire en polystyrène fixée sur un support, associée à une source de dioxyde de carbone ?

Au cours des deux années suivantes, Chris a filmé sans relâche les moustiques tournoyant autour de ces mannequins en polystyrène. Puis il les aspirait à l’aide d’un aspirateur, en essayant de ne pas se faire piquer.

Décrypter les trajectoires

Un moustique vole comme on pilote un avion : il tourne à gauche ou à droite, accélère ou freine. Nous avons d’abord caractérisé son comportement de vol en fonction de sa vitesse, de sa position et de sa direction par rapport à la cible, première étape pour construire notre modèle.

Notre confiance dans ces règles de comportement s’est renforcée à mesure que nous analysions davantage de trajectoires, jusqu’à exploiter 20 millions de données concernant les positions et les vitesses des moustiques. Cette idée consistant à intégrer des observations pour étayer une hypothèse mathématique remonte à 200 ans et porte le nom d’inférence bayésienne. Nous avons ensuite illustré le comportement des moustiques observé à l’aide d’une application web.

Grâce à notre modèle, nous avons montré que différents types de cibles modifient le vol des moustiques. Les cibles visuelles provoquent des survols, où les moustiques passent à proximité avant de continuer leur route. Le dioxyde de carbone entraîne des hésitations, les moustiques ralentissant à proximité de la cible. La combinaison d’un signal visuel et de dioxyde de carbone génère des trajectoires orbitales à grande vitesse.

Jusqu’à présent, nous avions uniquement utilisé des expériences avec des sphères en polystyrène pour entraîner notre modèle. Le véritable test consistait à voir s’il pouvait prédire le vol des moustiques autour d’un humain. Chris est retourné dans la chambre, cette fois vêtu de blanc et coiffé d’un chapeau noir, se transformant en véritable cible. Notre modèle a correctement prédit la répartition des moustiques autour de lui. Nous avons ainsi identifié des zones à risque, où la probabilité de voir des moustiques tournoyer autour de lui était élevée.

Prédire le comportement des moustiques constitue une première étape pour les déjouer. Dans les zones infestées, on conçoit par exemple des maisons dotées de dispositifs empêchant les moustiques de suivre les signaux humains et d’entrer. De même, les pièges à moustiques aspirent les insectes lorsqu’ils s’approchent trop près, mais laissent encore s’échapper entre 50 % et 90 % d’entre eux. Beaucoup de ces dispositifs reposent encore sur des essais empiriques. Nous espérons que notre étude fournira un outil plus précis pour concevoir des méthodes de capture ou de dissuasion.

Lorsque la mère de Chris a assisté à sa soutenance de master, je lui ai demandé ce qu’elle pensait du fait que son fils se soit proposé comme appât pour les moustiques. Elle m’a répondu qu’elle en était très fière. Moi aussi — et pas seulement parce que je suis soulagé que Chris ne m’ait jamais demandé de prendre sa place dans la chambre infestée de moustiques.

David Hu ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d’une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n’a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.

– ref. Des centaines d’insectes affamés, un étudiant et une combinaison en mesh… Comment une série d’expériences aide à comprendre le vol des moustiques – https://theconversation.com/des-centaines-dinsectes-affames-un-etudiant-et-une-combinaison-en-mesh-comment-une-serie-dexperiences-aide-a-comprendre-le-vol-des-moustiques-278902