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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 (La vie est le nom donné :) 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 ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le...). 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 le Bélier à...) 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 comportant à la fois des objets...) 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 (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.). Ces mouvements collectifs résultent d'interactions locales entre les individus et s'accompagnent de la formation de structures spatiales et temporelles à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de grande hauteur. Le terme « grande...). 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 1970 aux...), 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...) 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 (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis,...) Normale à Pékin (Pékin (ou Beijing) (?? ; pinyin : B?ij?ng   Écouter la prononciation en mandarin , « la capitale du...), et de l'Université de Groningen aux Pays-Bas ont ainsi étudié une espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de base de la systématique. L'espèce est un concept flou dont il existe une...) 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 trouve abondamment aussi bien en eau douce...) 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,...) 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 instructions de traitement, regroupées sous forme de...). 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...) des aiguilles d'une montre, soit dans le sens opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits opposés lorsqu'ils sont insérés au même...), et ils effectuent spontanément et collectivement des demi-tours. Les chercheurs ont étudié l'effet de la taille de groupe sur la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans...) 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 minute de terrain est la carte originale, au...) 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), « une multitude qui peut être comprise comme un tout »,...) 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 considéré comme une durée.), 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 vitesse normale de la ligne.) 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 suppose l'entrée en contact de sujets.) 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 général et ancien, la physique...) statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une méthode...) pour décrire différents phénomènes dans lesquels des effets collectifs résultent d'interactions locales entre particules à deux états, comme le ferromagnétisme (Le ferromagnétisme est la propriété qu'ont certains corps de s'aimanter très fortement sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, et pour certains...) 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...) 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 direction.) 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 (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) 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 d’étude...) 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...) 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 (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) 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
 
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