7.4 Recherche de nourriture chez les fourmis et attribution des tâches
Nous avons tous vu ce type de situation:
la fissure dans le mur, les fourmis qui arrivent
dans notre cuisine ou notre salle de bain, à la recherche de nourriture,
et quand elles en trouve, être capable d'attirer toutes leurs petites amies,
si rapidement qu'elles peuvent collectivement dévorer
tout ce que nous laissons tomber sur le sol.
Vous avez probablement vu les systèmes de vastes réseaux qu'elles peuvent créer
dans votre arrière-cour ou quelque part dans un parc public
Les fourmis sont vraiment surprenantes dans leur capacité
à rechercher collectivement leur nourriture de manière efficace.
Nous avons parlé un peu de cela dans l'unité 1, et nous allons
le revisiter dans cette unité ainsi que d'autres comportements surprenants
des colonies de fourmis.
Donc l'idée de base pour la recherche de nourriture,
comme nous en avons parlé dans l'unité 1,
est que les fourmis sortent de la fourmilière
et se déplacent de manière aléatoire dans différentes directions.
Quand une fourmi rencontre une source de nourriture,
elle rapporte un peu de nourriture à la fourmilière,
mais en laissant une piste de phéromone
dans laquelle une phéromone est un composé chimique,
secrété par la fourmi, qui attire les autres fourmis.
Les fourmis qui rencontrent cette piste sont incitées à la suivre.
En l'absence de renforcement la phéromone se dissipera,
mais tant que les fourmis continuent de suivre la piste de phéromone
et continuent à trouver de la nourriture,
alors elle continuent à la renforcer.
Voici une vidéo d'une fameuse expérience,
qui a été répétée de nombreuses fois,
dans laquelle les fourmis ont le choix entre deux chemins différents vers la nourriture,
un long chemin, comme celui-ci, et un plus court.
Le chemin le plus court finit par attirer plus de fourmis
et finalement l'ensemble d'entre elles,
parce que la phéromone reste renforcée sur la piste courte,
plus que sur la piste longue.
Ces fourmis qui prennent ce chemin,
laissent des phéromones qui s'évaporent souvent
avant que d'autres fourmis ne le suivent.
Donc voilà, vous pouvez voir les fourmis,
d'une manière très fiable, suivre cette piste.
Quelques unes d'entre elles prennent celui-ci.
Il y a une part de hasard dans ce qu'elles font,
mais la plupart d'entre elles suivent ce plus court chemin vers la nourriture.
Vous vous souvenez probablement de ce modèle "AntsNew",
il est constitué d'une fourmilière et de trois sources de nourriture,
et il modélise la recherche nourriture par les fourmis,
le long des lignes de l’algorithme que je vais vous décrire maintenant.
Donc si nous faisons "go",
nous ralentissons un petit peu,
les fourmis sortent de la fourmilière,
si l'une d'entre elles rencontre de la nourriture (elles bouges au hasard),
si l'une d'entre elles rencontre de la nourriture,
elle la ramène à la fourmilière,
en laissant une piste de phéromones.
Exécutons encore une fois.
Ainsi vous pouvez le voir plus lentement.
Et d'autres fourmis sont attirées par la trace de phéromone,
et la suivent.
Mais si la piste n'est pas renforcée par les fourmis,
par exemple si la source de nourriture est épuisée,
la trace s'évapore finalement.
Regardez cette trace qui s'évapore.
Mais s'il y a encore de la nourriture le long de cette piste,
alors les fourmis la trouveront et
renforceront la trace des phéromones.
De cette manière les fourmis sont capables
de réaliser une sorte de modèle
en utilisant leurs pistes pour
représenter ce qu'elles savent collectivement
sur leur environnement alimentaire.
En utilisant ce modèle nous pouvons faire une expérience
pour connaître effectivement le rôle des phéromones
pour aider les fourmis à trouver leur nourriture.
Pour cela, je vais faire une expérience simple
dans laquelle je vais supprimer les phéromones.
Pour cela je vais mettre la vitesse d'évaporation à son plus haut niveau,
ce signifie que les phéromones vont s’évaporer si rapidement
que les fourmis ne pourront pas les sentir.
