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Comment les fourmis s’auto-organisent pour construire leur nid

Les fourmis construisent collectivement des nids dont la taille peut atteindre plusieurs milliers de fois celle des individus et à l’architecture parfois très complexe. Leur capacité à coordonner plusieurs milliers d’individus pour bâtir leurs nids demeure cependant une énigme. Pour comprendre les mécanismes impliqués dans ce phénomène, des chercheurs du CNRS, de l’Université Toulouse III – Paul Sabatier et de l’Université de Nantes ont combiné des techniques d’analyse comportementale, d’imagerie 3D et de modélisation. Ces travaux font l’objet d’une publication dans PNAS le 18 janvier 2016.

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Focus : Un modèle 3D de la construction collective d’un nid chez les fourmis

Cette publication dans le PNAS est une nouvelle étape dans un travail entre biologistes et informaticiens démarré il y a dix ans. Là où les biologistes du Centre de Recherches sur la Cognition Animale de Toulouse (CRCA - CNRS/Université Paul Sabatier) étudiaient les réseaux de galeries des nids de fourmis, Pascale Kuntz du Laboratoire d’Informatique de Nantes Atlantique (LINA - CNRS/Université de Nantes/École des Mines de Nantes) y a vu des réseaux de relations modélisables par des graphes.

Les chercheurs étaient interpellés par les constructions aux propriétés presque optimales de ces insectes sociaux, sans contrôle centralisé pour les coordonner. La représentation des réseaux de galeries par des graphes a permis de mieux en comprendre les caractéristiques. Après avoir étudié leurs propriétés au niveau macroscopique avec notamment l’identification de chemins de connexions particulièrement efficaces, la recherche s’est concentrée sur les mécanismes locaux, associés à des règles de comportement individuelles, qui permettent l’émergence de ces structures complexes. (a). En conditions expérimentales des groupes de 500 fourmis construisent des ensembles de piliers et de murs régulièrement espacés. (b-d). Simulations du modèle de construction du nid. Les fourmis, représentées par les cubes rouges, prélèvent et déposent des boulettes de terre (en gris) en suivant les règles de comportement caractérisées par l’expérience.

Pascale Kuntz et ses collègues ont été également intéressés par le mode de transmission d’information mis en œuvre dans la construction, puisqu’elle se fait non pas directement d’un individu à l’autre, mais de façon indirecte, par l’ajout de phéromones au matériau de construction du nid. Ce signal chimique contrôle localement leur activité bâtisseuse et détermine également la forme du nid. L’étude de ces mécanismes de transmission d’information et de coordination distribuée des comportements des fourmis offre donc de nouvelles perspectives, qui pourraient être envisagées dans d’autres domaines. En effet, la compréhension des principaux mécanismes permettant aux insectes sociaux de résoudre collectivement un large ensemble de problèmes a permis de proposer des modèles alternatifs au contrôle, à la pré-programmation et la centralisation utilisés classiquement dans les sciences de l’ingénieur. Le travail sur l’imagerie a été un second point, notamment pour l’analyse de la structure des nids, et la représentation des réseaux de connexion en 3D qui en avait été extraite.

La suite de cette collaboration verra la volonté de pousser plus loin le modèle de construction 3D qui a été élaboré. Pour le moment, celui-ci reproduit les premières étapes de la construction par les fourmis. En modélisant l’intégralité de ces œuvres d’art de la nature, les chercheurs souhaitent comprendre les mécanismes qui permettent de construire des réseaux de connexions complexes aux caractéristiques optimales, afin de définir de nouveaux algorithmes bio-inspirés. Sans fermer la porte à de nouvelles sources d’inspiration, pour poursuivre la résolution de problèmes complexes.