29 Avr La vie en hauteur : les minuscules ingénieurs qui construisent avec leur corps

Des scientifiques de l’Institut Weizmann révèlent comment les fourmis tisserandes « pensent » en groupe et relient leurs corps entre eux pour « zipper » la cime des arbres.

Les forêts tropicales du nord de l’Australie abritent des colonies de fourmis extraordinaires. Au lieu de vivre dans des terriers souterrains, ces fourmis habitent la canopée des arbres, à des dizaines de mètres au-dessus du sol, à l’intérieur de sphères creuses qu’elles construisent à partir de feuilles d’arbres. Pendant la construction, les fourmis s’enchaînent les unes aux autres pour former des outils vivants, finissant par tisser les feuilles en nids à l’aide de fils de soie produits par leurs larves – d’où leur nom : les fourmis tisserandes.

Emménagement dans des sphères en hauteur (de gauche à droite) : Michal Roitman, le professeur Ofer Feinerman, Gadi Trocki et le Dr Ehud Fonio

Dans une nouvelle étude, publiée récemment dans Current Biology, des chercheurs du groupe du professeur Ofer Feinerman à l’Institut Weizmann des Sciences ont étudié ce phénomène en laboratoire à l’aide d’un réseau de 52 caméras 4K synchronisées. Ils ont observé comment la colonie de fourmis créait et déployait des « fermetures éclair » et des « contrepoids », résolvant des problèmes complexes et construisant à plusieurs reprises des nids stables sans confusion apparente – d’une manière qui suggère des capacités cognitives sophistiquées.

Pour étudier correctement une colonie de fourmis, les chercheurs doivent d’abord en trouver une, puis la transférer – intacte – au laboratoire. À cette fin, le professeur Feinerman et le Dr Ehud Fonio, tous deux du Département de Physique des Systèmes Complexes de l’Institut Weizmann, se sont rendus à Townsville, dans le Queensland, au nord-est de l’Australie.

« Chaque colonie de fourmis tisserandes de la forêt tropicale peut s’étendre sur des dizaines de nids situés dans la canopée de plusieurs arbres très hauts », explique Feinerman. « Pourtant, il n’y a qu’une seule reine, sans laquelle la colonie ne peut survivre longtemps. La trouver revient à localiser une seule personne dans une grande métropole. Nous avons donc concentré nos recherches sur les arbres plantés dans les quartiers nouvellement développés à la périphérie de la ville, où les colonies sont encore jeunes et relativement petites, et où la cime des arbres est moins haute. »

Infographic : Weizmann Institute of Science

Lorsqu’elles se sentent menacées, les fourmis tisserandes mordent et libèrent de l’acide formique ; les chercheurs portaient donc des combinaisons d’apiculteur pour se protéger. À plusieurs reprises, des habitants du quartier qui les avaient aperçus dans leur équipement de protection leur ont demandé de les aider à éliminer ces fourmis agressives de leurs jardins, et les recherches se sont étendues aux jardins voisins. Une nuit, les fourmis capturées ont réussi à s’échapper, mais les scientifiques n’ont pas baissé les bras. Le lendemain, ils ont repris leurs recherches et ont mis au point des méthodes ingénieuses pour transporter les fourmis en toute sécurité.

De retour au laboratoire, une équipe de recherche dirigée par les doctorants Gadi Trocki et Michal Roitman, du groupe du professeur  Feinerman, a conçu une arène surveillée par caméra simulant une branche portant quatre feuilles artificielles. Lors de chaque expérience, les chercheurs ont introduit des centaines de fourmis dans l’arène et ont suivi la construction du nid.

