Constructions collectives chez les insectes sociaux


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Les insectes organisés en sociétés - abeilles, fourmis, guêpes et termites - sont capables de construire collectivement des nids d'une remarquable complexité. Ces productions collectives cohérentes ne pourraient exister sans une forme de coordination entre les individus. Un telle coordination pourrait-elle reposer sur l'architecture elle-même des constructions plutôt que sur des interactions directes entre les membres de la colonie ? C'est pour répondre à cette question que deux chercheurs, Guy Theraulaz, du laboratoire d'Éthologie et psychologie animale (unité associée CNRS-Université Paul Sabatier à Toulouse) et Éric Bonabeau, du Centre national d'études des télécommunication à Lannion (CNET), prenant pour exemple la construction collective chez les guêpes, ont développé un modèle numérique permettant de reproduire les différentes phases de construction d'un nid. Dans ce modèle, les insectes sont représentés par des agents qui obéissent à des règles simples et n'interagissent pas directement entre eux. Il apparaît dans le cadre de ce modèle, que seuls certains enchaînements de comportements possédant des propriétés spécifiques produisent des architectures cohérentes et que l'ensemble de ces programmes correspond à un répertoire fort restreint de formes. Les architectures obtenues, correspondant à celles produites par les sociétés de guêpes, tendent à démontrer que pour fabriquer un nid collectif, ces insectes n'ont pas besoin de communiquer directement entre eux : ils se coordonnent à travers l'architecture qu'ils construisent. Ils sont stimulés et réagissent aux formes géométriques qu'ils voient progressivement s'élaborer autour d'eux par leurs compagnons d'ouvrage. Au-delà de la compréhension d'un modèle de construction collective chez les insectes sociaux, ce travail ouvre de nouvelles voies pour l'étude plus générale de l'évolution des comportements collectifs et de l'origine des formes naturelles.
Parmi les activités des insectes organisés en sociétés, la construction est certainement l'une des plus spectaculaires. La complexité des architectures qu'ils produisent est en effet étonnante au regard de la relative simplicité des individus. Comment les insectes coordonnent-ils leurs actions en vue de réaliser de telles architectures ? La compréhension des programmes comportementaux utilisés par les différentes espèces pour construire leur nid constitue, au-delà des sociétés d'insectes, un problème important auquel sont confrontés les scientifiques s'intéressant au comportement animal.
Dès la fin des années 1950, Pierre-Paul Grassé (1) avait montré que, chez les termites, la régulation de l'activité bâtisseuse ne dépendait pas directement des insectes, mais des constructions elles-mêmes : l'insecte ne dirige pas son travail mais il est guidé par lui. Ainsi, toute activité bâtisseuse d'un termite en un point de l'espace, produisant une nouvelle structure matérielle, entraîne la création d'une nouvelle forme stimulante, qui peut orienter et déclencher en retour une nouvelle activité bâtisseuse chez les autres membres de la colonie. Ce processus, appelé " stigmergie " par Grassé, peut conduire à une coordination presque parfaite du travail collectif, donnant ainsi l'impression que la colonie suit dans son ensemble un plan pré-défini. Mais un problème de taille subsiste : comment les stimuli déclenchant les actes de construction doivent-ils être organisés dans l'espace et dans le temps pour qu'une architecture cohérente puisse émerger ? Pour aborder ce problème, les chercheurs ont pris l'exemple de la construction collective chez les guêpes sociales. L'une des caractéristiques de leurs nids est leur modularité. La répétition d'une même structure de base constitue en effet la manière la plus simple d'accroître la taille du nid. L'organisation des activités individuelles de construction s'effectue fondamentalement au travers des configurations de matière qui sont rencontrées sur le nid. Le processus de construction débute par la formation d'un pédicelle, attache reliant le nid à son support, puis d'une première cellule dans son prolongement. Au fur et à mesure que la construction progresse, le nombre de sites potentiels, susceptibles de recevoir une nouvelle cellule, augmente. Plusieurs activités peuvent alors être accomplies parallèlement, la construction ne suivant pas une séquence a priori bien définie. Cette capacité de construire simultanément, en plusieurs sites différents d'un même nid, constitue une étape importante dans l'évolution et la création d'architectures complexes. Mais elle a introduit en retour de nouvelles contraintes, puisque les informations locales qui régulent le comportement bâtisseur doivent être organisées dans l'espace et dans le temps de manière à assurer une construction collective cohérente. Ce type de contraintes a été étudié au moyen d'un modèle formel, dit " essaims sur réseau ", où les guêpes sont représentées par des agents qui se déplacent aléatoirement sur un réseau cubique tridimensionnel et ne possèdent aucune représentation globale de l'architecture qu'ils construisent. Ils ne peuvent percevoir que les configurations locales de matière qui les entourent, c'est-à-dire l'état des 26 cellules voisines. Seules certaines configurations géométriques ont été choisies comme stimulantes dans ce modèle et déclenchent le dépôt d'une brique. Les nids sont construits au moyen de briques élémentaires, choisies parmi deux types possibles, bleue ou rouge. A tout instant, les agents décident ou non de déposer une brique en se référant à une table de comportement constituée de l'ensemble des configurations locales stimulantes et qui indique le type de brique à déposer pour chacune de ces configurations.
Les chercheurs ont montré que la construction d'une architecture d'aspect organisé requiert un type particulier de programme comportemental, ou algorithme, et s'effectue par étapes successives. Celles-ci sont caractérisées par le fait que les configurations locales stimulantes créées au cours d'une étape donnée doivent être différentes de celles produites au cours d'une étape antérieure ou ultérieure afin d'éviter une désorganisation ou un blocage de l'activité collective de construction. La construction suit donc un certain canevas qui peut donner naissance à des états déjà rencontrés, et la succession des étapes se produit alors de manière cyclique : de tels états sont responsables des structures modulaires qui apparaissent dans l'architecture. L'existence d'étapes de construction entièrement contrôlées par l'architecture elle-même implique par ailleurs une coordination implicite des agents sans communication directe. Enfin, il apparaît que ces algorithmes " coordonnés " produisent un éventail restreint de formes. Tous ces résultats, bien qu'ils aient été obtenus dans le cadre d'un modèle formel, présentent un intérêt non seulement dans l'étude des constructions collectives chez les insectes sociaux, mais également dans l'étude plus générale de l'évolution des comportements collectifs.
Références .
- Theraulaz G., Bonabeau E., Coordination in distributed building, Science, 269, pp. 686-688, 1995.
- Theraulaz G., Bonabeau E., Modeling the collective building of complex architectures in social insects with lattice swarms, J. Theor. Biol., (sous presse).
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