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Les secrets de construction des fourmis dévoilés

Fourmis et termites construisent leurs nids sur plusieurs étages avec des multitudes de chambres, des autoroutes, des routes secondaires… Mais comment font ces insectes sociaux pour bâtir ces structures si complexes ? Après 10 ans de recherche, des chercheurs nantais et toulousains ont aujourd’hui quelques réponses.

Fourmis ouvrières se déplaçant sur les structures résultant de leur activité de construction.  © CRCA / CNRS (Toulouse

« C’est passionnant : elles construisent leur nid sans plan ni architecte et chaque ouvrière n’a qu’une perception locale de son environnement. Pourtant, elles sont capables de bâtir des structures complexes. » Informaticienne et spécialiste de la fouille de données,  Pascale Kuntz collabore avec des chercheurs en éthologie spécialistes des comportements collectifs. Ils ont étudié pendant 10 ans comment ces insectes sociaux s’organisent pour construire leurs nids. « Ils ajoutent des phéromones, des substances chimiques, à leur matériel de construction » indique la scientifique. En observant des groupes de 500 fourmis noires des jardins (Lasius niger) en laboratoire, les chercheurs ont réussi à déterminer le comportement individuel de chaque ouvrière. A partir d’argile, de terre ou de sable, la fourmi crée une boulette qu’elle dépose au sol aléatoirement et imprègne de phéromones. Ces dernières agissent comme un signal incitant les autres fourmis à placer leur boulette au même endroit. « Plus il y a de boulettes amassées, plus la probabilité que d’autres soient déposées au même endroit augmente. Cela conduit à la formation de piliers régulièrement espacés. » Ce mécanisme, où le travail de l’ouvrier est orienté par les actions antérieures de ses congénères, est nommé  stigmergie2. Une fois que les piliers atteignent une hauteur de 4 millimètres, correspondant à la longueur moyenne de leur corps, les ouvrières réalisent le « plafond ». Les conditions climatiques influencent aussi la forme de la fourmilière. Plus l’environnement est sec, plus les phéromones s’évaporent rapidement. Conséquence ? Les fourmis construisent moins de piliers donc les chambres sont plus grandes et conservent mieux l’humidité.

 

Des nids optimisés pour les déplacements et la défense

 

Les chercheurs ont également réussi à caractériser la structure des nids en numérisant des termitières – les fourmilières étant trop friables - a l’aide de la tomographie à rayons X3. « Quand j’ai vu leur représentation j’ai tout de suite pensé à des graphes, se souvient la chercheuse en informatique. Ces objets mathématiques montrent les relations entre des composantes : ici les relations entre les chambres du nid. » En étudiant ces réseaux, les chercheurs remarquent des propriétés étonnantes : « Les galeries permettent de relier rapidement différentes  zones du nid, il y a de véritables autoroutes. De plus, une chambre située sur le bord du nid est souvent connectée aux autres par un seul chemin : idéal pour endiguer une invasion de prédateurs. »

 

Termitière du genre Cubitermes (1). Intérieur reconstitué par tomographie à rayons X (2). Graphe de la termitière en 3D (3) et en 2D (4). Ce dernier montre que la partie du réseau en bleu peut être facilement déconnectée du reste de la structure en cas d’attaque.

© CRCA / CNRS (Toulouse)

 

Pascale Kuntz s’intéresse depuis 20 ans au phénomène « d’intelligence en essaim ». A partir de ses observations, elle a participé à la réalisation d’un modèle mathématique qui reproduit la construction du nid par une fourmilière. Les fourmis numériques fabriquent des boulettes, les empilent là où il y en a déjà le plus, construisent latéralement à partir d’une certaine hauteur, ont une perception uniquement locale de leur environnement, etc. « On observe une forte ressemblance entre les nids réels et virtuels : les mêmes formes si l’on varie le taux d’évaporation des phéromones, les mêmes propriétés de mobilité et de défense... Ces résultats prouvent que les phéromones jouent un rôle clé dans la coordination des activités bâtisseuses et dans l’architecture des nids. » Par la suite, cette modélisation va permettre aux chercheurs de simuler la création complète d’un nid. « Les véritables fourmilières sont fragiles : on ne peut observer que le début de leur construction, explique Pascale Kuntz. Avec le modèle on va pouvoir laisser la simulation se poursuivre plus longtemps et voir apparaître des chambres et des jonctions entre les galeries plus sophistiquées. » Ces perspectives intéressent les biologistes mais aussi les architectes et les urbanistes. « Ils sont intrigués par la façon dont l’architecture des nids régule la température » détaille Pascale Kuntz. Et d’ajouter : « L’organisation des insectes montre que des structures sophistiquées peuvent émerger à partir d’interactions et de règles de comportement simples. En s’inspirant du comportement des fourmis on peut même créer des algorithmes bio-inspirées. Ils permettent de donner des nouvelles idées pour résoudre des problèmes mathématiques d’optimisation par exemple. »  

 

1 Centre de recherches sur la cognition animale (CNRS/Université Toulouse III – Paul Sabatier) ; Laboratoire d’informatique de Nantes Atlantique (CNRS/Université de Nantes/Ecole des Mines de Nantes).

 

2 Commun à tous les insectes sociaux – termites, fourmis, guêpes, abeilles –, ce mécanisme de communication indirecte permet par exemple aux fourmis de découvrir  le chemin le plus court pour accéder à de la nourriture. Entre deux chemins, un long et un court, l’éclaireuse qui prendra le plus rapide reviendra en premier. Elle déposera ainsi plus de phéromones. Les autres insectes connaissent dés lors le chemin le plus court.

 

3 Il s’agit d’une technique d’imagerie non destructive qui permet de reconstituer la forme d'un objet en 3D grâce à l'assemblage de coupes virtuelles.

 

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