Une intelligence collective face aux défis nutritionnels chez les fourmis

Publié par Adrien le 18/12/2019 à 08:00
Source: CNRS INSB
Les chercheurs ont démontré que les fourmis sont capables de contrebalancer rapidement toutes les carences alimentaires qui leur sont imposées quelque soit leur complexité. Leur étude, mêlant éthologie expérimentale et modélisation mathématique, permet d'identifier les mécanismes de régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se rattache au plan scientifique à l'automatique.) nutritionnelle qui interviennent chez les fourmis en situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un lieu dans un cadre plus...) de déséquilibre alimentaire. Ces résultats sont publiés dans la revue Current Biology.


Photo 1: Pont offrant à la colonie de fourmis un choix entre deux sources de nourriture.
Photo 2: Fourmis se nourrissant.
Photo 3: Fourmis choisissant la piste la plus concentrée.
Photo 4: Fourmis colorées.
© David Villa/CBI/CNRS

Chez les fourmis, la nourriture est ramenée au nid (Le nid désigne généralement la structure construite par les oiseaux pour contenir leurs œufs et fournir un premier abri à leur...) par seulement 10% de ses membres: les récolteuses. La nourriture est ensuite régurgitée et partagée entre tous les membres de la colonie. De quelle manière les récolteuses gèrent-elles les déséquilibres alimentaires de la colonie ?

Afin de répondre à cette question les chercheurs ont développé une série de 7 expériences complexifiant à chaque fois un peu plus les carences alimentaires imposées à des colonies de fourmis d'Argentine. Lors de chaque expérience 20 à 30 colonies étaient privées d'un ou plusieurs éléments nutritifs pendant une semaine. Les éléments nutritifs retirés de la nourriture étaient: le sucre (Ce que l'on nomme habituellement le sucre est, dès 1406, une "substance de saveur douce extraite de la canne à sucre" (Chrétien de Troyes, Le Chevalier au lion). Il est majoritairement formé d'un...), l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être...) des acides aminés (briques constituant les protéines), le cholestérol (Le cholestérol est un lipide de la famille des stérols qui joue un rôle central dans de nombreux processus biochimiques. Le cholestérol tire...), uniquement les 10 acides aminés essentiels, 5 acides aminés essentiels, 2 acides aminés ou 1 seul acide aminé (Un acide aminé est une molécule organique possédant un squelette carboné et deux fonctions : une amine (-NH2) et un acide carboxylique (-COOH). Les acides aminés sont les unités structurales de base...). Suite à la privation, les chercheurs offraient à chaque colonie l'opportunité de contrebalancer ce déséquilibre alimentaire en leur présentant pendant une heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences (« heure...) un choix entre deux sources de nourriture, l'une présentant l'élément nutritif manquant, l'autre offrant un élément nutritif non manquant (Photo 1).

Les chercheurs ont observé que les récolteuses se dirigeaient collectivement vers la nourriture offrant l'élément nutritif manquant. Par exemple, des fourmis privées de cholestérol, qui avaient le choix entre une nourriture contenant du cholestérol et une nourriture contenant des acides aminés, se dirigeaient préférentiellement vers la nourriture offrant du cholestérol. A l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1 désigne...), face au même choix, les fourmis privées d'acides aminés délaissaient la nourriture contenant du cholestérol pour se diriger vers la nourriture offrant les acides aminés. Dans toutes les expériences, la décision au niveau collectif était apparente dès les premières 10 minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon,...) du test ne laissant aucune place à l'apprentissage (L’apprentissage est l'acquisition de savoir-faire, c'est-à-dire le processus d’acquisition de pratiques, de connaissances, compétences,...), à la comparaison des deux sources ou à un quelconque feedback post-ingestif au niveau individuel ou collectif. Les fourmis étaient donc capables d'adapter leur stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :) de récolte en fonction de la carence alimentaire.

