Pourquoi les fourmis se rangent-elles en file sans se perdre ?
― Le « sentier parfumé » qui trace un chemin unique
Dans un jardin ou sur un balcon, avez-vous déjà vu une file de fourmis ayant trouvé de la nourriture dessiner sans hésiter un chemin bien net ? Sans carte, et sans chef pour donner des ordres, comment parviennent-elles à tracer une route aussi ordonnée ?
Entre la fourmilière et la nourriture, il arrive qu'au début, de nombreuses fourmis marchent dans toutes les directions, dispersées. Puis, au bout d'un moment, un chemin unique et bien net s'est formé, sans qu'on sache comment.
On pense que les fourmis ne choisissent pas leur route en regardant une carte. Pourtant, pourquoi tant de fourmis se retrouvent-elles sur le même chemin ?
On pense que la fourmi marche en émettant de son corps une substance odorante appelée phéromone. Les autres fourmis ont tendance à suivre la direction où cette odeur est la plus forte.
Sur un chemin court, l'aller-retour prend peu de temps : les fourmis passent l'une après l'autre et ajoutent de l'odeur avant qu'elle ne s'estompe, pense-t-on.
Voyons pas à pas ce mécanisme qui favorise les chemins courts.
La fourmi laisse une « odeur » sur son chemin
On pense que la plupart des fourmis déposent sur le sol, en marchant, une substance odorante appelée phéromone. Les autres fourmis perçoivent cette odeur avec leurs antennes et ont tendance à aller vers la direction où elle est la plus forte. Le chemin du retour vers la fourmilière, pour une fourmi qui a trouvé de la nourriture, est lui aussi marqué de cette odeur.
Pourquoi des chemins dispersés se réduisent-ils à un seul ?
Juste après la découverte de la nourriture, on pense que les fourmis essaient au hasard toutes sortes de chemins. Un point est alors essentiel : la durée d'un aller-retour dépend de la longueur du chemin. La fourmi qui prend un chemin court fait vite l'aller-retour entre la fourmilière et la nourriture, et peut donc ajouter de l'odeur plus souvent dans le même temps. Résultat : le chemin court devient plus vite odorant, et un plus grand nombre de fourmis, qui le sentent, le choisissent.
Un mécanisme tout simple, « un chemin qu'on parcourt vite se parfume vite », fait naître tout seul un chemin unique.
La phéromone s'estompe avec le temps
On pense que l'odeur de la phéromone s'évapore peu à peu et s'affaiblit avec le temps. Comme l'aller-retour est plus long sur un chemin long, l'odeur s'y dissipe de plus en plus avant que la fourmi suivante ne passe pour en rajouter. Cette facilité à s'estomper serait l'une des raisons pour lesquelles le chemin court garde une odeur plus forte et se fait mieux choisir.
Dans les expériences où l'on place un obstacle au milieu de la file, les fourmis le contournent d'abord en ordre dispersé. Puis on observe que l'odeur reste plus forte sur le contournement le plus court, et que de plus en plus de fourmis s'y concentrent. Sans carte, elles trouvent donc un chemin efficace rien qu'à l'intensité de l'odeur.
Ce que vous pouvez vérifier vous-même
- Dehors, repérez une file de fourmis qui se dirige vers de la nourriture (sans toucher ni le nid ni les fourmis).
- Observez la forme du chemin plusieurs fois, à intervalles réguliers.
- Cherchez si le chemin se redresse peu à peu, ou si plusieurs chemins se fondent en un seul.
Pour ne pas perturber le nid ni la nourriture, observez de loin, en douceur.
En résumé
Si la file de fourmis se range en un chemin unique sans se perdre, c'est, pense-t-on, grâce à deux mécanismes simples qui s'additionnent. La fourmi laisse sur son chemin une odeur, la phéromone. Et plus un chemin est court, plus l'aller-retour est rapide et plus l'odeur y reste forte. Cette rétroaction positive, où « un chemin vite odorant appelle encore plus de fourmis », crée une file ordonnée sans chef ni carte.
L'ordre de la file de fourmis ne vient pas d'un commandement : il naît naturellement d'une multitude de petits échanges d'odeurs.
Pour un exemple où l'on transmet une position par le mouvement du corps plutôt que par l'odeur, lisez aussi l'article sur les abeilles et leur danse en huit. Certains insectes suivent aussi une traînée d'odeur à contre-vent pour trouver leur cible : c'est expliqué dans Pourquoi les moustiques piquent-ils certaines personnes plus que d'autres ?
