Découvrir la complexité des sentiers de recherche de nourriture des fourmis | RegTech

Le comportement de recherche de nourriture des fourmis, avec son interaction entre les individus et le groupe, joue un rôle important dans l’étude de l’auto-organisation et du comportement émergent des systèmes complexes,1,2 et a inspiré la métaheuristique bien connue Ant Colony Optimization (ACO).2-4 Cependant, dans l’ACO, on considère généralement que les fourmis en quête de nourriture utilisent un ensemble de règles comportementales plutôt simples3,5,6 souvent limitées à simplement « Si vous trouvez de la nourriture, retournez au nid en déposant de la phéromone » et « suivez de préférence les pistes contenant plus de phéromone ».3,5,7 L’étude ultérieure de la recherche de nourriture par les fourmis a permis de découvrir d’autres règles de recherche de nourriture et propriétés du réseau de pistes de phéromone.6 Par exemple, les fourmis de Pharaon déposent deux types de phéromones attractives : une phéromone à courte durée de vie qui se désintègre en 20 minutes et une phéromone à plus longue durée de vie qui agit comme une mémoire externe à long terme, permettant aux colonies de réutiliser les pistes posées un ou deux jours auparavant8. Elles déposent également des phéromones répulsives sur les branches menant à des sources de nourriture épuisées.9 Chez la fourmi Lasius niger, des règles telles que « Déposer plus de phéromone lorsque la nourriture est de meilleure qualité « 10, « Déposer plus de phéromone si la colonie est affamée « 11 et « Déposer plus de phéromone à mesure que l’on se rapproche de la source de nourriture « 12 ont été découvertes. Cependant, les fourmis butineuses ne se fient pas uniquement aux phéromones. Les fourmis butineuses L. niger peuvent former des mémoires d’itinéraire précises après seulement quelques visites à une source de nourriture,13-15 et ces mémoires d’itinéraire sont suivies de préférence aux phéromones de piste lorsque les deux sont en conflit.13,15-17

Dans un article récent,18 nous avons permis aux fourmis butineuses L. niger qui avaient déjà fait plusieurs voyages à une mangeoire de marcher le long d’une allée avec des segments alternés marqués et non marqués par la phéromone de piste déposée naturellement. Nous avons constaté que les deux sources d’information, la mémoire de l’itinéraire et la phéromone de piste, interagissent. Les fourmis expérimentées utilisent la présence de la phéromone de sentier comme ce que nous appelons une « réassurance » qu’elles sont sur le bon chemin. Rassurées, les fourmis marchent plus vite et plus droit. Si, par hasard, elles commettent une erreur et sortent du chemin, elles réduisent leur vitesse, marchent de façon plus sinueuse et font plus de demi-tours. Nous avons suggéré que cela pouvait les aider à revenir sur le bon chemin. De plus, nous avons montré que les fourmis ayant une mémoire d’itinéraire réduisent considérablement la quantité de phéromone qu’elles déposent, ce que nous avons quantifié en comptant le nombre de fois où elles déposent le bout de leur abdomen sur le substrat, lorsqu’elles sortent du chemin balisé. Ceci représente une autre règle utilisée par les fourmis pour modifier le dépôt de phéromone : « Réduisez le dépôt de phéromone si vous vous écartez d’une piste de phéromone et si vous êtes déjà allé à la source de nourriture auparavant. » Vraisemblablement, cela réduit la probabilité que les fourmis nidmates soient détournées sur le mauvais chemin, maintenant ainsi l’intégrité du sentier et empêchant une cascade d’erreurs.

Cependant, la complexité trouvée dans cette expérience s’étendait plus loin que l’interaction entre les phéromones de sentier et la mémoire ; les fourmis ont également changé leur comportement en présence de marques de domaine vital. Les marques du domaine vital de L. niger sont constituées d’hydrocarbures cuticulaires (CHC) sécrétés par les glandes tarsales des pieds19,20 et se déposent passivement sur les surfaces sur lesquelles les fourmis marchent.20 Elles sont non volatiles, durables et, contrairement aux phéromones de piste, qui conduisent à des endroits spécifiques, les CHC sont considérés comme des marques du domaine vital. En raison d’un trafic de fourmis plus important à proximité du nid, un gradient de CHC se forme de l’entrée du nid vers l’extérieur, définissant les zones fréquemment visitées par les fourmis butineuses de la colonie21. Les fourmis peuvent sentir les CHC sur une surface et sur d’autres fourmis.

