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