Deborah Gordon et les fourmis

J'étudie les fourmis, et c'est parce que j'aime réfléchir à comment les organisations fonctionnent. Et en particulier, comment de simples parties d'une organisation interagissent pour créer un comportement d'une organisation toute entière. Alors, les colonies de fourmis sont un bon exemple d'une telle organisation, et il y en a plein d'autres. Le web en est une. Il y a beaucoup de systèmes biologiques similaires -- le cerveau, les cellules, les embryons qui se développent.

Il y a environ 10 000 espèces de fourmis. Elles vivent toutes en colonies, formées d'une ou de quelques reines et ensuite vous avez les fourmis que vous voyez autour de vous, qui sont toutes des ouvrières stériles. Ce que toutes les colonies de fourmis ont en commun, c'est qu'il n'y a aucun contrôle centralisé. Il n'y a personne pour dire quoi faire à qui que ce soit. La reine pond les œufs. Il n'y a aucune gestion. Aucune fourmi ne commande le comportement d'une autre fourmi. Alors j'essaie de comprendre comment ça marche. Et j'ai travaillé pendant les 20 dernières années sur une population de fourmis mangeuses de graines dans le Sud-Est de l'Arizona.

Voici le site de mes recherches. C'est une vraie photo de fourmis et le lapin se trouve être là au milieu. Ces fourmis sont appelées moissonneuses parce qu'elles mangent les graines. Voici le nid d'une colonie mure et voici l'entrée du nid. Et elles creusent dans un rayon de 20 mètres autour ramassent les graines, les ramènent au nid et les stockent. Chaque année j'y retourne et je fais une carte du site que j'étudie. Il y a juste une route, pas très grande, 250 mètres d'un côté, 400 de l'autre. Chaque colonie a un nom, qui est un numéro, peint sur un rocher. Chaque année, j'y vais et je recherche les colonies qui étaient vivantes l'année précédente, et je recherche celle qui ont disparues, et ajoute les nouvelles colonies sur la carte. En faisant ceci, je sais quel âge elles ont. Et grâce à cela, j'ai pu étudier comment leur comportement change quand la colonie vieillit et grossit.

Donc j'aimerais vous parler du cycle de vie d'une colonie. Les fourmis ne se reproduisent pas, les colonies si. Et elles le font en envoyant chaque années les reproductrices -- celles avec des ailes -- dans un vol d'accouplement. Donc chaque année, le même jour -- et c'est un mystère de savoir exactement comment ça se passe -- chaque colonie envoie sa reine vierge, avec des ailes, et les mâles, et ils volent tous au même endroit. Et ils s'accouplent. On voit ici une reine vierge jusqu'à récemment. Et voici ses ailes. Elle est en train de s'accoupler avec ce mâle, et il y a un autre mâle au dessus qui attend son tour. Souvent les reines s'accouplent plus d'une fois. Et après, les mâles meurent tous. C'en est fini pour eux.

(Rires)

Ensuite les jeunes reines fécondées s'en vont quelque part, se débarrassent de leurs ailes, creusent un trou et vont dedans pour pondre leurs œufs. Et elles vont vivre pendant 15 ou 20 ans, continuant à pondre leurs œufs en utilisant le sperme de cet accouplement originel. Donc la reine va là-dessous. Elle pond ses œufs, nourrit les larves -- donc une fourmi nait dans un œuf, ensuite c'est une larve. Elle nourrit les larves en régurgitant ses réserves de gras. Ensuite, dès que les fourmis -- du premier groupe -- apparaissent, ce sont des larves. Ensuite elles forment un cocon et sortent en fourmis adultes. Elles sortent, trouvent la nourriture, creusent le nid, et la reine ne sort plus jamais.

