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Thèse Année : 2019

Capture of viscous fluids in living organisms

Capture de fluides visqueux par les organismes vivants

Résumé

During evolution, various and sometimes surprising methods have been developed by animals to ingest liquids. A compendium of drinking strategies encountered in animal realm is compiled in the review of Kim and Bush. They emphasize that animals adapt their method to their size and the properties of the fluid to be ingested. Gravitational, viscous, capillary, and inertial forces thus balance to determine the rate and volume of captured fluid. For most insects and other tiny animals, beyond the action of muscles, capillary and viscous forces are dominant. Interestingly, viscous forces both facilitate fluid capture (e.g., drag in viscous dipping) or hinder it (e.g., dissipation in capillary filling of tubes). While viscosity of water is relatively low, plant secretions like nectar can show variable and high viscosity challenging the food intake strategy of the floral visitors. Kim et al. propose two main mechanisms to describe the capture of nectar by various animals, including bees, hummingbirds, butterflies and bats. The first one is related to suction through the action of capillary forces or muscles, the second one being based on viscous dipping. To theoretically estimate the evolution of ingestion rates with nectar viscosities, they proposed a reasonable hypothesis: the animals capture the fluid with a constant power. This assumption yields scaling laws for the flow rates (i.e., Q ∝ η−1/2 for suction and Q ∝ η−1/6 for viscous dipping, η being the nectar viscosity), that qualitatively fit the compiled experimental data found in the literature. It should be noted however that the leading hypothesis of constant retraction power is not supported by any experimental observations in the literature. Last but not least, they assimilated animals’ tongues to simple tubes or smooth rods, the micro-structures such as hairy papillae, that decorate the tongues of bees and bats, being discarded. While several works in the literature discuss the capture of nectar by bees, the true influence of the micro-structures of the tongue is still questioned and a physical model describing quantitatively the fluid capture by nectarivores remains to be designed. In this thesis, we will address these specific problems by studying in detail the collection of nectars by two archetypal species, bumblebees and hummingbirds. While both developed a back and forth movement of the tongue to capture nectar, the morphologies of their glossa are totally different. The studied bumblebees possess a tongue decorated with very elongated papillae forming a hairy coating surrounding a rod-like main stalk. The hummingbirds’ tongues are made from two thin flexible sheets that self-assemble to form tubes. Our work is based on the analysis of videos of living animals ingesting nectars of various viscosities combined to a physical approach through detailed study of different model systems. For bumblebees, the viscous dipping for smooth and structured rods were investigated. In contrast, the feeding of hummingbirds relies on an elasto-capillary mechanism. During the retraction of the tongue from the nectar, the capillary forces help to close the tubes by bending the flexible sheets which trap the nectar. The quantitative comparison of biological data with predictions of the physical models allows us to derive a novel perspective about nectar capture.
Au cours de l'évolution, des méthodes diverses et parfois surprenantes ont été développées par les animaux pour ingérer des liquides. Un condensé des stratégies de consommation rencontrées dans le domaine animal est compilé dans la revue de Kim et Bush. Ils soulignent que les animaux adaptent leur méthode à leur taille et aux propriétés du fluide à ingérer. Les forces gravitationnelles, visqueuses, capillaires et inertielles s'équilibrent ainsi pour déterminer le débit et le volume de fluide capturé. Pour la plupart des insectes et autres petits animaux, au-delà de l'action des muscles, les forces capillaires et visqueuses sont dominantes. Fait intéressant, les forces visqueuses facilitent à la fois la capture de fluide (par exemple, la traînée dans l'entraînement visqueux) ou l'entravent (par exemple, la dissipation dans le remplissage capillaire des tubes). Alors que la viscosité de l'eau est relativement faible, les sécrétions végétales comme le nectar peuvent montrer une viscosité variable et élevée, ce qui remet en question la stratégie d'alimentation des visiteurs floraux. Kim et al. proposent deux mécanismes principaux pour décrire la capture de nectar par divers animaux, dont les abeilles, les colibris, les papillons et les chauves-souris. Le premier est lié à l'aspiration par l'action de forces capillaires ou musculaires, le second étant basé sur un trempage visqueux. Pour estimer théoriquement l'évolution des taux d'ingestion avec les viscosités du nectar, ils ont proposé une hypothèse raisonnable: les animaux capturent le fluide avec une puissance constante. Cette hypothèse donne des lois d'échelle pour les débits (c.-à-d. Q ∝ η − 1/2 pour l'aspiration et Q ∝ η − 1/6 pour l'entraînement visqueux, η étant la viscosité du nectar), qui correspondent qualitativement aux données expérimentales trouvées dans la littérature. Il convient de noter cependant que l'hypothèse principale de puissance de rétraction constante n'est étayée par aucune observation expérimentale dans la littérature. Enfin, ils ont assimilé les langues des animaux à de simples tubes ou à des bâtonnets lisses, les micro-structures telles que les papilles velues, qui ornent les langues des abeilles et des chauves-souris, étant jetées. Si plusieurs ouvrages de la littérature discutent de la capture du nectar par les abeilles, la véritable influence des micro-structures de la langue est encore remise en question et un modèle physique décrivant quantitativement la capture de fluide par les nectarivores reste à concevoir. Dans cette thèse, nous aborderons ces problèmes spécifiques en étudiant en détail la collecte de nectars par deux espèces archétypales, les bourdons et les colibris. Alors que les deux ont développé un mouvement de va-et-vient de la langue pour capturer le nectar, les morphologies de leur langue sont totalement différentes. Les bourdons étudiés possèdent une langue ornée de papilles très allongées formant un revêtement poilu entourant une tige principale en forme de tige. Les langues des colibris sont constituées elles de deux fines feuilles flexibles qui s’auto-assemblent pour former des tubes. Notre travail est basé sur l'analyse de vidéos d'animaux vivants ingérant des nectars de différentes viscosités combinées à une approche physique à travers l'étude détaillée de différents systèmes modèles. Pour les bourdons, l'entraînement visqueux pour les tiges lisses et structurées a été étudié. En revanche, l'alimentation des colibris repose sur un mécanisme élasto-capillaire. Lors de la rétraction de la langue du nectar, les forces capillaires aident à fermer les tubes en pliant les feuilles souples qui emprisonnent le nectar. La comparaison quantitative des données biologiques avec les prédictions des modèles physiques nous permet de dégager une nouvelle perspective sur la capture du nectar.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-03170060 , version 1 (15-03-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03170060 , version 1

Citer

Amandine Lechantre. Capture of viscous fluids in living organisms. Fluid mechanics [physics.class-ph]. Université de Mons (UMONS), 2019. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03170060⟩
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