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Posté par Isabelle le Dimanche 22/10/2017 à 12:00
Comment la lumière et le vent modèlent les arbres
Comprendre la forme des arbres… Pour atteindre cet objectif, un groupe de recherche interdisciplinaire de Centrale Marseille, de l'Inra, d'AgroParisTech, du CNRS, d'Aix-Marseille Université(1), a mis au point un modèle original simulant l'évolution d'une forêt pendant plus de 200 000 ans. Les arbres qui poussent dans cette forêt virtuelle sont en compétition pour l'accès à la lumière, ajustent leur croissance en réponse au vent et sont soumis à des tempêtes qui peuvent casser leurs branches. Lumière et vent sélectionnent des formes fractales dont les invariants d'échelle sont similaires à ceux observés par les écologues et les forestiers sur les arbres. L'action conjointe du vent et de la lumière peut ainsi expliquer comment la forme des arbres a émergé, au cours de l'évolution. Ces résultats sont publiés le 18 octobre 2017 dans Nature Communications.

Un groupe interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) de chercheurs, associant des biomécaniciens et des écophysiologistes des arbres de l’Inra et d’AgroParisTech, des physiciens des systèmes complexes de l’Ecole Centrale de Marseille et du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public...), a entrepris le pari de simuler un monde virtuel (Un monde virtuel est un monde créé artificiellement par un logiciel informatique et pouvant héberger une communauté d'utilisateurs présents sous forme d'avatars ayant la...) où des arbres croissent, se reproduisent et meurent sur des périodes telles que l’on peut suivre leur évolution darwinienne. Ils ont ensuite utilisé ce modèle pour tester une hypothèse audacieuse: et si les lois décrivant la forme des arbres avaient pu émerger en réponse à la compétition pour la lumière et aux dangers liés au vent ?

Un arbre virtuel à la pointe des dernières connaissances

Les scientifiques ont utilisé les dernières connaissances sur les réponses des plantes à la lumière et au vent pour construire un modèle de développement d’arbre. Les arbres virtuels sont capables d’intercepter la lumière, de répartir les produits de la photosynthèse entre organes, d’initier des branches, mais aussi de produire des graines qui germent après être tombées. Surtout, le modèle inclut deux découvertes récentes: la localisation des nouvelles branches qui bourgeonnent dépend de la lumière reçue et la croissance en diamètre des branches est pilotée par la perception des déformations au vent, un phénomène appelé thigmomorphogénèse qui contrôle, pour une grande part, la production de bois sous nos climats. Le modèle incorpore également des connaissances en météorologie et en biomécanique afin de simuler la casse au vent lors de tempêtes. Ces processus ont été intégrés dans un modèle informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de l'information par des machines telles que les...) innovant, permettant des calculs à haute performance.

Des îles, des graines, la sélection naturelle … et des milliers d’heures de calcul

Il ne restait plus qu’à semer des graines virtuelles et laisser la sélection naturelle faire son œuvre. Mais comment prendre en compte la variabilité génétique ? Tous les processus de l’arbre virtuel dépendent de paramètres quantitatifs décrivant la sensibilité à la lumière, au vent ou les priorités concernent la distribution des produits de la photosynthèse. Ces paramètres peuvent être interprétés comme des gènes de l’arbre. Il suffit alors d’imaginer que leurs valeurs peuvent varier, de génération en génération, par des mutations génétiques aléatoires. L’évolution est ensuite simulée sur une île virtuelle, baignée de soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...) et de vent. Pourquoi une île ? Parce qu’on peut supposer qu’elle est isolée et ne reçoit pas de graine (Dans le cycle de vie des « plantes à graines », la graine est la structure qui contient et protège l'embryon végétal. Elle est souvent contenue dans...) ou de pollen (Le pollen (du grec palè : farine ou poussière) constitue, chez les végétaux supérieurs, l'élément fécondant mâle de la fleur : ce sont de minuscules grains de forme plus ou moins...) d’autres endroits. Et aussi parce que les études d’écologie évolutive ont montré que les îles assuraient une sélection rapide.

Ainsi, le programme informatique (Un programme informatique est une liste d'ordres indiquant à un ordinateur ce qu'il doit faire. Il se présente sous la forme d'une ou plusieurs séquences d'instructions, comportant souvent des données de...), appelé MechaTree, permet d’ensemencer des centaines d’îles virtuelles avec des graines dont les paramètres-gènes sont aléatoires. Les arbres germent, poussent, une forêt dense se développe. Les individus moins favorablement pourvus génétiquement disparaissent (c’est l’auto-éclaircie), les autres se reproduisent plus ou moins, c’est la sélection naturelle (virtuelle ici !). Puis les graines germent à nouveau, certaines espèces dominent l’île, d’autres disparaissent parfois.

Des milliers d’heures de calcul plus tard, représentant près de 200 000 ans de la vie (La vie est le nom donné :) d’une forêt, les chercheurs ont pu étudier les arbres des espèces survivantes. Et là, heureuse découverte: ces forêts et ces arbres présentaient toutes les lois d’échelles observées sur les arbres*: la loi d’auto-éclaircie, la dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou...) fractale (On nomme fractale ou fractal (nom masculin moins usité), une courbe ou surface de forme irrégulière ou morcelée qui se crée en suivant des règles déterministes ou stochastiques. Le terme...), les allométries de taille avec le diamètre et même… la fameuse loi de Léonard de Vinci !

