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Thèmes de recherches

Décisions individuelles et collectives au sein de la fourmilière

Chimie de la communication

Relations plantes-fourmis

Division du travail au sein de la fourmilière

Chacun de ces thèmes est proposé dans le cadre de mémoires de licences, de thèses de doctorat ou de recherches post-doctorales.

Décisions individuelles et collectives au sein de la fourmilière

Ouvrière de Lasius niger s'abreuvant de solution sucrée Dessin: A.C. Mailleux

La « sagesse » proverbiale de la fourmilière fait référence à l’efficacité de son organisation sociale. Pour comprendre cette organisation, il convient de lier le comportement de l’individu à celui de la société et d’identifier les mécanismes éthologiques impliqués dans l’émergence de comportements collectifs adaptatifs. A cet égard, l’étude des sociétés d’insectes permet de faire progresser notre compréhension du fonctionnement des systèmes complexes et des mécanismes de prises de décision individuelle et collective. Aujourd’hui, la vision d’une organisation complexe s’appuyant sur un plan global dicté par une intelligence centralisatrice (p.ex. la reine) est battue en brèche par nombre de travaux sur les insectes sociaux. Chez les fourmis, la complexité collective émerge de décisions individuelles très simples basées sur des informations locales, couplées à des processus d’amplification tels que le recrutement de congénères par des pistes chimiques. L’intelligence collective et son principal support, l’auto-organisation, se manifestent dans des activités aussi diverses que l’exploration de nouveaux territoires, le tri des larves et des cadavres ou l’approvisionnement du nid.

Pour comprendre « l’intelligence collective » d’une fourmilière, il faut donc s’interroger sur le comportement de l’ « individu- fourmi », sur sa perception de l’environnement et sur son mode de transmission de l’information à ses congénères.

Questions abordées

+ Comment une fourmi informe-t’-elle ses congénères quant aux ressources ou aux contraintes de son environnement ?

+ La fourmi doit-elle « mesurer » précisément toutes les caractéristiques (taille, nature, abondance) d’une ressource ou peut-elle se contenter d’en estimer quelques indicateurs de qualité?

+ Quelle est la valeur adaptative des critères qui guident les décisions des recruteuses ?

+ Un codage explicite de l’information est-il toujours nécessaire? L’environnement peut-il influencer la structure spatiale des pistes et les stratégies de récolte de la fourmilière ?

Pour en savoir plus,

Thèses de doctorat: Anne-Catherine Mailleux (2001)

Cédric Devigne, Stéphane Portha (en cours)

Mémoires et travaux de DEA : Claire Natan (1997), Stéphanie Depickere (1999), Jérémy Simar (1999)

Publications : voir N° 8, 16, 17, 20, 23, 24, 25

Chimie de la communication

Aiguillon de la fourmi Pheidole pallidula.

Les sécrétions des deux glandes liées à l’aiguillon (glande à poison et de Dufour) interviennent dans la communication chimique lors de la récolte de nourriture ou la défense de la société.

Photo MEB : C. Detrain

L’essentiel de la communication chez les fourmis repose sur l’émission et la perception de substances chimiques. Lors de la découverte d’une source de nourriture, le dépôt d’une phéromone de piste assure la mobilisation et l’orientation des fourmis recrutées vers cette source. En présence d’intruses ou de prédateurs, les fourmis émettent également des phéromones qui suscitent l’alarme chez leurs congénères ainsi que des substances défensives, irritantes, toxiques ou répulsives.

L’étude morphologiques des glandes exocrines ainsi que l’analyse chimique de ces sécrétions permettent de mieux comprendre la physiologie de la communication au sein de la fourmilière. Outre la découverte de nouveaux produits naturels, l’analyse chimique de ces sécrétions glandulaire s’avère un outil de détermination des espèces utile au taxonomiste.

Questions abordées

+ Quelle est l’origine glandulaire et la composition chimique des phéromones de piste ou des composés défensifs chez plusieurs espèces de fourmis ?.

+ Chez les fourmis polymorphes, les castes sont-elles spécialisées dans la production ou la réponse à ces sécrétions glandulaires?

+ Les phéromones de pistes sont-elles perçues par d’autres insectes, notamment par des parasites sociaux des fourmis afin de localiser la fourmilière ?.

+ Comment modéliser le comportement d’orientation et de suivi des pistes chimiques par les fourmis ?