Voici une colonie vieille d'un an -- celle-là, c'est 536. Voici l'entrée du nid, il y a un crayon pour l'échelle. Donc voici une colonie fondée par une reine l'été d'avant. Voici une colonie vieille de trois ans. Voici l'entrée du nid, et un crayon pour l'échelle. Elles font du fumier, une pile de déchets --surtout des cosses des graines qu'elles mangent. Voici une colonie de cinq ans. Voici l'entrée du nid, avec un crayon pour l'échelle. Elles deviennent aussi grosse que cela, un mètre de large. Et ensuite voici comment la taille de la colonie et le nombre d'ouvrières change -- donc voici environ 10 000 ouvrières -- il change en fonction de l'âge de la colonie, en années. Il commence avec zéro fourmi, juste la reine fondatrice, et on arrive à une taille de 10 ou 12 mille fourmis quand la colonie a cinq ans. Et il se maintient jusqu'à ce que la reine meure et qu'il n'y ait plus personne pour faire plus de fourmis, quand elle a 15 ou 20 ans. Et c'est quand elles atteignent leur taille stable, en nombre de fourmis, qu'elles commencent à se reproduire. C'est à dire, à envoyer plus de reines ailées et de mâles au vol d'accouplement de cette année. Et je sais comment la taille de la colonie change en fonction de son âge, parce que j'ai déterré des colonies d'un âge connu et compté toutes les fourmis. Alors c'est pas la partie de la recherche la plus rigolote, mais c'est intéressant.

(Rires)

Vraiment, la question à laquelle je pense avec ces fourmis et ce que j'appelle l'allocation de tâches. Ce n'est pas seulement comment la colonie est organisée, mais comment change-t-elle ce qu'elle fait? Comment se fait-il que la colonie arrive à ajuster le nombre d'ouvrières qui accomplissent chaque tâches alors que les conditions changent? Donc, des choses arrivent à une colonie de fourmis. Et quand il pleut l'été, le désert est inondé. Il y a beaucoup de dégâts faits au nid, et il y a besoin de plus de fourmi pour nettoyer ce bazar. Quand il y a plus de nourriture -- et c'est ce que tout le monde sait à propos des pique-nique -- des fourmis supplémentaires doivent récolter la nourriture. Donc, si personne ne dit à personne quoi faire, comment est-ce que la colonie arrive à ajuster le nombre d'ouvrières assignées à chaque tâche? Et c'est ce que j'appelle le processus d'allocation de tâches.

Et pour les moissonneuses, je divise les tâches des fourmis que j'observe à l'extérieur du nid en quatre catégories: quand une fourmi fore, qu'elle est sur son canal de forage, à la recherche de nourriture à ramener. Les éclaireuses -- c'est censé être un loupe -- sont un groupe intéressant qui sort tôt le matin avant que les butineuses s'activent. Elles choisissent en quelque sorte la direction que les butineuses vont prendre, et en revenant -- simplement en arrivant à rentrer -- elles disent aux butineuses qu'elle peuvent sortir en toute sécurité. Ensuite, les ouvrières de maintenance du nid travaillent à l'intérieur, et je voulais dire que ces nids ressemblent beaucoup à la maison de Bill Lishman. Il y a des chambres à l'intérieur, elles enduisent les murs des chambres avec du terreau humide qui donne cette impression de pisé en séchant. C'est très proche de certaines habitations troglodytes des Hopi qui sont dans cette zone. Et les ouvrières de maintenance du nid font ce travail à l'intérieur, avant de sortir des morceaux de terre dans leurs mandibules. Donc vous voyez ces ouvrières de maintenance qui sortent avec un peu de sable, le posent et retournent à l'intérieur. Et enfin, les fourmis éboueurs mettent une sorte de produit chimique territorial dans les déchets. Donc ce que vous voyez qu'elles font là, c'est une pile de déchets. Un jour, tout est ici, et le lendemain elles déplacent les déchets et ensuite elles les rapportent ici. Voilà ce que les fourmis éboueurs font. Et ces quatre groupes sont uniquement les fourmis à l'extérieur du nid. Elles représentent environ 25% de la colonie, ce sont les plus vieilles.

