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Posté par Adrien le Lundi 30/04/2018 à 00:00
L'effet domino dans les décisions collectives des bancs de poissons
L'étude des mécanismes de coordination des mouvements et de propagation de l'information dans des bancs de poissons ou des nuées d'oiseaux, par exemple en cas d'attaque de prédateurs, est essentielle pour comprendre les bénéfices de la vie en groupe. Les chercheurs ont étudié et modélisé la propagation d'information dans des bancs de poissons lorsque ceux-ci changent collectivement la direction de leurs déplacement. Les résultats, publiés le 25 avril 2018 dans les Proceedings of the Royal Society B, montrent que chaque poisson (Les Poissons sont une constellation du zodiaque traversée par le Soleil du 12 mars au 18 avril. Dans l'ordre du zodiaque, elle se situe entre le Verseau à l'ouest et...) imite le comportement d'un petit nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de ses voisins et que ce mécanisme se propage de proche en proche à la manière d'un effet domino.


Figure: A gauche: dispositif experimental utilisé pour étudier la propagation de l'information dasn des groupes de poissons. A droite: Reconstruction des trajectoires individuelles d'un groupe de 4 poissons lors d'un demi-tour collectif.
© David Villa ScienceImage/CBI/CNRS, Toulouse

Les déplacements collectifs de groupes d'animaux constituent un des phénomènes les plus spectaculaires observés dans la nature, mais l'analyse rigoureuse de ces phénomènes est très récente et n'a été rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D...) possible que grâce aux progrès technologiques réalisés dans l'acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un bien.) et le traitement des données. Ces mouvements collectifs résultent d'interactions locales entre les individus et s'accompagnent de la formation de structures spatiales et temporelles à grande échelle. Ils jouent un rôle fondamental dans la défense du groupe, la reproduction (La Reproduction. Eléments pour une théorie du système d'enseignement est un ouvrage de sociologie co-écrit par Pierre Bourdieu et Jean-Claude Passeron paru en...), ou la 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 métonymique, la...) de nourriture, améliorant la capacité de survie des individus. Pour comprendre ces phénomènes collectifs, il est important de caractériser la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) des interactions entre les individus d'un groupe.

Des chercheurs du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) à Toulouse, de l'Université Normale à Pékin, et de l'Université de Groningen aux Pays-Bas ont ainsi étudié une espèce de poisson (Dans la classification classique, les poissons sont des animaux vertébrés aquatiques à branchies, pourvus de nageoires et dont le corps est le plus souvent couvert d'écailles. On les...) tropical, le nez (Le nez (du latin nasus) est chez l'homme la saillie médiane du visage située au-dessus de la lèvre supérieure et qui, en le surplombant, recouvre l'orifice des fosses nasales,...) rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) (Hemigrammus rhodostomus), dont le comportement de nage en banc est très prononcé. Des groupes de 1 à 20 poissons ont été placés dans un dispositif annulaire et les déplacements de chaque individu (Le Wiktionnaire est un projet de dictionnaire libre et gratuit similaire à Wikipédia (tous deux sont soutenus par la fondation Wikimedia).) ont été suivis automatiquement au moyen d'un logiciel (En informatique, un logiciel est un ensemble d'informations relatives à des traitements effectués automatiquement par un appareil informatique. Y sont inclus les...). Dans ce dispositif, les groupes de poissons nagent soit dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution...) des aiguilles d'une montre, soit dans le sens opposé, et ils effectuent spontanément et collectivement des demi-tours. Les chercheurs ont étudié l'effet de la taille de groupe sur la fréquence de ces demi-tours ainsi que la dynamique des interactions entre les poissons au cours de ces évènements.

Ils ont observé que la fréquence des demi-tours diminue fortement lorsque la taille du groupe augmente, passant de plusieurs demi-tours par minute ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la...) dans les petites tailles de groupe à un demi-tour toutes les demi-heures pour les plus grandes. Il est plus difficile pour un poisson d'initier un demi-tour lorsque le nombre de poissons nageant dans la direction opposée devient trop important. Par ailleurs, dans toutes les tailles de groupe, les poissons qui initient le demi-tour du groupe sont le plus souvent ceux qui sont situés en tête, car dans cette position, ils sont moins sensibles à l'influence des autres. Une fois qu'un demi-tour a été initié par un poisson, la nouvelle direction de nage se propage linéairement à l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble),...) du groupe d'avant en arrière. Il n'y a donc ni amortissement ni amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.) de l'information. On observe un effet de type domino, ce qui suggère qu'à chaque instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être...), les poissons interagissent uniquement avec un petit nombre de leurs voisins (entre un et deux). De plus, les chercheurs ont montré que les demi-tours étaient précédés en amont d'une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de ralentissement (Le signal de ralentissement (de type SNCF) annonce une aiguille (ou plusieurs) en position déviée qui ne peut être franchie à la...) du groupe. Comme ils l'ont mis en évidence dans des travaux précédents, ce ralentissement engendre une amplification des fluctuations des directions de nage individuelles résultant de la diminution de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui...) d'alignement entre poissons avec leur vitesse (On distingue :), et favorisant ainsi l'émergence d'un demi-tour.

Pour mieux comprendre les mécanismes individuels à l'origine de ces phénomènes et comment la taille de groupe influence leur fréquence d'apparition, les chercheurs ont développé un modèle s'inspirant du modèle d'Ising utilisé en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat...) pour décrire différents phénomènes dans lesquels des effets collectifs résultent d'interactions locales entre particules à deux états, comme le ferromagnétisme des aimants. Dans ce modèle, un petit nombre de paramètres permet de contrôler l'intensité avec laquelle les poissons imitent la direction de nage de leurs voisins et comment l'intensité de cette imitation est pondérée par la position relative des voisins autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent...) d'un poisson. En effet, l'anisotropie (L'anisotropie (contraire d'isotropie) est la propriété d'être dépendant de la direction. Quelque chose d'anisotrope pourra présenter différentes caractéristiques selon la...) de perception des poissons favorise l'imitation de la direction des voisins situés devant le poisson au détriment de ceux situés à l'arrière. Ce modèle permet d'introduire des mesures quantitatives inspirées de la physique statistique, tel que « l'inconfort » d'un individu vis-à-vis de la direction de nage des autres membres du groupe, analogue à une « énergie d'interaction sociale ». La comparaison des simulations du modèle avec les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) expérimentales suggère que l'influence de la conformité sociale, c'est-à-dire la tendance d'un individu à imiter le comportement de ses voisins, s'exerce de manière non-linéaire sur les poissons et qu'elle est fortement modulée par leur anisotropie de perception. Le modèle montre que la combinaison (Une combinaison peut être :) de ces deux mécanismes permet d'expliquer l'ensemble des dynamiques collectives observées expérimentalement, ainsi que la propagation de l'information dans le banc qui est similaire à un effet domino.

L'étude du traitement collectif de l'information chez les animaux vivant en groupe ou en sociétés plus organisées, comme les insectes (Insectes est une revue francophone d'écologie et d'entomologie destinée à un large public d'amateurs et de naturalistes. Produite par l'Office pour les insectes et leur...) sociaux, permet de mieux comprendre les mécanismes qui, au niveau individuel, conditionnent la capacité qu'ont ces groupes à développer une forme d'intelligence collective, c'est-à-dire leur capacité à résoudre collectivement des problèmes de nature très variée. En outre, ces travaux ouvrent des perspectives pour le développement d'algorithmes bio-inspirés permettant le contrôle distribué d'essaims de drones ou de groupes de microrobots autonomes dans des tâches collectives impliquant la coordination de multiples actions individuelles.

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Source: CNRS-INSB