Pour en savoir plus,

Thèses de doctorat: Claire Detrain (1989), Ana Hérédia (2002)

Publications : voir N°1, 5, 7, 9, 10, 11, 12, 13

Relations plantes-fourmis

Site d'étude des fourmis moissonneuses Ouvrière de Messor barbarus transportant une graine
Photos: C. Detrain

A l’instar d’autres hymenoptères, la myrmécofaune peut interagir, directement ou indirectement, avec la communauté végétale. Par leur granivorie, les fourmis, dites moissonneuses, peuvent réduire le succès reproducteur des plantes phanérogames. Par le transport et le stockage des graines dans les loges du nid, ces fourmis sont également susceptibles de participer à leur dispersion loin de la plante-mère.

Par ailleurs, des fourmis non moissonneuses peuvent récolter occasionnellement des graines pourvues d’élaiosomes. Ces élaiosomes sont des corpuscules huileux très attractifs pour les fourmis. Celles-ci consomment l’élaiosome puis rejettent le reste de la graine ayant gardé son pouvoir germinatif. La dispersion de ces graines à élaoiosomes est donc assurée par les fourmis présentes dans le milieu.

Questions abordées

+ En région méditerranéenne, quel est l’impact de la fourmi moissonneuse, Messor barbarus, sur la communauté végétale?

+ Quelles caractéristiques des graines influencent leur récolte par les fourmis moissonneuses?

+ Quels sont les rôles respectifs des castes dans le recrutement et le transport de graines chez les fourmis moissonneuses ?

+ Dans nos régions tempérées, comment les fourmis contribuent-elles à la dispersion de graines à élaiosomes (le cas Lasius niger-Viola odorata) ?

Pour en savoir plus,

Thèse de Doctorat : Ana Hérédia

Mémoires : Misha Versaen (1995), Olivier Tasse (1997), L . Piraux (2002)

Publications : voir N° 18, 19, 21, 22

Division du travail au sein de la fourmilière

Ouvrières minor et major de la fourmi dimorphique Pheidole pallidula (Photo C. Detrain)

Certaines espèces de fourmis se caractérisent par un polymorphisme de la caste des ouvrières stériles. Ce polymorphisme se traduit par des différences dans la taille corporelle des individus, éventuellement associées à des spécialisations morphologiques (p.ex. mandibules hyperdéveloppées de certaines ouvrières). L’organisation sociale de la fourmilière repose alors sur une division du travail où les individus morphologiquement distincts se spécialisent dans un nombre de limité de tâches. Ce polyéthisme résulte de différences entre castes, soit qualitatives dans leurs répertoires comportementaux, soit quantitatives dans la fréquence de réalisation de certaines tâches et leurs seuils de réponse aux stimuli de l’environnement .

Classiquement, les ouvrières major sont appelés soldats car elles sont dotées de puissantes mandibules et participent à la défense de la société. Quant aux ouvrières minor, elles assurent la majorité des activités notamment à l’intérieur du nid. Cette division du travail entre minor et major n’est cependant pas la règle : chez plusieurs espèces, les majors participent activement aux soins aux larves ou à la récolte de nourriture.

Enfin, la distribution spatiale des castes sur l’aire de récolte et au sein du nid joue un rôle primordial dans l’organisation sociale de la fourmilière. Cette position spatiale des castes influence la nature des stimuli qu’elles perçoivent et, dès lors, détermine leurs activités et leur spécialisation fonctionnelle.

Questions abordées

+ Quels sont les répertoires comportementaux des castes des espèces polymorphes Pheidole pallidula et Messor barbarus ?

+ Les seuils de réponse comportementaux diffèrent-ils entre castes ? Des Seuils de réponse différents permettent-ils d’expliquer la division du travail entre castes ?

+ Les majors sont–elles spécialisées dans la défense de la société ou participent-elles aux tâches internes telles que le soin au couvain ?

+ Quelle est l’organisation spatiale des castes au sein du nid ? Dans quelle mesure ces structures spatiales conditionnent-elles la division du travail entre castes ?

Pour en savoir plus,

Thèse de doctorat : Claire Detrain (1989)

Grégory Sempo en cours

Publications : voir N° 2, 3, 4, 6 , 8, 15

Perspectives : Applications potentielles

Gestion de réseaux

Vers une gestion de précision des sociétés animales

Gestion de réseaux

Dans les sociétés d'insectes, les réponses structurées de la société émergent d'interactions multiples entre des individus disposant d'informations locales et obéissant à des règles comportementales simples. L'efficacité de cette intelligence décentralisée ou "en essaim" est bien établie chez les fourmis ou les abeilles. Par analogie, certains de ces principes peuvent être transposés à divers secteurs du monde économique.

L'intelligence en essaim est source d'inspiration notamment dans le secteur des télécommunications. En téléphonie classique ou sur le réseau Internet, le trafic des informations est souvent imprévisible et passe par des noeuds qui peuvent être saturés. Ces informations peuvent êtres gérées par un système bio-inspiré où tels des fourmis en quête de nourriture, des agents informatiques "déposent" des phéromones virtuelles (ici des bits d'information). Comme sur les pistes de fourmis, le jeu des amplifications et de l'évaporation de ces "phéromones virtuelles" permet de réorienter les appels et d'éviter la saturation de certains postes.

