I love bugs. I think of them as nature’s tiny engineers because they come up with the most extraordinary and incredible solutions to life’s problems. And I just love observing them because they're so full of surprises and curiosities.
J’adore les insectes. À mes yeux, ce sont les ingénieurs de la nature, car ils ont les solutions les plus extraordinaires et incroyables aux problèmes de la vie. J’adore les observer, car ils sont plein de surprises et d’étrangetés.
During my career, I studied spiders that use their webs as a slingshot to capture prey deep in the Amazon rainforest, worms that tangle up with each other and form knots to form these shape-shifting blobs to survive in harsh environments such as sewers and caves, and tiny aquatic beetles that bring their own scuba gear when they dive, on their butts.
J’ai observé des araignées qui utilisent leur toile comme lance-pierre pour emprisonner leurs proies, dans la forêt amazonienne. Des vers qui s’intriquent pour former des nœuds puis des boules à la surface changeante afin de survivre aux environnements rudes comme les égouts ou les grottes et des minuscules coccinelles qui ont leur propre équipement de plongée sur leurs fesses.
But today, I'm going to tell you a story about one of nature's most extraordinary engineers that pushes the limits of fluid mechanics and bioengineering and, arguably, solves their number one problem -- how insects pee.
Mais aujourd’hui, j’aimerais vous parler des ingénieurs de la nature les plus extraordinaires qui repoussent les limites de la mécanique des fluides et de la bio-ingénierie, et qui résolvent leur plus grand problème, on peut l’avancer sans se tromper : comment les insectes urinent.
A few years ago, my student, Elio Challita, and I observed this tiny insect having a private moment in our own backyards in Atlanta, and we couldn't believe our eyes. This insect was peeing for hours, and it was so quick we could barely see it. And we were blown away -- we had never seen anything like this. We had never seen an insect pee.
Il y a quelques années, avec mon étudiant, Elio Challita, nous avons observé ce petit insecte soulager un petit besoin dans notre jardin à Atlanta, et on n’en croyait pas nos yeux. Cet insecte urinait, pendant des heures. Ce fut si rapide qu’on peut à peine le voir. On était époustouflés, on n’avait jamais rien vu de tel. On n’avait jamais vu un insecte faire pipi.
So today, I'm going to tell you how insects pee, why they pee so much and in this way, and finally, why you should care about insect pee.
Je vais donc vous expliquer comment ils font, pourquoi ils urinent autant et de cette façon, et pourquoi cela devrait nous intéresser de savoir comment les insectes urinent.
(Laughter)
Asseyez-vous et relaxez-vous, ça va être cool.
So sit back and relax -- you're in for a treat.
(Laughter and applause)
(Rires) (Applaudissements)
(Laughs) So one of the first things we had to discuss is "Wait a second -- insects pee?" And it turns out that almost all insects pee, in one form or another. It's a closed system -- what goes in must come out.
(Rit) La première chose à clarifier est la suivante : Une minute papillon ! Les insectes font pipi ? En fait, presque tous les insectes sont concernés, d’une façon ou d’une autre. C’est un système clos : ce qui entre doit sortir.
But the protagonist of today's story, Homalodisca vitripennis, or a glassy-winged sharpshooter -- isn't it gorgeous? You can see where it gets its name from, it's got these transparent wings. This insect specializes in feeding on xylem fluid from plants. It’s a sapsucker. But I think of it as a plant's mosquito. And just after a mosquito sucks your blood, it leaves behind a parting gift -- so do these sharpshooters that spread bacteria into these plants, and it causes devastating and deadly diseases in plants, killing them. This is a huge problem in agriculture, including here in California, where it caused millions of dollars in damage to vineyards.
Notre protagoniste, aujourd’hui, est : Homalodisca vitripennis, la cicadelle pisseuse. Elle est magnifique ! Elle a des ailes transparentes, comme du verre. Cet insecte consomme exclusivement les liquides du xylème des plantes. Il suce la sève. Je le vois comme un moustique des plantes. Tout comme le moustique suce votre sang et laisse un cadeau de départ, la cicadelle pisseuse répand une bactérie dans les plantes qui cause une maladie dévastatrice et mortelle, qui tue les plantes. C’est un problème immense pour l’agriculture, en Californie aussi, où cela provoqua des dommages dans les vignes pour des millions de dollars.