Donc regardons ce qui se passe alors.
Ici les fourmis n'ont pas de phéromone à détecter,
elles vont juste au hasard trouver la nourriture.
Il n'y a pas d'interaction entre elles.
Et nous allons voir combien de temps cela prend,
j'accélère un peu,
la simulation s'arrête lorsque toute la nourriture a disparu.
Ok et cela leur a pris environ 538 tics pour trouver toute la nourriture
et il avait 500 fourmis.
Je note cela ici.
Nous disons: "Pas de phéromone, 538 tics",
pour trouver la nourriture.
Maintenant revenons remettre les phéromones,
nous allons les descendre à 2,
une très faible vitesse d'évaporation.
Et nous allons voir comment ceci affecte le comportement.
Évidemment, parce qu'il y a beaucoup de hasard,
si j'avais vraiment voulu avoir des chiffres précis,
j'aurais du le faire de nombreuses fois.
Je vais en fait vous laisser le faire comme travail personnel
et faire une moyenne des résultats.
Mais je vais juste faire ce test de manière informelle ici.
Donc nous allons voir s'il y a un changement sur le temps nécessaire
pour que toute la nourriture soit partie
et en fait cette il a fallu 415 tics.
Donc, nous disons: avec phéromone, 415.
Bien, ce modèle simplifié nous donne une intuition du rôle
joué par les phéromones dans l'aide apportée aux fourmis
dans leur recherche efficace de nourriture.
Juste un rappel: Pour les fourmis qui cherchent de la nourriture,
à tout instant, l'existence de pistes, et la concentration de phéromones
le long de ces pistes, encode l'information collective de la colonie
sur son environnement alimentaire.
En outre, l'information est capable de s'adapter aux
changements des conditions environnementales.
Lorsque la nourriture est consommée, par exemple,
la piste s'évapore.
Et si une nouvelle source de nourriture est trouvée,
alors de nouvelles pistes se forment.
Ainsi de cette manière les fourmis sont capables
d'adapter leur recherche de nourriture,
même dans un environnement changeant.
Maintenant je voudrais brièvement mentionner un autre
type de comportement auto-organisé dans les colonies de fourmis,
c'est la notion d'allocation de tâches.
Deborah Gordon est une biologiste de l'Université de Stanford
qui a fait un travail important sur plusieurs types
de comportements dans les colonies de fourmis,
mais nous allons parler en particulier de son travail
sur l'allocation de tâches.
Selon elle, l'allocation de tâches est le processus
qui ajuste le nombre de travailleurs
impliqués dans chaque tâche,
de manière appropriée à la situation concernée.
L'allocation de tâches se fait sans contrôle central ou hiérarchisé,
c'est une activité auto-organisée.
Gordon a étudié la répartition des tâches chez les fourmis moissonneuses,
un type particulier de fourmis.
Dans ce type de fourmis, les travailleurs se répartissent
en fonction du nombre de tâches.
Maintenance de la fourmilière en déambulant pour nettoyer le nid,
voici une image d'une fourmilière,
patrouille, recherche de nourriture, tri des déchets, etc.
Voici quelques images représentant différents types
de fourmis, exécutant différents types de tâches.
Mais la question est: Comment, à un moment donné,
les fourmis décident-elles des tâches à accomplir,
et comment font-elles pour changer de tâche en fonction
de ce qui se passe dans leur environnement?
Le nombre, de travailleuses qui exécutent chaque type de tâche,
s'adapte aux changements de leur environnement,
en fonction du temps,
de la disponibilité de la nourriture,
prédateurs et ainsi de suite.
Par exemple Gordon a montré que si une fourmilière est dérangée
le nombre de travailleuses pour la maintenance s’accroît.
Et le nombre des chercheuses de nourriture décroît.
Il y a plus de fourmis assurant la tâche de maintenance
lorsque nécessaire et il y en a moins
pour chercher la nourriture.
Et elle a pu faire cette expérience en plantant
des cure-dents à différents endroits autour du nid
et les fourmis, n'aimaient pas du tout cela, évidemment.
Et donc le nombre de fourmis, affectées à la maintenance,
a augmenté pour enlever ces cure-dents.