Afin de comprendre la mise en place de cette décision collective, les chercheurs ont observé le comportement des fourmis une fois arrivées à la nourriture (photo 2). Ils ont déterminé si, après un contact avec la nourriture, les fourmis se nourrissaient ou rentraient au nid sans s'alimenter. Ils ont observé que les fourmis avaient de plus grandes chances de se nourrir si la nourriture contactée présentait l'élément nutritif manquant. Par exemple, 60% des fourmis qui contactaient la nourriture présentant du cholestérol rentraient au nid le ventre plein lorsqu'elles étaient privées de cholestérol contre 40% lorsqu'elles étaient privées d'acides aminés. De même, 65% des fourmis qui contactaient la nourriture présentant des acides aminés rentraient au nid le ventre plein lorsqu'elles étaient privées d'acides aminés contre 40% lorsqu'elles étaient privées de cholestérol. La décision individuelle de se nourrir ou de rentrer au nid le ventre vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) ne dépendait donc pas de l'élément nutritif lui même mais de la carence alimentaire subie.

Pour tenter de faire le lien entre le comportement individuel à la nourriture et la décision collective, les chercheurs ont construit un modèle mathématique (Un modèle mathématique est une traduction de la réalité pour pouvoir lui appliquer les outils, les techniques et les théories mathématiques, puis généralement, en sens inverse, la traduction des résultats...) basé sur le comportement de pistage (Chez le chien, le pistage est l'action qui consiste à trouver et à suivre une suite de traces olfactives au sol (la piste) sur ordre d'une personne qui suit...) des fourmis. En effet, chez la fourmi d'Argentine, les récolteuses revenant à la colonie après avoir découvert une source de nourriture déposent une piste chimique - une phéromone (Les phéromones sont des substances chimiques émises par la plupart des animaux et certains végétaux, et qui agissent comme des messagers entre les individus d'une même espèce,...). Cette phéromone est très attractive ; elle permet de recruter d'autres fourmis qui vont emprunter la piste pour se rendre à la source de nourriture et renforcer la piste lors de leur retour au nid. Dans l'expérience présentée ici, les fourmis empruntaient un pont offrant le choix entre deux nourritures différentes, les chercheurs ont alors émis l'hypothèse que les fourmis qui revenaient à la colonie sans se nourrir déposaient moins de phéromone sur le chemin que les fourmis qui se nourrissaient.

Ces différences de comportement de pistage au niveau individuel étaient alors rapidement amplifiées au niveau collectif, du fait que les fourmis recrutées qui font face à deux pistes choisissent la piste la plus concentrée en phéromone et la renforcent à leur tour (photo 3), ceci aboutissant à la sélection d'une nourriture. Les chercheurs sont parvenus à reproduire tous les résultats expérimentaux obtenus s'ils indiquaient dans leur modèle que les fourmis déposaient trois fois moins de phéromone lorsqu'elles rentraient au nid le ventre vide. Le modèle démontre que la colonie est capable de répondre à des défis nutritionnels relativement complexes et différents en moins de 10 minutes sans pour autant faire appel à un comportement individuel élaboré.

Dans une dernière expérience, les chercheurs ont tenté de mieux comprendre le rôle des récolteuses et des fourmis qu'elles recrutent dans la mise en place des décisions collectives. Pour cela, ils ont créé des conflits nutritionnels au sein de la colonie. Les récolteuses étaient privées de sucre alors que les autres membres de la colonie étaient privés d'acides aminés et vice versa. Au début des expériences, dans les premières 10 min les récolteuses (préalablement colorées photo 4) satisfaisaient en priorité leurs besoins nutritionnels mais après 15 min, les chercheurs ont remarqué une inversion de la décision collective. Ils ont pu démontrer que les fourmis recrutées par les récolteuses guidées vers une nourriture ne satisfaisant pas leur besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins primaires, les besoins...) nutritionnel étaient capables de changer la donne pour satisfaire les besoins des membres de la colonie démontrant ainsi la flexibilité des réponses collectives en fonction de l'état nutritionnel de la colonie.

Cette étude permet de mieux comprendre l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) de récolte au sein d'une entité collective. Les déplacements sont optimisés au niveau collectif au travers de règles simples et génériques au niveau individuel de façon à maximiser la récolte (La Récolte (Countrycide) est le sixième épisode de la série anglaise de science fiction Torchwood.) alimentaire et de contrebalancer les défis nutritionnels.

Pour en savoir plus:
Ant foragers compensate for the nutritional deficiencies in the colony.
Csata E, Gautrais J, Bach A,Blanchet J, Ferrante J, Fournier F, Lesvesque T, Simpson SJ & Dussutour A.
Current Biology 12 décembre 2019
https://doi.org/10.1016/j.cub.2019.11.019.
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