And you can appreciate what they lack in size, they make up in numbers. This is what millions of insects feeding and peeing looks like. If only this woman knew where that water was coming from.
Détail important, les insectes sont certes petits, mais leur nombre fait leur force. Des millions d’insectes qui se nourrissent et urinent, ça donne ceci. Si cette femme savait seulement d’où vient toute cette eau !
(Laughter)
(Rires)
Now, don't worry, this insect's pee is just water. And so for the first time, I'm going to show you this behavior, slowed down with our high-speed cameras, and this is what we discovered. We realized that this insect forms a droplet of pee, and then it flings them at extreme accelerations, of 40 g-forces. That's 40 times faster than the sprint of a cheetah. These insects are really packing a punch from their butts.
Ne vous inquiétez pas, cet insecte urine seulement de l’eau. C’est une première, je vais vous montrer le comportement, ralenti avec nos caméras à haute vitesse. Voici ce que nous avons découvert. On a compris que cet insecte forme une gouttelette d’urine qu’il projette ensuite avec une accélération extrême de 40 g. C’est 40 fois plus rapide que le sprint d’un guépard. Ces insectes sont des boxeurs professionnels du popotin.
And we wanted to under-- (Laughs) We wanted to take a closer look at this flicker, so we put this insect and took a look under a microscope at its business end, and this beautiful structure has a scientific name: it's called a butt flicker.
On avait envie d’aller en-dessous (Rit) - On voulait observer de plus près ce stylet anal. On a donc observé les fesses de l’insecte au microscope et cette magnifique structure a un nom scientifique magique : stylet anal.
(Laughter)
(Rires)
And this is what we discovered. We realized that this insect had evolved springs and latches, just like a catapult, so that it could efficiently hurl its droplets of pee, repeatedly, at these high accelerations.
Voici ce que l’on a constaté. Ces insectes ont un ressort et un levier, comme une catapulte, pour lancer efficacement ses gouttelettes d’urine, à plusieurs reprises et à des accélérations élevées.
Now, we wanted to measure the speed at which this flicker was moving, and the droplets, so we measured the speed of both the droplets and the flicker. And this is where we made a puzzling observation. The speed of the droplets in the air was faster than the flicker. So if you take a ratio of that, we were expecting it to be 100 percent, but turns out that the speed of the droplets are about 150 to 200 [percent] faster than the flicker itself.
Nous voulions mesure la vitesse du stylet, et des gouttelettes. On a donc mesuré la vitesse des gouttelettes et du stylet. Le résultat nous a rendus perplexes. La vitesse des gouttelettes dans l’air était plus rapide que celle du stylet. Si on utilise un ratio, on s’attendait à un ratio de 100%, mais la vitesse des gouttes était entre 150 à 200 % fois plus rapide que celle du stylet.
This is why this is counterintuitive: imagine a Yankees baseball player throwing a ball at 100 miles an hour. At some point during that throw, their hands and fingers are moving at 100 miles an hour. Say an amateur ballplayer throws a ball at 50 miles an hour, and if you measure the speed of the ball and it's 100 miles an hour in midair, we’d be surprised -- where would that extra speed come from, right? This is exactly what these insects are doing.
Pour vous expliquer pourquoi ce résultat est paradoxal, imaginez un joueur de base-ball des Yankees qui lance une balle à 160 km/h. À un moment donné de son mouvement, sa main et ses doigts bougent à 160 km/h. Si un joueur de base-ball amateur lance une balle à 80 km/h, mais que la balle a une vitesse de 160 km/h, vous seriez étonnés, non ? Or c’est exactement ce que font ces insectes. Pour résoudre cette énigme, nous avons étudié les vidéos.