Donc, une fourmi commence près de la reine. Et quand on déterre les nids, on trouve qu'ils sont aussi profonds que la colonie est large, donc environ un mètre de profondeur pour les gros vieux nids. Ensuite il y a un autre long tunnel et une chambre, où on trouve souvent la reine, après huit heures de taillage de pierre à la pioche. Je ne pense pas que la chambre a évolué à cause de moi, ma truelle et mon équipe d'étudiants à la pioche, mais plutôt parce que quand il y a une inondation, la colonie doit aller très profond. Donc il y a ce réseau de chambres. La reine est quelque part dedans, elle pond ses œufs. Il y a les larves, qui consomment presque toute la nourriture. Et c'est vrai pour la plupart des fourmis -- celle que vous voyez autour de vous ne mangent pas vraiment. Elles ramènent la nourriture et nourrissent les larves. Quand les butineuses reviennent avec la nourriture, elles la laissent dans la chambre supérieure, et d'autres fourmis viennent de plus bas, prennent la nourriture, la ramènent, écossent les graines et les entassent. Ce sont les ouvrières de maintenance qui travaillent dans tout le nid. Et aussi curieux et intéressant que cela puisse paraître, on dirait qu'il y a toujours une moitié de la colonie qui ne fait rien. Donc en dépit de ce que dit la Bible, vous savez, "regarde la fourmi, fainéant," en fait, vous pouvez voir ces fourmis comme réservistes. C'est à dire que si quelque chose arrive -- et je n'ai jamais vu ça, mais je n'ai regardé que pendant 20 ans -- si quelque chose arrive, elles pourraient arriver à la rescousse. Mais en fait, elles restent juste là à ne rien faire.

Et c'est une question très intéressante -- dans l'organisation d'une colonie, qu'est-ce qui pourrait donner une fonction à ces fourmis qui ne font rien? Elles sont là comme un tampon au milieu des fourmis qui travaillent dans le nid, et de celles qui travaillent dehors. Et quand vous marquez les fourmis qui travaillent dehors, et que vous déterrez une colonie vous ne les voyez jamais en profondeur. Donc ce qui se passe, c'est que les fourmis travaillent dans le nid quand elles sont jeunes. Elles restent dans cette réserve. Et elles finissent par être recrutées pour se joindre à la main d'œuvre à l'extérieur. Et une fois qu'elles commencent à travail dehors, elle ne retourne plus jamais en profondeur. Maintenant les fourmis -- la plupart, mêmes celles-là, ne voient pas bien. Elles ont des yeux et elles peuvent distinguer le jour et la nuit, mais elles travaillent surtout au nez. Donc pour confirmer que ce que vous auriez pu penser à propos des reines n'est pas vrai -- même si la reine avait l'intelligence d'envoyer des messages chimiques dans ce réseau de chambres pour dire aux fourmis dehors quoi faire, il est impossible que ces messages arrivent à temps pour voir une différence d'allocations d'ouvrières que nous voyons à l'extérieur du nid. Donc c'est comme ça que nous savons que la reine ne supervise pas le comportement de la colonie.

Donc quand j'ai commencer à travailler sur l'allocation de tâches, ma première question était: "Quel lien y a-t-il entre les fourmis qui accomplissent des tâches différentes? Est-ce important pour les butineuses de savoir ce que les ouvrières de maintenance font? Est-ce important pour les éboueurs de savoir ce que les éclaireuses font?" Et j'ai travaillé dans le contexte d'une vie de colonie de fourmis dans laquelle chaque fourmi était destinée à une tâche dès la naissance et travaillait indépendamment des autres, en sachant sa place dans la chaîne de montage. Et j'ai voulu me demander plutôt: "Dans quelle mesure ces groupes de tâches sont-ils indépendants?"

Donc j'ai fait des expériences en changeant une chose. Par exemple, j'ai créé plus de travail pour les ouvrières de maintenance en mettant une pile de cure dents près de l'entrée du nid, tôt le matin quand les ouvrières de maintenance commencent leur travail. Voici à quoi ça ressemble 20 minutes plus tard. 40 minutes plus tard. Les ouvrières de maintenance prennent tous les cure dents à l'extrémité extérieure du nid et les laissent là-bas. Donc ce que j'ai voulu savoir, c'était "OK, voici une situation où on a eu besoin de plus d'ouvrières de maintenance -- est-ce que ça va avoir un effet sur les ouvrières assignées à une autre tâche?" On a alors répété ces expériences avec les fourmis marquées. Et voici des ouvrières de maintenance bleues. Plus tard on s'est sophistiqué avec ce système de 3 couleurs. Et on a pu marqué les fourmis individuellement pour savoir qui était qui. On a commencé avec de la peinture de modélisme et on a trouvé ces merveilleux marqueurs japonais, et ils marchent vraiment bien. Donc pour résumer le résultat, il se trouve que oui, les tâches différentes sont interdépendantes. Donc, si on change le nombre d'ouvrières assignées à une tâche, ça change le nombre d'ouvrières assignées à une autre. Par exemple, si je mets le bazar et les ouvrières de maintenance doivent nettoyer, il y a moins de fourmis qui forent. Et c'était vrai avec toutes les paires de combinaison de tâches.

