Agrandir / Deux fourmis creusent des tunnels dans du gel vert. Une nouvelle étude de Caltech a révélé que les fourmis recherchent et éliminent les grains de terre meubles lorsqu’elles creusent leurs tunnels, un peu comme les humains enlèvent les blocs lâches tout en jouant à des jeux. Jenga.

Les fourmis sont des creuseurs prodigieux, construisant des nids élaborés avec plusieurs couches reliées par un réseau complexe de tunnels, atteignant parfois des profondeurs de 25 pieds. Maintenant, une équipe de scientifiques de Caltech a utilisé l’imagerie aux rayons X pour capturer le processus de construction des tunnels par les fourmis. Les scientifiques ont découvert que les fourmis ont évolué pour détecter intuitivement quelles particules de grain elles peuvent retirer tout en maintenant la stabilité de la structure, un peu comme retirer des blocs individuels dans un jeu de Jenga. L’équipe a décrit son travail dans un nouveau rôle publié dans les Actes de l’Académie nationale des sciences.

Les scientifiques intéressés par le comportement collectif étudient les fourmis depuis des décennies. C’est parce que, en tant que groupe, les fourmis agissent comme une forme de milieu granulaire. Certaines fourmis bien espacées se comportent comme des fourmis individuelles. Mais emballez-en suffisamment et ils agissent davantage comme une seule unité, présentant à la fois des propriétés solides et liquides. Vous pouvez verser des fourmis de feu à partir d’une bouilloire, par exemple, ou les fourmis peuvent se regrouper pour construire des tours ou des radeaux flottants. Les fourmis peuvent être de minuscules créatures avec un cerveau minuscule, mais ces insectes sociaux sont capables de s’organiser collectivement en une communauté très efficace pour assurer la survie de la colonie.

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Il y a plusieurs années, biologiste du comportement Guy Théraulaz de l’Institut d’études avancées de Toulouse, en France, et plusieurs collègues ont combiné des expériences de laboratoire avec des fourmis argentines et une modélisation informatique pour identifier trois règles simples régissant le comportement du tunnel des fourmis. A savoir : (1) les fourmis ramassaient les grains à un rythme constant (environ 2 grains par minute) ; (2) les fourmis déposent préférentiellement leurs grains près d’autres grains pour former des piliers ; et (3) les fourmis choisissent généralement des grains marqués d’une phéromone chimique après avoir été manipulés par d’autres fourmis. Théraulaz et al. Il a construit une simulation informatique basée sur ces trois règles et a découvert qu’après une semaine, ses fourmis virtuelles ont construit une structure qui ressemblait beaucoup à de vrais nids de fourmis. Ils ont conclu que ces règles découlent d’interactions locales entre les fourmis individuelles, sans besoin de coordination centrale.

Plus récemment, un papier 2020 ont constaté que la dynamique sociale de la façon dont la division du travail survient dans une colonie de fourmis est similaire à la façon dont la polarisation politique se développe dans les réseaux sociaux humains. Les fourmis excellent également à réguler leur propre flux de circulation. À Étude 2018 par le groupe de Daniel Goldman à Georgia Tech a étudié comment les fourmis de feu optimisent leurs efforts de creusement de tunnels sans provoquer d’embouteillages. Comme nous l’avions signalé à l’époque, le groupe a conclu que lorsqu’une fourmi trouve un tunnel dans lequel d’autres fourmis travaillent déjà, elle se retire pour trouver un autre tunnel. Et seule une petite fraction de la colonie creuse à un moment donné : 30 pour cent d’entre eux font 70 pour cent du travail.

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Le groupe de biolocomotion de David Hu à Georgia Tech a également étudié les fourmis de feu. En 2019, lui et ses collègues ont rapporté que les fourmis de feu peuvent détecter activement les changements dans les forces agissant sur leur radeau flottant. Les fourmis reconnaissent différentes conditions d’écoulement de fluide et peuvent adapter leur comportement en conséquence pour préserver la stabilité du radeau. Une pagaie se déplaçant dans l’eau de la rivière créera une série de tourbillons (connus sous le nom de perte de vortex), provoquant la rotation des radeaux de fourmis. Ces tourbillons peuvent également exercer des forces supplémentaires sur le radeau, suffisantes pour le briser. Les changements dans les forces centrifuges et de cisaillement agissant sur le radeau sont assez faibles, peut-être 2 à 3 pour cent de la force de gravité normale. Cependant, d’une manière ou d’une autre, les fourmis peuvent ressentir ces petits changements avec leur corps.

Ce dernier article se concentre sur les fourmis moissonneuses occidentales (Pogonomyrmex occidentalis), sélectionnés pour leur capacité de creusement prolifique avec des grains de sol à l’échelle millimétrique. Le co-auteur José Andrade, un ingénieur en mécanique de Caltech, a été inspiré pour explorer les fourmis creuseurs de tunnels après avoir vu des exemples de art de la fourmilière. Les pièces sont créées en versant une sorte de métal en fusion, de plâtre ou de ciment dans une fourmilière, qui traverse tous les tunnels et finit par durcir. La saleté environnante est ensuite enlevée pour révéler la structure complexe finale. Andrade a été tellement impressionné qu’il a commencé à se demander si les fourmis « savaient » vraiment comment creuser ces structures.