So to solve this puzzle, we went back and looked at our videos. And we’ll play this a couple of times -- see if you can figure this out.
Je vais passer la séquence quelques fois, pour vous donner une chance de comprendre.
Did you catch it? Let me grab a frame.
Vous l’avez vu ? Je vais geler une image.
We realized that unlike a baseball that’s rigid ... due to surface tension, these tiny droplets are squishy, and we had an “aha” moment. We were wondering if this insect is storing energy due to the surface tension just before launch. And to test this, we did, naturally, what any of us would do -- we converted our kitchen tables into a lab to test this.
Contrairement à une balle de base-ball qui est rigide, la tension superficielle rend ces gouttelettes souples. Euréka ! On s’est demandé si l’insecte emmagasinait de l’énergie de par la tension superficielle à l’instant du lancement. Et pour tester cette hypothèse, on a fait ce que tout le monde ferait : on a converti nos tables de cuisine en tables de labo.
So now, we're going to place droplets on a speaker, to squish them at high speeds, and this is what we discovered. We realized that water that flows in our faucets like a liquid, at these tiny scales, due to surface tension, with the right timing, can get a kick, store energy, and if you time it just right, you can launch these off at extremely high speeds, just like a child on a trampoline. And to test this idea of timing, we even built a catapult. Our should I say a "cata-pee"?
On dépose les gouttelettes sur un ampli, pour les comprimer à haute vitesse. Voici nos observations. On a compris que l’eau qui coule du robinet sous forme de liquide, à cette petite échelle, à cause de la tension superficielle, au bon moment, reçoit un regain d’énergie. Si la synchronisation est parfaite, on peut alors les lancer à des vitesses extrêmes, comme un enfant sur un trampoline. Pour tester l’idée de la synchronisation, on a fabriqué une catapulte. Enfin, une catapipi.
(Laughter)
(Rires)
And it reinforced this idea: too slow, the droplets don’t go off, and then if you move at the right speed, you've flung this.
Cela a étayé l’idée suivante : trop lent et les gouttelettes ne décollent pas. Mais en bougeant à la bonne vitesse, on les projette.
So I've told you today how these insects use this catapulting structure to store energy and surface tension and throw these droplets at record-breaking speeds to be, really, number one ... at number one. (Laughs) But why have these insects evolved this remarkable ability? And there are two reasons for this.
Je vous ai expliqué que ces insectes ont une structure de catapulte qui emmagasine l’énergie grâce à la tension superficielle et lance les gouttelettes à des vitesses record pour gagner la médaille d’or. C’est le numéro un. (Rit) Mais pourquoi ces insectes ont-ils évolué avec cette faculté remarquable ? Il y a deux raisons.
Number one is they are on a zero-calorie diet. These tiny bugs are feeding from the xylem fluid that comes up through the roots, through the soil, and goes to the rest of the plant. It's very, very poor in nutrients -- it's just water and some minerals. This is unlike the phloem fluid, which is rich in sugar, coming through photosynthesis at the leaves and going through the rest of the plant. This is akin to a human purely sustaining themselves on a diet of diet lemonade. Very low energy source -- you'd have to constantly drink, but you'd have to constantly pee as well.
Numéro un : ils ont un régime zéro calorie. Ces insectes se nourrissent des liquides du xylème provenant des racines, du sol et qui se propagent dans toute la plante. Il n’y a presque pas de nutriments, juste de l’eau et des minéraux, contrairement au phloème, riche en sucre, généré par la photosynthèse, irriguant la plante depuis les feuilles. C’est l’équivalent humain d’un régime basé sur du soda sans sucre. Pauvre en ressource énergétique, il faudrait en boire constamment, et forcément, uriner constamment.
This still doesn't explain why these insects pee in droplets, and not in jets, like you and I would, if you were to take a bio break. Let's take a look at cicadas. These are the cousins of these sharpshooters. They're also xylem fluid feeders ... and they pee in jets.