« La colonie utilisait deux types d’outils : des fermetures éclair et des poids », explique le professeur Feinerman. « Pour fermer deux feuilles l’une contre l’autre, les fourmis formaient des chaînes qui enjambaient l’espace entre les feuilles et les tiraient l’une vers l’autre. Au départ, les chaînes se formaient à la base des feuilles, près de la branche, là où la distance entre elles est la plus courte. À mesure que les feuilles se rapprochaient, d’autres chaînes se formaient plus près des extrémités, à l’image d’une fermeture éclair vivante se refermant progressivement. Ce mouvement de fermeture a non seulement joint les feuilles, mais les a également fait se courber vers le haut ou vers le bas. Les « poids » étaient des chaînes de fourmis suspendues aux extrémités des feuilles, les tirant vers le bas par gravité. Bien que ces capacités soient impressionnantes en elles-mêmes, nous pensons que dans son habitat naturel, la colonie utilise probablement un éventail d’outils encore plus large. »

Lors de chaque expérience de construction de nid, les chercheurs ont modifié l’angle initial des feuilles – en les inclinant vers le haut ou vers le bas – et ont étudié l’impact de ce changement sur la construction.

« Nous avons constaté que, jusqu’à un certain angle, les fourmis pliaient toujours les feuilles vers le bas pour former une structure sphérique, et qu’au-delà de ce seuil, elles les pliaient vers le haut, en raison de contraintes géométriques », explique le professeur Feinerman. « À l’angle de transition, nous nous attendions à ce qu’elles soient désorientées, qu’elles tirent différentes feuilles dans des directions opposées et qu’elles ne parviennent pas à former une sphère fermée. Mais cela ne s’est pas produit. Au contraire, nous avons découvert que les fourmis courbent toujours d’abord une paire de feuilles dans une direction particulière, puis attachent les feuilles restantes à cette paire. Cela garantit que toutes les feuilles se courbent dans la même direction. »

Dans les forêts tropicales du nord de l’Australie, les fourmis tisserandes s’entrelacent pour former des outils vivants. Photo : Laboratoire Feinerman

On ignore encore comment elles parviennent à cette coordination. « Il est possible que nous observions ici des capacités cognitives collectives », explique le professeur Feinerman. « Une hypothèse est que les fourmis communiquent et coordonnent la disposition des feuilles en sécrétant et en détectant des signaux chimiques odorants appelés phéromones. Une autre possibilité est que cette disposition résulte de la dynamique de groupe : ce n’est qu’après avoir relié une paire de feuilles que les ouvrières postées à cet endroit peuvent se consacrer à relier les feuilles adjacentes. Il se peut toutefois qu’il ne s’agisse pas du tout d’une planification collective, mais plutôt de considérations d’efficacité locale. Lorsqu’elles attachent une feuille dépliée à une paire déjà pliée, les fourmis à cette jonction ont besoin d’exercer moins de force pour achever le pliage rapidement – ce qui, à son tour, crée un effet domino, les feuilles s’assemblant les unes après les autres. Pour l’instant, la question reste ouverte. »

Au cours de la phase suivante de l’étude, les chercheurs ont cherché à comprendre pourquoi les fourmis construisent systématiquement des nids sphériques creux plutôt que d’autres formes. Pour répondre à cette question, ils ont eu recours à des outils issus de la géométrie gaussienne.

Imaginez un ballon de basket composé de morceaux de cuir incurvés : chaque morceau est plus large au centre et plus étroit vers les extrémités, formant ainsi une figure elliptique. Les feuilles ont une forme elliptique similaire. Lorsque les fourmis assemblent leurs bords, les contraintes géométriques font que la surface fermée qui en résulte forme une sphère. Cette configuration géométriquement stable offre une rigidité structurelle face à la compression – un avantage significatif dans la forêt tropicale –, tandis que l’intérieur creux offre un espace de vie spacieux à la colonie. Dans ce cas, c’est la géométrie – plutôt que l’intention collective – qui détermine la forme finale du nid.

« Nous avons essayé de tailler et d’agencer les feuilles de manière à empêcher les fourmis de former une structure fermée », ajoute le professeur Feinerman. « Pourtant, la colonie surmonte à chaque fois des défis complexes et atteint son objectif collectif. Cela suggère que des capacités cognitives très développées sont inscrites dans leur comportement social. »

La Science en Chiffres

Une reine de fourmis tisserandes peut pondre jusqu’à un demi-million d’œufs en trois mois, soit environ 5 000 par jour. Chaque nid, composé de 100 à plusieurs centaines de feuilles, peut abriter jusqu’à 50 000 fourmis.