En robotique classique, les machines qui optimalisent une tâche répétitive et définie sont prisonnières de leur programmation rigide. A l'inverse, on peut concevoir une "société" de petits automates simples, peu coûteux qui communiquent et coopèrent. De tels robots-fourmis présentent un comportement collectif flexible qui les rend aptes à travailler dans des environnements imprévisibles, hostiles ou fluctuants. Des applications éventuelles sont l'exploration de milieux inconnus (planètes, fonds marins,...), la surveillance de surfaces de parkings et de stockage ou encore le contrôle de sociétés animales (voir ci-après).

Vers une gestion de précision des sociétés animales

Nombre d’espèces animales d’intérêt économique se caractérisent par un mode de vie sociale ou grégaire. La création de sociétés mixtes de robots et d’animaux qui coopèrent et échangent des informations semble aujourd’hui possible. Elle peut offrir des solutions concrètes à divers problèmes que rencontrent les éleveurs. Ainsi, les contraintes économiques imposent souvent aux producteurs d’atteindre un taux minimum de réponse (p.ex. un taux minimum d’alimentation) au sein de leurs élevages. Ces taux de réponse pourraient être plus aisément atteints et maintenus artificiellement par l’usage de plusieurs robots stimulant les animaux à réaliser le comportement souhaité. En outre, chaque robot ayant un rayon d’interaction limité aux animaux spatialement proches, la dispersion de plusieurs robots coordonnés au sein de l’élevage permettrait d’uniformiser voire de synchroniser la réponse de l’ensemble du groupe.

Si plusieurs robots peuvent aider à maintenir une cohérence comportementale au sein d’un groupe d’animaux, à l’inverse, ils peuvent contribuer à désynchroniser des populations et à prévenir l’émergence de comportements collectifs indésirables tels que des phénomènes de panique collective. L’introduction de plusieurs robots gardant, en toutes circonstances, des comportements normaux voire apaisants, permettrait de contrecarrer l’amplification de phénomènes locaux de panique et d’éviter leur contagion à l’ensemble de l’élevage.

Plusieurs robots de conception simple mais capables d’interagir selon des règles inspirées des sociétés d’insectes possèdent donc des propriétés remarquables de robustesse, de flexibilité et d’adaptation à un environnement changeant et imprédictible. A l’avenir, la création de sociétés mixtes de robots et d’animaux semble d’une part, un moyen élégant et innovant de concrétiser une synergie entre robotique et éthologie et d’autre part, ouvre de nouvelles perspectives dans la gestion du vivant.

Publications

INFORMATION PROCESSING IN SOCIAL INSECTS.
Edited by Detrain C., Deneubourg J.L. and Pasteels J.M. 1999, 432 pages. Hardcover . ISBN 3-7643-5792-4
Birkhauser Verlag - Postfach 133 CH-4010 Basel/Switzerland.

Publications - Claire Detrain

-1- (Z,E)-alpha-farnesene, main constituent of the hypertrophied Dufour gland of the majors of Pheidole pallidula (Formicidae).
Detrain C., Pasteels J.M., Braekman J.C. and Daloze D.
Experientia, 43 (1987), 345-346.

- 2 - Field study on foraging by the polymorphic ant Pheidole pallidula.
Detrain C.
Insectes Sociaux, 37 (4) (1990), 315-332.

- 3 - Caste differences in behavioral thresholds as a basis for polyethism during food recruitment in the ant Pheidole pallidula.
Detrain C. and Pasteels J.M.
J. Insect Behavior, 4(2), (1991), 157-177.

- 4 - Dynamics of collective exploration in the ant Pheidole pallidula.
Detrain C., Deneubourg J.L., Goss S. and Quinet Y.
Psyche, 98(1), (1991), 21-31.

- 5 - A new pheromone in the ant Pheidole pallidula.
Detrain C. and Cammaerts M.C.
Behavioural Processes, 24, (1991), 123-132.

- 6 - Caste polyethism and Collective defense in the ant Pheidole pallidula: the outcome of quantitative differences in recruitment.
Detrain C. and Pasteels J.M.
Behavioral Ecology and Sociobiology, 29,(1992), 405-412.

- 7 - A model for osmotropotactic orientation.
Calenbuhr V., Chrétien L., Deneubourg J.L. and Detrain C.
Journal of theoretical biology, 158, (1992), 395-407.

- 8 - Scavenging by Pheidole pallidula : a key for understanding decision-making systems in ants.
Detrain C. and Deneubourg J.L.
Animal Behaviour, 53, (1997), 537-547.