Ça n’explique toujours pas pourquoi ces insectes urinent en gouttelettes, et non en jet, comme nous en somme, quand on soulage un petit besoin de la nature. Observons les cigales. Ce sont les cousines de la cicadelle pisseuse. Elles aussi se nourrissent du xylème, mais elles urinent en jet.
(Laughter)
(Rires)
I love this video. This shows cicadas doing two of their favorite things when they come out of hibernation -- singing at the top of their lungs and peeing in the wind.
J’adore cette vidéo. Ce sont des cigales qui font les deux choses qu’elles préfèrent en sortant d’hibernation : chanter à tue-tête et uriner dans le vent.
(Laughter)
(Rires)
And the second reason why these insects pee in droplets is size -- these things are tiny, they're smaller than my pinky. In fact, the surface tension that enables them to store energy in these droplets to launch is actually an impediment, because gravity doesn't matter, and surface tension sticks these droplets to their bodies. So they actually have to flick these droplets away -- it's actually very difficult for these tiny bugs to pee. And that's why I just love studying bugs.
La taille est la deuxième raison qui fait que ces insectes urinent en gouttelettes. Elles sont très petites, plus petites que mon auriculaire. En fait, la tension superficielle qui leur permet d’emmagasiner l’énergie dans ces gouttelettes avant le lancement est une entrave, car la gravité n’agit pas et la tension superficielle colle les gouttelettes à leur corps. Elles doivent littéralement les catapulter. Uriner est très difficile quand on est un tout petit insecte. C’est pour ça que j’adore les étudier.
This tiny engineer has figured out how to survive on barely just water through the xylem fluid. And it’s figured out to do so, it has to drink a lot, and pee a lot. In that sense, it's not so different from other engineers I know on a Friday night at a bar.
Ce mini ingénieur a trouvé la solution pour survivre avec seulement l’eau des liquides du xylème. Il a compris qu’il devait boire beaucoup et uriner beaucoup. Ce n’est pas si différent d’autres ingénieurs de ma connaissance un vendredi soir dans un bar.
(Laughter)
(Rires)
But to do so, it’s figured out it had to evolve this catapulting structure and fling these droplets at high speeds. And that’s why I always tell my students when we explore new bugs, "It's not a bug, it's a feature."
Mais pour y parvenir, il a compris qu’il devait développer une structure en catapulte et projeter ces gouttelettes à grande vitesse. Du coup, quand on étude de nouveaux insectes, je dis à mes étudiants : « Ce n’est pas un insecte, c’est une fonction. »
(Laughter)
[Jeu de mots intraduisible] (Rires)
(Applause)
(Applaudissements)
OK, so why should you care about insect pee, and what’s the practical application of this work? Maybe, maybe one day, these ideas, these principles could help us design more efficient water-ejector systems for our smartphones, our watches and hearing aids.
Pourquoi tout ceci est-il intéressant ? Quelles applications pratiques pouvons-nous imaginer ? Peut-être, un jour, qui sait, ces idées, ces principes nous aideront-ils à concevoir des systèmes d’éjection d’eau plus efficaces pour nos smartphones, nos montres, nos aides auditives.
But I have to be honest, that's not really why I've obsessed over insect pee for the last four years. I do this because when I share my work with kids, it ignites their curiosity. When I talk about insect pee, it makes their eyes light up. They laugh, they run around in their backyards, looking at bugs and asking questions. It reminds them and us that we can discover marvelous in the mundane, even in our own backyards. We just have to look closely.
Mais sincèrement, ce n’est pas pour ça que le pipi d’insecte m’obsède depuis quatre ans. Je le fais parce que quand j’en parle à des enfants, ça titille leur curiosité. Quand je parle de pipi d’insecte, ça fait briller leurs yeux. Ils rient, ils courent dans le jardin, regardent les insectes et posent des questions. Cela leur rappelle que l’on peut trouver le merveilleux dans le banal, même dans notre jardin. Il suffit de regarder attentivement.
Thank you so much.
Merci.
(Cheers and applause)
(Acclamations) (Applaudissements)
I've got to go pee.
Cela m’a donné une petite envie.