Le deuxième résultat qui a surpris beaucoup de monde, est que les fourmis échangent de tâches. La même fourmi ne fait pas le même travail toute sa vie. Si par exemple, je mets plus de nourriture, tout le monde -- les ouvrières éboueurs arrêtent leur traitement des déchets et prennent la nourriture, elles deviennent butineuses. Les ouvrières de maintenances deviennent butineuses. Les éclaireuses deviennent butineuses. Mais toutes les transitions ne sont pas possibles. Et voici comment ça marche. Comme je viens de le dire, s'il y a surplus de nourriture, les éclaireuses, les éboueurs, les ouvrières de maintenance vont toutes butiner. Si il y a plus de travail d'éclairage à faire -- donc j'ai changé l'environnement pour avoir besoin d'éclaireuses -- les ouvrières de maintenance vont se convertir en éclaireuses. Mais si il y a besoin de plus de maintenance -- un tas de cure dents par exemple -- personne ne va redevenir ouvrière de maintenance, les nouvelles ouvrières de maintenance viennent de l'intérieur du nid. Donc le butinage est comme l'évacuation, et les fourmis dans le nid sont une source. Enfin, on dirait que chaque fourmi décide en permanence si elle veut être active.

Par exemple, si il y a plus de maintenance du nid à faire, les butineuses ne changent pas de comportement, je le sais. Mais les butineuses décident de ne pas sortir. Et voici le résultat le plus intrigant: l'allocation de tâche. Ce processus change avec l'âge de la colonie, et il change comme ça. Quand je fais des expériences avec des colonies plus vieilles -- donc plus vieilles que cinq ans -- elles sont plus cohérentes dans leur comportement. Et plus homéostatiques. Le pire est que plus je les embête plus elles font comme si rien n'était. Alors que les jeunes petites colonies -- environ 2000 fourmis -- sont plus variables. Et le plus bizarre est qu'une fourmi ne vit qu'un an. Ça peut être cette année-ci, ou celle-là. Donc, les fourmis dans la colonie plus vieille qui a l'air plus stable ne sont pas plus vieilles que les fourmis dans la jeune colonie. Ce n'est pas dû à l'expérience des vieilles fourmis sages. C'est plutôt quelque chose dans l'organisation qui change avec les années. Le changement le plus évident est la taille.

Donc depuis que j'ai eu ce résultat, j'ai passé beaucoup de temps à essayer de comprendre quel genre de règles -- très simples, locales, probablement olfactive, chimiques. Des règles que les fourmis pourraient utiliser, puisqu'aucune fourmi ne peut contrôler la situation globale -- et qui aurait le résultat que je vois. Ces dynamiques prévisibles, de qui fait quoi. Et qui changerait quand la colonie grossit. Et j'ai trouvé que les fourmis utilisent un réseau de contact d'antennes. N'importe qui qui a déjà regardé des fourmis, les a vues se toucher les antennes. Elles sentent avec leurs antennes. Quand une fourmi en touche une autre, elle la sent. Et elle peut dire, par exemple, si l'autre fourmi est du même nid, parce que les fourmis se recouvrent d'une couche de gras qui transporte une odeur spécifique à la colonie. Et ce que j'ai appris, c'est que les fourmis utilisent ce schéma de contact d'antennes, la fréquence à laquelle elles rencontres des fourmis d'une autre tâche pour décider quoi faire. Et donc le message n'est pas ce qu'elle se transmettent l'une à l'autre, mais la structure, le schéma. Le schéma-même est le message. Et je vais vous en dire un peu plus dessus.

