Des défauts topologiques à l'origine de la complexité des nids de termites Apicotermes

Publié par Isabelle le 24/01/2021 à 13:00
Source: CNRS INSB
Les nids de termites du genre Apicotermes possèdent l'une des architectures plus complexes parmi toutes celles que construisent les insectes sociaux. Pour comprendre les mécanismes impliqués dans la construction de ces structures, les scientifiques ont combiné des techniques d'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui...) 3D et de modélisation mathématique. Ces travaux publiés dans la revue PNAS, montrent que l'architecture (Architectures est une série documentaire proposée par Frédéric Campain et Richard Copans,...) de ces nids résulte d'interactions comportementales et physiques simples entre les termites et les structures qu'ils construisent et que les rampes linéaires et hélicoïdales reliant les différents étages d'un nid (Le nid désigne généralement la structure construite par les oiseaux pour contenir...) résultent de défauts topologiques (ou dislocations) qui émergent au cours de la construction et du remodelage du nid.


(a) Reconstruction tridimensionnelle d'un nid d'Apicotermes lamani originaire de Pointe Noire (République du Congo) au sein duquel sont représentées les positions d'une rampe linéaire (b) et de deux rampes hélicoïdales (c) reliant plusieurs étages du nid. Ces rampes résultent de la création de défauts topologiques ou dislocations produites cours du remodelage du nid par les termites et qui conduisent au désalignement des planchers délimitant les différentes chambres. (d). Les rampes linéaires apparaissent au niveau de dislocations coin qui résultent de l'introduction d'un demi plancher dans la succession régulière des planchers du nid. (e). Les rampes hélicoïdales apparaissent au niveau de dislocations vis qui résultent d'un désalignement des planchers autour d'un plan de glissement perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en...) aux planchers. (f). Trois étapes successives (t1, t2 et t3) de la formation d'une rampe hélicoïdale dans une simulation numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) du modèle de construction de nids.
© Guy Theraulaz

Les termites du genre Apicotermes ont développé l'art de la construction des nids à un niveau inégalé dans le règne animal (Un animal (du latin animus, esprit, ou principe vital) est, selon la classification classique, un...). Ces sociétés de termites vivent exclusivement en Afrique (D’une superficie de 30 221 532 km2 en incluant les îles,...) dans la forêt (Une forêt ou un massif forestier est une étendue boisée, relativement dense,...) et la savane et construisent leurs nids sous terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) entre vingt et soixante centimètres de profondeur. De forme ovoïde et pouvant atteindre une hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) de quelques dizaines de centimètres, la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) des nids est couverte de petits orifices en forme de gargouilles disposées en lignes très régulièrement espacées et qui parcourent toute la circonférence externe de la paroi. L'intérieur est constitué d'une succession de vastes chambres superposées les unes aux autres et qui sont délimitées par des planchers parallèles et régulièrement espacés ; par ailleurs des rampes linéaires et hélicoïdales assurent la communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) entre les différents étages du nid.

Comment des insectes (Insectes est une revue francophone d'écologie et d'entomologie destinée à un large...) au comportement rudimentaire parviennent-ils à construire de tels chefs-d'oeuvre d'architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) ? Et quels sont les processus intervenant dans leur morphogenèse ? Pour répondre à ces questions les chercheurs, dans le cadre d'une collaboration avec le département de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) d'Harvard (USA) ont tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) d'abord caractérisé et quantifié la structure tridimensionnelle des nids réalisées par ces termites au moyen de techniques d'imagerie 3D (tomographie aux rayons X). Ils ont ensuite construit un modèle mathématique (Un modèle mathématique est une traduction de la réalité pour pouvoir lui appliquer les outils,...) simple reposant sur des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) expérimentales et décrivant les interactions physiques et biologiques entre les termites, une phéromone (Les phéromones sont des substances chimiques émises par la plupart des animaux et...) de construction sécrétée par ces derniers qui guide leur comportement bâtisseur et enfin la terre utilisée pour construire le nid.

Ces travaux montrent que les processus de morphogenèse des nids d'Apicotermes résultent d'une boucle de rétroaction complexe dans laquelle l'architecture du nid dicte à chaque instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas...) les espaces accessibles aux termites, la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) de termites dans les différentes zones du nid détermine à son tour la concentration de phéromone de construction qui y est présente, et cette dernière sert enfin de gabarit pour le remodelage de l'architecture du nid par les termites. Les simulations numériques du modèle reproduisent fidèlement la structure des nids d'Apicotermes avec des planchers régulièrement espacés qui sont reliés en certains endroits par des rampes linéaires et hélicoïdales. L'analyse du modèle montre également que ces rampes résultent de la création de défauts topologiques ou dislocations.

Au cours du remodelage du nid, il arrive en effet que des planchers contigus ne soient plus alignés. Lorsque cela se produit, le désalignement des planchers crée soit des "dislocations coin" au niveau desquelles apparaissent des rampes linéaires reliant les étages adjacents ou des "dislocations vis" (un désalignement des planchers autour d'un plan de glissement) qui fournissent l'axe de rotation autour duquel apparaissent des rampes hélicoïdales.

Ainsi, la complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par...) des nids construits par les termites résulte d'un décalage spatial et temporel dans la croissance des différents éléments qui les composent. Ces résultats illustrent également une des principales propriétés des processus d'auto-organisation (L'auto-organisation est un phénomène de mise en ordre croissant, et allant en sens inverse de...) chez les insectes sociaux qui est de permettre l'émergence de propriétés nouvelles à l'échelle collective à partir de comportements individuels et d'interactions physiques et biologiques extrêmement simples.

Pour en savoir plus:
Self-organized biotectonics of termite nests
Heyde A., Guo L., Jost C., Theraulaz G. & Mahadevan L.
Proceedings of The National Academy of Sciences USA 19 janvier 2021. https://doi.org/10.1073/pnas.2006985118

Laboratoire:
Centre de recherches sur la cognition animale, Centre de Biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant....) Intégrative (CBI-CRCA) - (CNRS/Université Toulouse III - Paul Sabatier) - 118 route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie...) de Narbonne, 31062 Toulouse Cedex 4.

Contact:
Guy Theraulaz - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) au Centre de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) sur la cognition animale (CRCA) - guy.theraulaz at univ-tlse3.fr
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