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Les nombres premiers protègent les cigales de Brood X de tout sauf du champignon zombie

Après avoir passé 17 ans sous terre, des trillions de cigales émergeront ce printemps pour faire grincer leurs chants d’accouplement et jeter les troncs d’arbres avec leur étrange peau mue.

C’est assez étrange que Brood X, comme on l’appelle cet énorme afflux de cigales, parvienne d’une manière ou d’une autre à émerger toutes en même temps après près de deux décennies sous le sol. Ce qui est encore plus étrange, c’est que les cigales peuvent utiliser les mathématiques pour se protéger des prédateurs – enfin, la plupart des prédateurs. Peu importe ce que font ces cigales, elles sont toujours sensibles à un champignon qui les transforme en zombies avec des fesses en désintégration.

Si cela semble beaucoup, eh bien… ça l’est. Il s’avère que l’émergence des cigales attendue en mai est une histoire englobant l’évolution, les mathématiques et quelques parasites très graves.

Il existe de nombreuses espèces de cigales, toutes avec des cycles de vie qui se produisent en partie sous terre et en partie au-dessus du sol. Certaines espèces émergent chaque année, d’autres toutes les quelques années. Mais alors il y a sept espèces de vrais cigales: les cigales périodiques, qui ont toutes des modèles d’émergence de 13 ans ou 17 ans. Ces cigales périodiques sont une espèce bien-aimée des entomologistes et des mathématiciens, car ce n’est peut-être pas un hasard si 13 et 17 sont des nombres premiers.

Mathématiques des bogues

Les cigales périodiques sont classées en couvées étiquetées par des chiffres romains, en fonction de l’endroit où elles émergent et de la durée de leur cycle de vie. Certains se produisent dans des régions relativement petites. Brood I, par exemple, sort en Virginie et en Virginie-Occidentale tous les 17 ans.

La couvée qui devrait émerger cette année, cependant, est un gros problème. Brood X, également connue sous le nom de «Great Eastern Brood», a vu le jour pour la dernière fois en 2004. Les membres de cette couvée habitent le district de Columbia et 15 États: Delaware, Géorgie, Illinois, Indiana, Kentucky, Maryland, Michigan, New Jersey, New York , Caroline du Nord, Ohio, Pennsylvanie, Tennessee, Virginie et Virginie-Occidentale.

Le cycle de vie périodique des cigales commence dans les arbres. Les parents pondent des œufs dans les branches des arbres. La jeune éclosion, alors « une sorte de commando descendant et s’enfouissant jusqu’aux racines », a déclaré Joe Ballenger, entomologiste et doctorant à l’Université du Wyoming. Là, ils se nourrissent de la sève des arbres «jusqu’à ce qu’ils soient en gros assez vieux pour conduire».

Bizarrement, les jeunes pousses se développent sous terre à des rythmes différents, a déclaré Ballenger à 45Secondes.fr. Si une personne cherchait des nymphes de cigales une décennie après que la couvée soit allée sous terre, elle trouverait des nymphes de différentes tailles et à différents stades de développement. En 16e année, cependant, toutes les nymphes de cigales seraient au même stade. D’une manière ou d’une autre – et personne ne sait comment – les développeurs les plus rapides savent attendre et les rattrapages les plus lents.

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À 17 ans, les choses deviennent passionnantes. Lorsque le sol se réchauffe à 64 degrés Fahrenheit (17,8 degrés Celsius), les cigales creusent hors de la terre, muent puis se déplacent à la recherche de partenaires. Le résultat est spectaculaire: des carapaces mues collées à tout, des cris hurlants remplissant l’air, des insectes volants maladroitement tombant directement sur des passants innocents. Enfant dans l’Iowa, Ballenger a déjà vu un cerf couvert de cigales simplement parce que les insectes étaient partout et pas particulièrement pointilleux sur l’endroit où ils se perchaient.