Mais d'abord vous devez vous demander, comment une fourmi peut dire, par exemple, qu'elle est butineuse. Je m'attends à rencontrer une autre butineuse à une certaine fréquence. Mais si au lieu de ça je rencontre un plus grand nombre d'ouvrières de maintenance, j'ai moins de chance de butiner. Donc elle doit connaître la différence entre une butineuse et une ouvrière de maintenance. Et on a trouvé que, dans cette espèce -- et je suspecte que dans d'autres aussi -- ces hydrocarbones, cette couche de graisse autour des fourmis, est différente en fonction de la tâche de la fourmi. Et on a fait des expériences qui montrent que plus une fourmi reste dehors longtemps, plus les hydrocarbones qu'elle porte se transforment, et donc ils changent d'odeur en fonction des tâches effectuées. Et elles peuvent utiliser ces odeurs spécifiques aux taches dans les hydrocarbones cuticulaires -- elles peuvent utiliser ça dans leur contacts d'antenne pour se souvenir de la fréquence à laquelle elles rencontrent les fourmis d'une certaine tâche. Et on a montré récemment qu'en mettant un extrait d'hydrocarbones sur des billes de verre, et en les laissant tomber doucement dans le nid au bon rythme, les fourmis répondent à ce bon rythme de contact avec une bille de verre enduites d'extrait d'hydrocarbone, de la même manière qu'elles contacteraient de vraies fourmis.

Donc je voudrais vous montrer maintenant un extrait de film -- ça commence ici à l'entrée du nid. L'idée c'est que les fourmis entrent et sortent du nid. Elles ont accompli des tâches différentes, et le rythme auquel elles se rencontrent à l'entrée, détermine, ou influence la décision d'une fourmi de sortir ou pas, et de quelle tâche accomplir. Ceci a été pris avec un microscope à fibre optique, dans le nid. Au début, vous ne voyez que les fourmis qui essaient de jouer avec le microscope. Mais l'idée est que les fourmis sont là-dedans, et que chaque fourmi a rencontré une certain nombre d'autres fourmis -- un flot de contacts avec d'autres fourmis. Le schéma de ces interactions determine si les fourmis ressortent, et ce qu'elles font en sortant. Vous pouvez aussi voir ces fourmis à la sortie du nid, comme celles-là. Chaque fourmi, en sortant, contacte les autres fourmis. Et les fourmis qui attendent à l'entrée décident si elles vont sortir pour leur prochain voyage, en contactant les fourmis qui rentrent.

Et ce qui est intéressant dans ce système, c'est que c'est le bazar. C'est variable. C'est bruyant. Et en particulier, de deux manières. La première est que l'expérience de chaque fourmi est peu prévisible. Parce que la fréquence de retour des fourmis dépend de toutes ces petites choses qui arrivent pendant qu'une fourmi est dehors. Et la deuxième chose est que la faculté d'une fourmi de prendre ce schéma en compte doit être très simple, parce qu'aucune fourmi ne peut faire de calculs compliqués. Donc en faisant beaucoup de simulation, de modélisation et d'expérience, pour essayer de comprendre comment ces interférences se combinent pour, dans l'ensemble, produire le comportement prévisible des colonies de fourmis.

Une fois de plus, je ne prétend pas que ce schéma peu méthodique d'intéractions forme une usine qui travaille avec la précision et l'efficacité d'une horloge. En fait, quand vous observez les fourmis, vous finissez par vouloir les aider, parce qu'elles ne font jamais rien comme elles devraient le faire selon vous. Donc ces contacts aléatoires ne donnent rien de parfait. Mais ça marche plutôt bien. Les fourmis sont là depuis plusieurs centaines de millions d'années. Elles recouvrent la planète, à l'exception de l'Antarctique. Il y a quelque chose qu'elles font qui marche suffisamment bien pour que ce schéma aléatoire, dans l'ensemble, produise quelque chose qui fait que les fourmis se reproduisent. Et une des choses que nous étudions est comment la sélection naturelle agit pour modeler l'usage de ces schémas d'interactions -- ce réseau de schémas d'interactions -- pour peut-être améliorer l'efficacité de butinage des colonies de fourmis.

Cependant, il y a une chose que j'aimerais que vous vous rappeliez: ces schémas d'intéractions sont quelque chose que l'on pensait lié à la taille de la colonie. L'idée la plus simple est que une fourmi dans une petite colonie -- et une autre dans une grande colonie, utilise la même règle, sur le modèle "Je vais voir une autre butineuse toutes les 30 secondes" Mais dans une petite colonie, elles ont moins de chances de voir des butineuses, parce qu'il y en a moins. Donc voilà pourquoi, au fur et à mesure que la colonie se développe et grossit, des comportements différentes pour les jeunes et vieilles colonies émergent.

Merci.

(Applaudissements)