Les fourmis de feu survivent aux inondations en formant des radeaux constitués de milliers d’insectes frétillants. De nouvelles recherches révèlent comment ces bateaux de sauvetage changeaient de forme au fil du temps.
Noé a surmonté son inondation dans une arche. Winnie l’ourson avait un parapluie à l’envers. Les fourmis de feu (Solenopsis invicta), quant à elles, forment des radeaux flottants composés de milliers, voire de centaines de milliers d’insectes individuels.
Une nouvelle étude menée par des ingénieurs de CU Boulder expose les règles physiques simples qui régissent la transformation de ces radeaux de fourmis au fil du temps : rétrécissement, expansion ou croissance de longues protubérances comme la trompe d’un éléphant. Les conclusions de l’équipe pourraient un jour aider les chercheurs à concevoir des robots qui travaillent ensemble en essaims ou des matériaux de nouvelle génération dans lesquels les molécules migrent pour réparer les endroits endommagés.
Les résultats ont été publiés récemment dans la revue PLOS Computational Biology.
Des fourmis de feu forment une protubérance à partir d’un radeau de fourmis. Crédit : Groupe de recherche Vernerey à CU Boulder.
“Les origines de ces comportements résident dans des règles assez simples”, a déclaré Franck Vernerey, chercheur principal de la nouvelle étude et professeur au département d’ingénierie mécanique Paul M. Rady. “Les fourmis isolées ne sont pas aussi intelligentes qu’on pourrait le penser, mais, collectivement, elles deviennent des communautés très intelligentes et résilientes.”
Les fourmis de feu forment ces blobs flottants géants d’insectes frétillants après les tempêtes dans le sud-est des États-Unis pour survivre aux eaux déchaînées.
Dans leur dernière étude, Vernerey et l’auteur principal, Robert Wagner, se sont appuyés sur des simulations mathématiques, ou modèles, pour tenter de comprendre les mécanismes qui sous-tendent ces canots de sauvetage. Ils ont découvert, par exemple, que plus les fourmis d’un radeau se déplacent rapidement, plus ces radeaux s’étendent vers l’extérieur, formant souvent de longues protubérances.
“Ce comportement pourrait, essentiellement, se produire spontanément”, a déclaré Wagner, un étudiant diplômé en génie mécanique. “Il n’y a pas nécessairement besoin d’une prise de décision centrale par les fourmis”.
Le temps du tapis roulant
Wagner et Vernerey ont découvert les secrets des radeaux de fourmis presque par accident.
Dans un étude séparée publiée en 2021le duo a déposé des milliers de fourmis de feu dans un seau d’eau avec une tige en plastique au milieu, comme un roseau solitaire au milieu des eaux tumultueuses. Puis ils ont attendu.
“Nous les avons laissées là jusqu’à 8 heures pour observer l’évolution à long terme de ces radeaux”, a déclaré Wagner. “Ce que nous avons fini par voir, c’est que les radeaux ont commencé à former ces croissances”.
Dans cette séquence timelapse, les chercheurs capturent un radeau de fourmis de feu se transformant d’un état étalé avec de longues protubérances à une forme plus compacte. Crédit : Warner et Vernerey, PLOS Computational Biology, 2022.
Plutôt que de conserver la même forme au fil du temps, les structures se compriment et se rapprochent pour former des cercles denses de fourmis. À d’autres moments, les insectes se déployaient comme de la pâte à crêpes sur une poêle, construisant même des extensions semblables à des ponts.
Le groupe a rapporté que les fourmis semblaient moduler ces changements de forme par un processus de “treadmilling”. Comme l’a expliqué Wagner, chaque radeau de fourmis est constitué de deux couches. Au fond, on trouve des fourmis “structurelles” qui s’accrochent les unes aux autres et constituent la base. Au-dessus d’elles se trouve une deuxième couche de fourmis qui se promènent librement sur les autres membres de la colonie.
En quelques heures, les fourmis de la base peuvent ramper jusqu’au sommet, tandis que les fourmis libres descendent pour faire partie de la couche structurelle.
“L’ensemble ressemble à un tapis roulant en forme de beignet”, dit Wagner.
Les ingénieurs de CU Boulder ont développé des simulations informatiques pour essayer de recréer la dynamique des radeaux de fourmis de feu. Les points bleus représentent les fourmis au fond du radeau, et les points rouges sont les fourmis qui se déplacent librement sur le dessus du radeau. Crédit : Warner et Vernerey, PLOS Computational Biology, 2022.
Un pont vers la sécurité
Dans la nouvelle étude, Warner et Vernerey ont voulu explorer ce qui fait tourner le tapis roulant.
Pour ce faire, l’équipe a créé une série de modèles qui, essentiellement, ont transformé un radeau de fourmis en un jeu de dames compliqué. Les chercheurs ont programmé environ 2 000 particules rondes, ou “agents”, pour remplacer les fourmis. Ces agents ne pouvaient pas prendre de décisions par eux-mêmes, mais ils suivaient un ensemble de règles simples : Les fausses fourmis, par exemple, n’aimaient pas se cogner contre leur…voisins, et ils ont essayé d’éviter de tomber dans l’eau.
Lorsqu’ils ont laissé le jeu se dérouler, Wagner et Vernerey ont constaté que leurs radeaux de fourmis simulés se comportaient comme les vrais radeaux.
Des fourmis de feu forment un radeau de fourmis. Crédit : Groupe de chercheurs Vernerey à CU Boulder.
En particulier, l’équipe a pu régler le degré d’activité des agents dans leurs simulations : Les fourmis individuelles étaient-elles lentes et paresseuses, ou marchaient-elles beaucoup ? Plus les fourmis marchaient, plus elles étaient susceptibles de former de longues extensions qui dépassaient du radeau – un peu comme les gens qui s’entassent vers la sortie dans un stade bondé.
“Les fourmis qui se trouvent à l’extrémité de ces protubérances sont presque poussées dans l’eau, ce qui entraîne un effet d’emballement”, a-t-il expliqué.
Wagner pense que les fourmis de feu utilisent ces extensions pour se déplacer dans leur environnement, à la recherche de rondins ou d’autres morceaux de terre ferme.
Les chercheurs ont encore beaucoup à apprendre sur les radeaux de fourmis : Qu’est-ce qui pousse les fourmis du monde réel, par exemple, à passer de la sédentarité à la paresse ? Mais, pour l’instant, Vernerey dit que les ingénieurs pourraient apprendre une chose ou deux des fourmis de feu.
“Notre travail sur les fourmis de feu nous aidera, nous l’espérons, à comprendre comment des règles simples peuvent être programmées, par exemple par le biais d’algorithmes dictant la manière dont les robots interagissent avec les autres, afin d’obtenir une réponse en essaim intelligente et bien ciblée”, a-t-il déclaré.
Référence : “Computational exploration of treadmilling and protrusion growth observed in fire ant rafts” par Robert J. Wagner et Franck J. Vernerey, 17 février 2022, PLoS Computational Biology.
DOI: 10.1371/journal.pcbi.1009869