- 9 - Identification of a component of the trail pheromone of the ant Pheidole pallidula.
Ali M.F., Morgan E.D., Detrain C. and Attygale A.B.
Physiological Entomology, 13 (1988), 257-265

- 10 - Host-trail following by the myrmecophilous beetle Edaphopaussus favieri (Fairmaire, Carabidae, Paussinae).
Cammaerts R., Detrain C. and Cammaerts M.C.
Insectes Sociaux, 37(3) (1990), 200-211.

- 11 - Chemical defense in the three European species of Crematogaster ants.
Daloze D., Kaisin M., Detrain C. and Pasteels J.M.
Experientia, 47 (10), (1991), 1082-1088.

- 12 - Host trail-following by the guest ant Formicoxenus provancheri (Hymenoptera, Formicidae).
Lenoir A., Detrain C. and Barbazanges N.
Experientia, 48, (1992), 95-97.

- 13 - Venom constituents of three species of Crematogaster ants from Papua New Guinea.
Leclercq S., Braekman J.C., Kaisin M. Daloze D., Detrain C., de Biseau J.C., Pasteels J.M.
Journal of Natural Products, 60 (11), (1997), 1143-1147.

- 14 - The dynamics of collective sorting robot-like ants and ant-like robots.
Deneubourg J.L., Goss S., Franks N., Sendova-Franks A., Detrain C. and Chrétien L.
In: Simulation of adaptive behavior: from animals to animats. Meyer J.A. and Wilson S (eds), MIT Press, (1991), 356-365.

- 15 - Lipid storage by major workers and starvation resistance in the ant Pheidole pallidula.
Lachaud J.P., Passera L., Grimal A., Detrain C. and Beugnon G.
In: Biology and Evolution of Social Insects, Billen J (ed), Leuven University Press, Leuven (Belgium), (1992), 153-160.

- 16 - Decision-making in foraging by social insects
Detrain C., Deneubourg J.L. et J.M. Pasteels
In: Information processing in social insects. Detrain C., Deneubourg J.L. et J.M. Pasteels (eds), Birkhauser Verlag (1999), 331-354.

- 17 - Self-organization or individual complexity: a false dilemna or a true complementarity
Deneubourg J.L., Camazine S. and Detrain C.
In: Information processing in social insects. Detrain C., Deneubourg J.L. et J.M. Pasteels (eds), Birkhauser Verlag (1999), 401-408.

- 18 - Seed preferences of the harvester ant Messor barbarus in a Mediterranean mosaic grassland
Detrain C. and Pasteels J.M.
Sociobiology 35, (2000), 35-48

- 19 - A field assessment of optimal foraging in ants: trail patterns and seed retrieval by the European harvester ant Messor barbarus.
Detrain C., Tasse O., Versaen M. and Pasteels J.M.
Insectes sociaux 47, (2000), 56-62.

- 20 - How do the ants assess food volume?
Mailleux A.C., Deneubourg J.L. and Detrain C.
Animal behaviour 59, (2000), 1061-1069.

- 21 - Seed drops and caches by the harvester ant Messor barbarus: do they contribute to seed dispersal in Mediterranean grasslands?
Detrain C. and Tasse O
Naturwissenschaften, 87, (2000), 373-376

- 22 - Worker size polymorphism and ethological role of abdominal exocrine glands in the harvester ant Messor barbarus.
Heredia A. and Detrain C.
Insectes Sociaux 47, (2000), 383-389.

- 23 - The influence of the physical environment on the self-organised foraging patterns of ants

Detrain C., Natan C. and Deneubourg J.L.

Naturwissenschaften 88, (2001), 171-174.

- 24 - Plan d’organisation et population dans les sociétés d’insectes

Deneubourg J.L., Millor J., Theraulaz G. and Detrain C.

In: L’homme devant l’incertain. Odile Jacobs (ed). Paris (2001), 141-155.

- 25 - Complexity of environment and parsimony of decision rules in Insect societies

Detrain C. and J.L. Deneubourg

The Biological Bulletin, 202 (2002), 268-274.

- 26 - Dynamics of aggregation and emergence of cooperation

Deneubourg J.L., Lioni A. and Detrain C.

The Biological Bulletin, 202 (2002), 262-267.

Liens

Fourmis et autres insectes sociaux

Insectes Sociaux - official journal of the International Union for the Study of Social Insects (IUSSI)
IUSSI - official web site
The Social Insects Web
UIEIS - section française de l'IUSSI

Intelligence collective et robotique

· Silsoe Research Institute : Robots utilisés dans l’élevage et l’agriculture

· Ecole Polytechnique de Lausanne - Sociétés de micro-robots

Projet en cours