Pour aller plus loin ― termes, chiffres et liens avec les manuelsDu collège aux sujets de recherche : le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeCe qu'on apprend en sciences au collège
- LycéeCe qu'on apprend en « mathématiques » au lycée
- Lycée+Contenu approfondi ou encadré des manuels de lycée
- Univ.Matières spécialisées de l'université (informatique), non vues au lycée
- RechercheSujets que les chercheurs étudient en ce moment, pas encore des « acquis » enseignés, même à l'université
CollègeVocabulaire : les mots de la file de fourmis
- Phéromone : substance odorante émise par le corps pour transmettre une information aux congénères.
- Rétroaction positive : mécanisme par lequel un résultat renforce encore sa propre cause.
- Auto-organisation : apparition naturelle d'une forme ordonnée, sans aucune instance qui dirige l'ensemble.
LycéeVérifier par une formule : ordre de grandeur de l'affaiblissement de la phéromone
Calculons, avec un modèle simplifié donnant un ordre de grandeur, comment la phéromone s'évapore et s'affaiblit avec le temps.
quantité d'odeur restante ＝ quantité précédente × 0,8 (à chaque intervalle de temps)
| × 0,8 | Selon ce modèle indicatif, la quantité d'odeur tombe à environ 80 % à chaque intervalle de temps |
| Après 10 min | 100 × 0,8 ＝ 80 |
| Après 20 min (encore 80 %) | 80 × 0,8 ＝ 64 |
| Après 30 min (encore 80 %) | 64 × 0,8 ＝ 51,2 |
| Résultat | Après 30 min, l'odeur est retombée à environ la moitié de la quantité initiale |
Si l'on compare un chemin court, dont l'aller-retour prend 10 minutes, à un chemin long, qui en prend 30, le chemin court garde beaucoup plus facilement une odeur forte. C'est, pense-t-on, l'une des raisons qui poussent de nombreuses fourmis vers le chemin court.
※ Les valeurs données ici sont des ordres de grandeur simplifiés, pour comprendre le mécanisme. La vitesse réelle d'affaiblissement de la phéromone varie, dit-on, selon l'espèce et les conditions du milieu.
Lycée+Un modèle où le chemin est choisi au hasard
Une fourmi ne choisit pas forcément « le chemin le plus odorant » à tout coup. On utilise souvent un modèle où elle choisit parmi plusieurs chemins avec une probabilité qui dépend de l'intensité de l'odeur. Tant que l'écart d'odeur est faible, plusieurs chemins sont utilisés ; mais à mesure que l'écart se creuse, les choix se concentrent sur le chemin le plus odorant, explique-t-on.
Univ.L'intelligence en essaim et l'auto-organisation
En informatique, on étudie sous les noms d'« intelligence en essaim » et d'« auto-organisation » ce phénomène où, comme chez les fourmis, un comportement d'ensemble ordonné naît d'une accumulation d'échanges locaux entre individus simples. Cette idée sert aussi dans des algorithmes qui optimisent les tournées de livraison ou le choix des routes dans les réseaux de communication.
RechercheCe qui reste flou
- La composition chimique de la phéromone selon les espèces, et la façon dont plusieurs signaux se combinent : c'est un sujet que la biologie continue d'étudier.
- Des recherches se poursuivent aussi pour appliquer les algorithmes d'optimisation inspirés des fourmis à des problèmes plus complexes et de plus grande taille.
- On a également commencé à examiner l'effet des changements de l'environnement (dont le changement climatique) sur le comportement des colonies de fourmis.
Même une modeste file de fourmis cache un sujet riche, à la croisée de la biologie et de l'informatique, toujours en cours d'étude.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : comportement animal | Termes de base : phéromone, rétroaction positive |
| Lycée | Maths : décroissance exponentielle | Calcul de l'affaiblissement de la phéromone |
| Lycée+ | Maths : modèles probabilistes (approfondissement) | Modèle de choix de chemin au hasard |
| Univ. | Informatique | Intelligence en essaim, auto-organisation et applications aux algorithmes |
| Recherche | Biologie et informatique (en cours d'étude) | Composition de la phéromone, techniques d'optimisation, effets du changement climatique |
- Documents de biologie : présentation de la communication des fourmis par phéromones.
- Revue de recherches en écologie comportementale sur la quête de nourriture et le choix des chemins chez les fourmis.
- Présentation de l'intelligence en essaim et de l'auto-organisation en informatique.
- Revue de recherches en mathématiques appliquées sur les algorithmes d'optimisation par colonies de fourmis.
- Documents d'entomologie : présentation des propriétés chimiques des phéromones.
※ Les valeurs, comme la vitesse d'affaiblissement de la phéromone, sont des ordres de grandeur pour comprendre le mécanisme. Les valeurs réelles peuvent varier, dit-on, selon l'espèce de fourmi et les conditions du milieu.
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Quand vous observez des fourmis, veillez à ne pas déranger le nid ni à blesser les fourmis.