Le nombre écrasant de cigales émergeant à la fois est protecteur. C’est une stratégie appelée satiété des prédateurs. Fondamentalement, les oiseaux et autres prédateurs peuvent abattre autant de cigales qu’ils le souhaitent, et cela n’a vraiment pas d’importance; il y en a tellement que les insectes pourront encore se reproduire en grand nombre.

Un long intervalle de récurrence peut également contrecarrer les prédateurs. Par exemple, les plus vieux merles dans la nature ont généralement environ 5 ou 6 ans. Cela signifie qu’une cigale de 17 ans est quelque chose dont une grand-mère rouge-gorge pourrait régaler ses petits-poussins, mais ces petits-poussins peuvent vivre et mourir sans voir un tel festin.

En d’autres termes, les aubaines de cigales sont si rares que les merles ne peuvent pas vraiment évoluer pour en profiter. Il en va de même pour d’autres prédateurs, y compris certaines guêpes prédatrices qui capturent les cigales, les paralysent et pondent leurs œufs à l’intérieur. Les guêpes ne produisent qu’un nombre limité d’œufs, a déclaré Ballenger à 45Secondes.fr, et les émergences de cigales sont si inhabituelles que les guêpes ne peuvent pas simplement évoluer pour produire plus d’œufs ces années-là.

Mais la récurrence des émergences de cigales sur 13 et 17 ans peut être une stratégie encore plus judicieuse. 13 et 17 sont des nombres premiers, ce qui signifie qu’ils ne sont divisibles que par 1 et eux-mêmes. Cela signifie que les émergences se chevauchent rarement avec les cycles des populations de prédateurs qui se produisent à des intervalles plus courts. Par exemple, si les cigales émergeaient tous les 10 ans, elles seraient sensibles aux prédateurs dont la population explosait selon un cycle d’un, deux, cinq ou 10 ans. S’ils sortaient tous les 12 ans, ils seraient une collation savoureuse pour tout prédateur sur un cycle d’un, deux, trois, quatre, six ou 12 ans. Treize ans, cependant? Seulement un et 13. Il en va de même pour un cycle de 17 ans.

Glenn Webb, mathématicien biologique à l’Université Vanderbilt dans le Tennessee, a fait une modélisation mathématique qui suggère que si les cigales périodiques n’utilisaient pas de cycles de nombres premiers, elles chuteraient considérablement en nombre ou s’éteindraient. Dans un article publié en 2001 dans le journal Systèmes dynamiques discrets et continus, Webb a comparé la survie dans des cycles allant de 10 à 18 ans. Les cycles de 13 et 17 ans ont donné les meilleurs résultats, donnant une population stable. Les autres options de cycle ont conduit à des déclins, et les cycles de 10, 12 et 18 ans ont conduit à des pertes de population dramatiques, voire à l’extinction.

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Tout le monde n’est pas d’accord pour dire que ces modèles sont corrects, a déclaré Webb à 45Secondes.fr, mais d’après ses calculs, les cycles de prédateurs se produisant tous les deux à trois ans semblent faire une grande différence dans la survie des cigales.

«C’est une controverse», a-t-il déclaré. « Et je ne sais pas quand ce sera réglé, car ce n’est pas facile de mener des expériences ou de collecter des données. »

Surpasser les humains, tomber aux champignons

Le défi est que les longs cycles de vie des cigales périodiques ne correspondent pas très bien à la vie des scientifiques humains. La plupart des doctorants sont dans la fin de la vingtaine ou de la trentaine au moment où ils terminent leurs programmes, et beaucoup doivent continuer à travailler dans le laboratoire de quelqu’un d’autre en tant que chercheurs postdoctoraux. Un entomologiste épris de cigales peut avoir 40 ans au moment où il met sur pied son propre programme de recherche sur les études périodiques sur les cigales. Disons qu’un chercheur de 40 ans étudie sa première émergence de Brood X cette année. Ils auront 57 ans la prochaine fois que les bugs surviendront afin qu’ils puissent collecter leur deuxième série de données et ensuite… drat, 74 ans et probablement bien en retraite. Ce n’est pas un calendrier qui fonctionne bien dans le modèle «publier ou périr» du monde universitaire.