La présence de CHC sur le substrat augmente les niveaux d’agression22 et réduit le temps de découverte de la nourriture23 et la sinuosité de la marche23 chez L. niger et il a également été démontré qu’elle augmente le dépôt de phéromone lors du premier retour au nid.21,23 Cependant, en observant les fourmis faire des voyages répétés vers une mangeoire, nous avons constaté que ce n’était que la moitié de l’histoire. Lorsqu’elles marchent sur un substrat avec des marques de domaine vital mais sans phéromone de piste, les fourmis expérimentées déposent moins de phéromone à l’aller vers une source de nourriture, et déposent plus de phéromone au retour (voir Figure 1). En l’absence de marquage du domaine vital, le dépôt à l’aller et au retour est d’intensité intermédiaire. En d’autres termes, les fourmis semblent avoir une autre règle modifiant l’intensité du dépôt de phéromone : « Si vous retournez à une mangeoire sur un chemin marqué par un domaine vital, déposez moins de phéromone. »

Sentir qu’un sentier est fortement marqué par les CSC lors d’un trajet aller mais non marqué par des phéromones de sentier peut indiquer que la source de nourriture a été fortement exploitée et peut maintenant être épuisée. Dans ce cas, il serait peu judicieux d’augmenter le recrutement de butineuses sur le trajet aller, car la source de nourriture pourrait être épuisée. Cependant, lors du voyage de retour, lorsque la fourmi sait qu’il y a de la nourriture au bout du chemin, la colonie bénéficierait d’un recrutement supplémentaire à cet endroit. En effet, un niveau élevé de CHCs suggère que cette source de nourriture a été fréquemment visitée dans le passé, donc qu’elle est non seulement productive mais aussi (si aucune phéromone d’alarme n’est présente) sûre. Alors que ces arguments explicites ne sont très probablement pas considérés consciemment par les fourmis, les règles comportementales dont les fourmis sont équipées suggèrent un réglage complexe et subtil du comportement de recrutement, basé sur de multiples sources d’information.

Une image émerge d’une grande complexité dans les règles affectant la recherche de nourriture et le recrutement chez L. niger. Les fourmis individuelles sont équipées de nombreuses règles régissant leur comportement, et modifient leur comportement en fonction de multiples facteurs, y compris, mais sans doute pas limité à, la présence de phéromone de piste, la présence de marquage du domaine vital, la direction du voyage et le niveau d’expérience, et les interactions entre ces sources d’information. Cela reflète les travaux qui ont mis en évidence une sophistication similaire dans la communication des abeilles domestiques, qui ont au moins quatre signaux mécaniques et deux phéromones qui affectent la recherche de nourriture,24-26 et la recherche de nourriture chez les fourmis pharaons, qui ont de multiples phéromones de piste et peuvent même extraire des informations de la géométrie du système de piste.8,9,27 Les signaux multiples et les sources d’information semblent être la règle dans les systèmes naturels complexes tels que la recherche de nourriture chez les fourmis, et nous prévoyons que l’étude des butineuses individuelles au cours de plusieurs voyages de recherche de nourriture pourrait faire apparaître d’autres règles de ce type. Des progrès ont été réalisés dans la compréhension des ensembles de règles complexes que les fourmis utilisent lors de la recherche de nourriture, mais nous sommes encore loin d’une compréhension complète du système. La découverte de nouvelles règles comportementales peut inspirer le développement de la prochaine génération de systèmes logiques ACO.6 Après tout, si tant de choses peuvent être construites sur des règles comportementales de base découvertes il y a plus d’un demi-siècle, l’application des découvertes actuelles et futures peut fournir un grand pas en avant.