Une sélection naturelle par le couple vent-lumière… mais pas seulement

Qu’en conclure sur la sélection de la forme des arbres ? Le modèle développé permet de préciser les rôles joués par la lumière et le vent. Il apparaît que la transparence (Un matériau ou un objet est qualifié de transparent lorsqu'il se laisse traverser par la lumière. Cette notion dépend de la longueur d'onde de la lumière : ainsi, le verre est...) du feuillage et la compétition pour la lumière sont les premiers déterminants de la dimension fractale de l’arbre. De son côté, la réponse au vent, la thigmomorphogénèse, contrôle l’évolution du diamètre des branches.

Selon les chercheurs, d’autres facteurs ont pu jouer dans la sélection naturelle, comme le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de...) hydraulique (L'hydraulique désigne la branche de la physique qui étudie les liquides. En tant que telle, les champs d'investigation qu'elle propose regroupent plusieurs domaines :) de sève. Il est même probable qu’en fonction de l’environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme...) où ont évolué les espèces, c’est la conduction de la sève ou la résistance au vent qui a exercé la plus grande pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) sélective. Cette étude a cependant démontré que le couple lumière-vent joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à...) un rôle crucial dans la forme des arbres. Cette découverte change la donne en écologie forestière, mais elle change aussi nos représentations de ce qu’est un arbre et de ce qui a fait les arbres actuels !

Des milliers d’heures de calcul plus tard, représentant près de 200 000 ans de la vie d’une forêt, les chercheurs ont pu étudier les arbres des espèces survivantes. Et là, heureuse découverte: ces forêts et ces arbres présentaient toutes les lois d’échelles observées sur les arbres*: la loi d’auto-éclaircie, la dimension fractale, les allométries de taille avec le diamètre et même… la fameuse loi de Léonard de Vinci !


Programme MechaTree

* Les invariants d’échelle chez les arbres

  
Les arbres appartiennent à des groupes phyllogénétiques variés et il semble que le port arborescent ait été inventé plusieurs fois au cours de l’évolution. Quelles sont les caractéristiques de forme communes aux arbres actuels ? Et comment ces caractéristiques ont-elles émergé ? Ces questions ont traversé les âges.
  
Léonard de Vinci (c. 1478 – 1518), déjà, avait remarqué que, dans un arbre, la somme des sections des branches portées par un tronc (Un tronc peut être :) est égale à la section de ce dernier. Plus tard avec l’avènement des fractales, on a pu montrer que les arbres se structuraient de manière auto-similaire, avec une dimension fractale de l’ordre de 2.5. Dans le même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), forestiers et écologues repéraient des lois d’échelle dites allométriques au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en...) des populations arborées. Ces lois relient, par exemple, la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à...) moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient...) des individus et le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d’individus par hectare (loi d’auto-éclaircie) ou la hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) de l’arbre et le diamètre de son tronc. On parle ici d’allométrie quand deux quantités, x et y, sont reliées par une loi de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) du type y = k xa. Enfin, au niveau de l’arbre, on pouvait observer des lois de défilement du diamètre assez largement partagées.
   
Mais qu’est ce qui pouvait expliquer toutes ces lois empiriques ? Jusqu’alors, l’explication la plus communément admise était que la forme des arbres résulte de deux lois: une loi de maximisation de la performance hydraulique dans la conduction de la sève des racines vers les feuilles, et une loi de portée mécanique maximale leur évitant de s’effondrer sous leur propre poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est...) (flambage). Mais cette explication a des faiblesses. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d’abord elle est statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut être employé comme :): comment les arbres s’y prennent-ils pour satisfaire ces lois au cours de leur croissance ? On ne peut le dire. Par ailleurs, elle ne dit rien sur la façon dont l’évolution a pu sélectionner ces fonctions optimales. Enfin, elle néglige deux facteurs tout aussi cruciaux que la conduction d’eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) ou le flambage (Le flambage est la tendance qu'a un matériau soumis à une force de compression longitudinale à fléchir, et donc à se déformer dans une direction perpendiculaire à la...) pour les plantes terrestres: la compétition pour la lumière et la résistance au vent. Ce sont ces différents aspects que cette nouvelle étude vient éclaircir.

Notes:

(1) Les chercheurs de ce groupe interdisciplinaire appartiennent aux unités suivantes: « Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter...) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) sur les phénomènes hors équilibre (IRPHE) » Aix-Marseille Université-CNRS-Centrale Marseille ; « Laboratoire de Recherches sur la Forêt et le Bois (LERFoB) » Inra- AgroParisTech ; et « Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) et physiologie Intégratives de l'Arbre en environnement Fluctuant (PIAF) » Inra- Université Clermont-Auvergne.


Référence publication:
Christophe Eloy, Meriem Fournier, André Lacointe & Bruno Moulia. Wind (WIND est un satellite de la NASA lancé le 1er novembre 1994 depuis la base de Cape Canaveral par un lanceur Delta II. De forme cylindrique de 2,4...) loads and competition for light sculpt trees into self-similar structures, Nature Communications doi:10.1038/s41467-017-00995-6

Contact(s) scientifique(s):
- Bruno Moulia l’unité mixte de recherche « Physique et physiologie Intégratives de l'Arbre en environnement Fluctuant » (PIAF), Inra-Université Clermont-Auvergne
- Christophe Eloy / professeur de mécanique à l’Ecole Centrale Marseille Institut de recherche sur les phénomènes hors équilibre (IRPHE), Aix-Marseille Université, CNRS, Centrale Marseill

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Source: CNRS/INRA
 
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