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En haut à gauche : la conception expérimentale.  En haut à droite : image radiographique d'un tunnel terminé.  En bas à gauche : ajustement d'un modèle de particules supprimées.  En bas à droite : recréation numérique des particules enlevées par les fourmis à leur emplacement initial.
Agrandir / En haut à gauche : la conception expérimentale. En haut à droite : image radiographique d’un tunnel terminé. En bas à gauche : ajustement d’un modèle de particules supprimées. En bas à droite : recréation numérique des particules enlevées par les fourmis à leur emplacement initial.

RB de Macedo et al., 2021

Andrade s’est associé à l’ingénieur biologiste de Caltech, Joe Parker, pour le projet ; Les recherches de Parker portent sur les relations écologiques des fourmis avec d’autres espèces. « Nous n’avons interrogé aucune fourmi pour leur demander si elles savaient ce qu’elles faisaient, mais nous avons commencé par l’hypothèse qu’elles creusent délibérément des terriers. » Andrade a dit. « Nous avons deviné que peut-être les fourmis jouaient Jenga. « 

En d’autres termes, les chercheurs soupçonnaient que les fourmis fouillaient dans le sol les grains en vrac à retirer, de la même manière que les gens recherchent des blocs en vrac à retirer d’un Jenga tour, laissant les pièces porteuses critiques en place. Ces blocs font partie de ce qu’on appelle une « chaîne de force » qui sert à coincer les blocs (ou les particules de sol granulaires, dans le cas d’une fourmilière) pour créer une structure stable.

Pour leurs expériences, Andrade et ses collègues ont mélangé 500 ml de sol Quikrete avec 20 ml d’eau et placé le mélange dans plusieurs petites tasses de sol. La taille des cupules a été choisie pour la facilité avec laquelle elles pouvaient être placées dans un scanner CT. Par essais et erreurs, en commençant par une fourmi et en augmentant progressivement le nombre, les chercheurs ont déterminé le nombre de fourmis nécessaires pour atteindre le taux d’excavation optimal : 15.

L’équipe a effectué des scans à demi-résolution de quatre minutes toutes les 10 minutes pendant que les fourmis creusaient des tunnels pour surveiller leur progression. À partir des images 3D résultantes, ils ont créé un « avatar numérique » pour chaque particule de l’échantillon, capturant la forme, la position et l’orientation de chaque grain, qui peuvent tous influencer de manière significative la répartition des forces dans les échantillons de sol. Les chercheurs ont également pu déterminer l’ordre dans lequel les fourmis ont enlevé chaque bouton en comparant des images prises à différents moments dans le temps.

Forces granulaires (lignes noires) au même endroit dans le sol avant (à gauche) et après (à droite) l'excavation d'un tunnel de fourmis.
Agrandir / Forces granulaires (lignes noires) au même endroit dans le sol avant (à gauche) et après (à droite) l’excavation d’un tunnel de fourmis.

José E. Andrade et David R. Miller / Caltech

Les fourmis n’étaient pas toujours coopératives lorsqu’il s’agissait de creuser avec diligence leurs tunnels. « Ils sont un peu capricieux » Andrade a dit. « Elles creusent quand elles veulent. Nous mettions ces fourmis dans un conteneur, et certaines commençaient à creuser tout de suite et faisaient des progrès incroyables. Mais d’autres, ce serait des heures et elles ne creuseraient pas du tout. Et certaines creuseraient pendant un moment, puis arrêtez-vous et faites une pause ».

Andrade et Parker ont noté certains modèles émergents dans leur analyse. Par exemple, les fourmis creuseraient généralement le long des bords intérieurs des auvents, une stratégie efficace, car les côtés des auvents pourraient faire partie de la structure du tunnel, leur épargnant ainsi certains efforts. Les fourmis privilégiaient également les lignes droites pour leurs tunnels, une tactique qui optimise l’efficacité. Et les fourmis avaient tendance à creuser leurs tunnels aussi raides que possible. La limite la plus raide possible dans un milieu granulaire tel que le sol s’appelle « l’angle de repos » ; dépasser cet angle et la structure s’effondrera. D’une manière ou d’une autre, les fourmis peuvent détecter ce seuil critique, en s’assurant que leurs tunnels ne dépassent jamais l’angle de repos.

Quant à la physique sous-jacente, l’équipe a découvert qu’au fur et à mesure que les fourmis enlevaient des grains de sol pour creuser leurs tunnels, les chaînes de force agissant sur la structure se réorganisaient à partir d’une distribution aléatoire pour former une sorte de revêtement autour de la structure extérieur d’un tunnel. . Cette redistribution des forces renforce les parois du tunnel existantes et soulage la pression exercée par les grains au bout du tunnel, ce qui permet aux fourmis d’enlever plus facilement ces grains pour étendre encore plus le tunnel.

« C’est un mystère à la fois dans l’ingénierie et l’écologie des fourmis comment les fourmis construisent ces structures qui persistent pendant des décennies. » Parker a dit. « Il s’avère qu’en supprimant les grains de ce modèle que nous avons observé, les fourmis bénéficient de ces chaînes de force circonférentielles lorsqu’elles creusent. » Les fourmis martèlent des grains individuels pour évaluer les forces mécaniques qui s’exercent sur eux.

Parker le voit comme une sorte d’algorithme comportemental. « Cet algorithme n’existe pas chez une seule fourmi », il a dit. « C’est ce comportement de colonie émergent de toutes ces ouvrières qui agissent comme un super-organisme. La façon dont ce programme comportemental se propage à travers les minuscules cerveaux de toutes ces fourmis est une merveille du monde naturel pour laquelle nous n’avons aucune explication. »

DOI : PNAS, 2021. 10.1073/pnas.2102267118 (À propos des DOI).

Avec l’aimable autorisation de Caltech.