Elle a aussi trouvé que si l'approvisionnement en nourriture
est important et de bonne qualité,
le nombre de moissonneuses s'accroît.
En bref, les fourmis sont capables de faire un choix
en fonction des tâches qui demandent le plus d'attention.
Et elle regardent aussi le nombre de fourmis qui
exécutent ces tâches.
Comment font-elles cela?
Ce qui est évident, c'est que les fourmis
sont incapables d'avoir une vision d'ensemble
de ce qui se passe dans leur environnement.
Elles interagissent uniquement localement avec les autres fourmis
et elles doivent découvrir ce qui se passe au niveau global
à partir d'interactions limitées,
comme dans les autres systèmes auto-organisés
que nous avons vu.
Donc voici la question en quelques mots:
Comment une fourmi individuelle décide
de la tâche à accomplir
en réponse aux conditions générales
environnementales de la fourmilière,
alors même qu'aucune fourmi ne dirige
la décision des autres fourmis,
et que chaque fourmi interagit
uniquement avec un petit nombre de fourmis?
Alors voici ce que Gordon a trouvé en faisant
des expériences approfondies.
Elle a trouvé que les fourmis décident de faire
une tâche particulière, telle que:
la recherche de nourriture, patrouiller,
ou la maintenance du nid,
en fonction de deux choses:
1) Ce qu'elles rencontre dans leur environnement.
2) Leur vitesse d'interaction avec les fourmis
exécutant différentes tâches.
Un fourmi peut rencontrer un cure-dent ou
d'autres débris dans le nid qui la fera peut-être
changer pour faire de la maintenance,
mais elle est aussi influencée par les autres fourmis
avec lesquelles elle entre en contact.
Gordon a trouvé que les fourmis peuvent vraiment savoir
ce qu'une autre fourmi fait en détectant les
résidus chimique sur ses antennes,
sur les antennes de l'autre fourmi.
Voici une petite vidéo que l'équipe de recherche de Deborah Gordon
a réalisée en filmant à l'intérieur d'une fourmilière.
Et ici vous pouvez voir
les fourmis sortir et entrer dans le nid
et se toucher entre elles avec leurs antennes.
Et ainsi, elle peuvent détecter le travail qu'une
autre fourmi vient de faire.
Si les fourmis qui sortent de la fourmilière
détectent beaucoup de chercheuses de nourriture
revenant avec de la nourriture,
alors elles adopteront plus probablement
la tâche de chercheuse de nourriture.
Donc les fourmis agissent comme de petits statisticiens
Elles mesurent le taux de leur interaction avec
les autres fourmis exécutant différentes tâches.
Ces taux sont l'une des choses qu'elles utilisent
pour décider de la tâche à accomplir.
On ne sait pas comment le cerveau d'une fourmi
est capable de faire cela,
mais il semble, à partir des données
que Gordon et son équipe de
chercheurs ont recueillies,
que c'est ce que les
fourmis font en quelque sorte.
Bien, voici un petit puzzle.
Gordon et ses collègues ont observé que
les grandes colonies de fourmis
sont plus déterministes et plus cohérentes
dans l'allocation des tâches que
les colonies de fourmis plus petites.
Pourquoi pensez-vous que c'est ainsi?
Mettez la vidéo en pause un instant et réfléchissez.
Pourquoi une grande colonie de fourmis serait,
en un certain sens meilleure,
dans l'optimisation de l'allocation des tâches,
de manière cohérente et déterministe,
que des colonies plus petites?
L'hypothèse que Gordon et ses collègues ont proposée
est que les fourmis dans le colonies importantes
peuvent fondamentalement obtenir de
meilleures statistiques dans les taux d'interaction
parce qu'elles ont plus d'échantillons.
Chaque fourmi a en moyenne plus d'échantillons
d'interaction avec les autres fourmis et donc
elle a de meilleures statistiques.
Donc la prochaine fois que vous verrez des fourmis
dans votre cuisine, dans votre salle de bains,
ou dehors dans votre jardin,
ou même rampant sur votre jambe,
rappelez-vous simplement que
les fourmis
sont de très brillants petits statisticiens.
Pensez comme ce serait génial si nous pouvions
tirer avantage de leurs capacités statistiques