Pheromone transport in multiscale pectinate antennae

Transfert de phéromone au sein des antennes pectinées multi-échelles Chez de nombreuses espèces de papillons, les adultes femelles relâchent d’infimes quantités de phéromones sexuelles pour attirer les mâles. Ces quantités sont de l’ordre de la dizaine de nanogrammes et les mâles peuvent les détecter à plusieurs centaines de mètres. Les mâles doivent donc être capables de sentir des concentrations de phéromone très faibles. Cette fonction olfactive est réalisée par les antennes et une des étapes critiques est la capture des molécules dans l’air. C’est un problème de transport de masse qui dépend étroitement de la forme de l’antenne. Une des formes les plus spectaculaires est l’antenne pectinée qui se retrouve dans plusieurs familles de papillons. Ce type d’antenne est aussi considéré plus efficace que les antennes cylindriques pour détecter les phéromones. Nous avons étudié comment la forme des antennes pectinées influence leur efficacité pour capturer les phéromones et nous nous sommes concentrés sur une espèce, Samia cynthia.Une antenne pectinée est un objet multi-échelle. Elle fait 1cm de long et est composée d’une branche principale, le flagellum, qui porte des branches secondaires, les ramis. Chaque rami porte de nombreux poils, les sensilles, qui font 150µm de long et 3µm de diamètre. Les dimensions caractéristiques de l’antenne couvrent donc 4 ordres de grandeur, ce qui rend l’étude des antennes difficile.Pour simplifier le problème, nous avons décomposé l’antenne en deux niveaux : la macrostructure, composée du flagellum et des ramis, et la microstructure, composée d’un rami et de sensilles qu’il porte. Chaque structure a été agrandie et construite par impression 3D. La construction des ramis et des sensilles, qui sont de longs et fins cylindres, a été un challenge.Les antennes pectinées sont des objets perméables, ainsi que les macro- et micro- structures. Ainsi, le flux d’air passe en partie à travers de tels objets et est en partie dévié. La perméabilité est la proportion du flux passant à travers l’objet. Ce paramètre est important car il détermine un limite haute de ce que peut capture l’antenne : les molécules du flux d’air dévié ne peuvent pas être capturées. Nous avons expérimentalement mesuré, par Vélocimétrie à Image de Particule, la perméabilité des macro- et micro- structures à différentes vitesses rencontrées par le papillon dans la nature.Nous avons ensuite calculé la capture de phéromone et l’efficacité de la microstructure en adaptant un modèle de transfert de chaleur à notre problème de transfert de masse. Nous avons montré que l’orientation longitudinale des sensilles est suffisante pour expliquer le phénomène de lentille olfactive qui dit que la partie distale de la sensille capture plus de molécules que la partie basale. Nous avons montré que l’efficacité de l’antenne est limitée par la perméabilité, qui augmente avec la vitesse de l’air, et par la capture locale, qui est la proportion de molécules capturée dans le flux passant à travers l’antenne et qui décroît avec la vitesse. Au final, la microstructure n’a pas un maximum d’efficacité autour d’une valeur de vitesse d’air mais elle est plutôt modérément efficace sur la large plage de vitesses d’air rencontrées par le papillon.Nous avons développé une méthode par le biais de simulations FEM pour combiner les deux niveaux (la macro- et la micro- structures). Cette méthode est basée sur la relation entre le traînée et la perméabilité et nous a permis de déterminer la perméabilité de l’antenne entière. Nous avons ensuite calculé l’efficacité d’une antenne pectinée et l’avons comparée à celle d’une antenne cylindrique. Nous avons trouvé que l’antenne pectinée est une bonne solution pour fortement augmenter la surface de contact entre l’air et l’antenne tout en maintenant une bonne efficacité de capture aux vitesses d’air rencontrées par le papillon.