Ainsi, de nombreuses études sur les cigales sont des projets parallèles non financés, a déclaré Ballenger. « Le fait que nous ne puissions pas en savoir beaucoup sur eux crée beaucoup de mystère », a-t-il déclaré.

Alors peut-être que les cigales utilisent des nombres premiers pour se protéger, ou peut-être qu’elles ne le font pas. Mais il y a un prédateur qu’ils ne déjouent certainement pas avec les mathématiques: un groupe de champignons appelé Massospora.

Massospora est vraiment effrayant. Les spores au repos des champignons infectent les cigales lorsqu’elles s’enfoncent hors du sol au début du printemps. Les cigales infectées semblent normales au début, mais le champignon colonise rapidement leurs extrémités dorsales, le transformant en une masse de spores (d’où le nom). Les cigales ne meurent pas, cependant, a déclaré Brian Lovett, un chercheur postdoctoral à l’Université de Virginie-Occidentale qui étudie les champignons destructeurs d’insectes. Au lieu de cela, ils continuent de se déplacer, laissant tomber de nouvelles spores partout où ils vont.

«Nous les décrirons dans notre laboratoire comme des salières volantes de la mort», a déclaré Lovett à 45Secondes.fr.

Une cigale Brood IX (une cigale de 17 ans qui émerge en Virginie, Virginie-Occidentale et Caroline du Nord) infectée par le champignon Massospora.

Une cigale Brood IX (une cigale de 17 ans qui émerge en Virginie, Virginie-Occidentale et Caroline du Nord) infectée par le champignon Massospora. La moitié arrière de l’insecte a été remplacée par des spores fongiques. (Crédit d’image: Brian Lovett, WVU)

Le champignon dose les cigales infectées avec une amphétamine appelée cathinone, qui se trouve également dans la plante de khat. Ce composé est probablement fabriqué par le champignon lui-même (bien que les chercheurs ne soient pas sûrs que le champignon puisse inciter les cigales à fabriquer la substance) et semble garder les insectes suffisamment alertes pour continuer à bouger même lorsque leurs extrémités arrière se dissolvent. Le champignon a également un effet étrange sur les cigales mâles qu’il infecte: au lieu de voler et d’appeler des partenaires, les cigales mâles commencent à agir comme des femelles, agitant leurs ailes d’une manière qui indique qu’elles sont réceptives à un mâle amoureux.

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« Depuis que la moitié arrière du corps a été infectée par des spores, au lieu de s’accoupler avec les cigales [the approaching males] être infecté par le champignon », a déclaré Lovett.

Il est possible que le champignon produise un composé qui active ce comportement féminin, a déclaré Lovett. Il est également possible que ce ne soit qu’un effet secondaire de la désintégration des organes reproducteurs du mâle qui profite également au champignon.

Massospora n’infecte pas seulement les cigales périodiques; ils aiment aussi les cigales annuelles. Cela signifie qu’ils ne sont pas dissuadés par des cycles de 13 ou 17 ans. Ces énormes bosses de population de cigales sont une aubaine pour les champignons, a déclaré Lovett, et une proportion importante de la population de cigales est probablement infectée d’ici la fin de la saison. Cependant, la satiété des prédateurs est toujours d’actualité. Il y a tellement plus de cigales que les spores pourraient infecter avant la fin de la saison des amours que le nombre global de cigales reste élevé.

Lovett et ses collègues travaillent sur le séquençage génétique des espèces de Massospora pour comprendre comment elles sont liées et comment elles ont co-évolué avec leurs hôtes cigales. Ils essaient également de déterminer si et comment le champignon produit l’amphétamine et les changements de comportement chez les cigales mâles. Parce que les champignons infectent commodément les cigales qui émergent chaque année, il est plus facile d’enquêter sur ces questions. Brood X, en revanche, pourrait conserver ses mystères dans le futur.

« Je pense que la question sera intéressante dans 100 ans », a déclaré Webb.

Publié à l’origine sur 45Secondes.fr.

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