La merveilleuse physique des moucherons en essaim

La merveilleuse physique des moucherons en essaim
La merveilleuse physique des moucherons en essaim

Au début de l’après-midi d’automne à travers le monde tempéré, les moucherons se rassemblent maintenant pour essaimer : des nuages ​​de mouches minuscules, des ailes éclairées par le soleil comme autant d’étincelles, tourbillonnant dans des motifs trop rapides et compliqués pour l’œil mais laissant une image rémanente mentale de ordre. Pas un ordre parfait, mais quelque chose de plus que le chaos.

Cette impression d’ordre est exacte, selon les scientifiques qui étudient de tels essaims : dans les mouvements des moucherons, on peut trouver les signatures mathématiques des propriétés au-delà de ce que l’on pourrait attendre d’un nuage d’insectes. En tant que groupe, ils se comportent comme des liquides ou des gaz, et présentent même les caractéristiques de « criticité », cette étrange étape de la matière à laquelle la transformation radicale d’un état à un autre se produit en un clin d’œil.

“La corrélation collective peut émanciper le système de ses détails microscopiques”, a déclaré le Dr Andrea Cavagna, physicien à l’Institut des systèmes complexes de Rome. Un essaim est bien plus que ses moucherons.

Avant que le Dr Cavagna et sa partenaire, le Dr Irene Giardina, physicienne théoricienne à l’Université La Sapienza de Rome, ne se penchent sur les moucherons, ils ont étudié les troupeaux d’étourneaux. En utilisant des caméras vidéo à haute vitesse pour mesurer la trajectoire de chaque oiseau dans un murmure, comme on appelle les troupeaux d’étourneaux, les chercheurs ont découvert en 2009 que lorsqu’un étourneau change de direction ou de vitesse, les oiseaux les plus proches changent aussi, et à leur tour les oiseaux les plus proches celles. Chaque étourneau dans un murmure est ainsi lié, quelle que soit sa distance.

Dans le jargon de la mécanique statistique, c’est ce qu’on appelle une corrélation sans échelle. C’est une propriété de criticité – ce que le liquide subit au moment où il devient un gaz, ou comment les particules d’un morceau de fer chaud, lorsqu’elles sont refroidies à une température spécifique, changent d’orientation à l’unisson et créent un aimant.

Cette année, les travaux du Dr Cavagna et du Dr Giardina sur les étourneaux leur ont valu le prestigieux prix Max Delbrück de physique biologique. Et pendant les premières années de leurs recherches, tout en emmenant leurs jeunes enfants dans les parcs de Rome, ils se sont émerveillés des essaims de moucherons voletant au-dessus de l’herbe et ont commencé à s’interroger sur eux aussi.

Les essaims de moucherons ne semblaient pas aussi soudés que les murmures, mais les insectes ne semblaient pas non plus se déplacer complètement indépendamment les uns des autres. “Nous avons eu l’idée que le même type de modèle pourrait également être utilisé pour décrire les essaims de moucherons”, a déclaré le Dr Giardina.

Les chercheurs ont braqué leurs caméras sur les essaims – ce qui n’est pas une mince affaire, compte tenu de l’évanescence des essaims et de la curiosité intrusive des passants – et ont découvert que, comme les étourneaux dans un troupeau, les moucherons dans un essaim sont collectivement corrélés.

Ils ne vont pas tous dans la même direction en synchronie quasi parfaite, et le degré de corrélation n’est pas aussi fort que chez les étourneaux. Il peut également y avoir des sous-groupes au sein d’un essaim qui se déplacent dans des directions différentes, les individus passant d’un sous-groupe à un autre – d’où l’apparition de désordre. Néanmoins, les moucherons sont tous enchevêtrés.

Les chercheurs ont également découvert qu’à mesure que les essaims augmentent en taille, ils deviennent plus denses et les vols des moucherons deviennent plus étroitement corrélés. Ceci est probablement fonction de la façon dont les moucherons réagissent au son des ailes bourdonnantes de leurs voisins, et cela leur permet de maintenir un degré optimal de corrélation.

“C’est comme si le système s’auto-organisait de manière à avoir la réponse maximale possible”, a déclaré le Dr Giardina. Le Dr Cavagna l’a décrit comme un moyen de «surfer le maximum de susceptibilité», permettant des mouvements soudains et coordonnés.

“Les modèles les plus proches dans les systèmes physiques sont les aimants”, a déclaré le Dr Cavagna; c’est-à-dire le changement collectif soudain de l’orientation des particules juste avant la magnétisation. Mais il a souligné que les essaims de moucherons ne sont pas à ce point critique, seulement à proximité.

Cela peut être une limitation physique, a-t-il noté. La véritable criticité ne se produit que dans les systèmes avec beaucoup plus d’unités que celles trouvées dans un essaim. Un aimant de fer d’un gramme contient environ 10 000 000 000 000 000 000 d’atomes de fer, alors qu’un essaim de moucherons de taille décente ne contient que plusieurs centaines de moucherons.

Il est également possible que l’atteinte de la criticité soit catastrophique pour eux, rendant l’essaim hypersensible à chaque perturbation, bouffée d’air ou quel que soit l’équivalent moucheron d’un éternuement. “Le meilleur compromis est d’être proche de la critique”, a déclaré le Dr Miguel Muñoz, physicien à l’Université de Grenade en Espagne, qui a suivi de près la recherche. “Vous profitez de la réactivité mais n’êtes pas trop près, car si vous êtes trop près, vous répondez à n’importe quoi.”

Les avantages potentiels de l’essaimage sont évidents dans les murmures, dont les rebondissements synchronisés peuvent aider les étourneaux à échapper aux prédateurs.

Les essaims de moucherons, qui se composent presque entièrement de mâles, remplissent également une fonction de reproduction, les femelles entrant et prenant leurs partenaires dans les airs. Peut-être qu’opérer à une quasi-criticité est propice à la romance des moucherons ? C’est inconnu. Il est également possible que les propriétés de l’essaim ne soient pas adaptatives mais simplement “un effet secondaire des mathématiques”, a déclaré le Dr Cavagna.

Le Dr Muñoz considère les découvertes du Dr Cavagna et du Dr Giardina comme « convaincantes », mais certains scientifiques s’y opposent. Dans ses propres études sur les moucherons captifs, le Dr Nicholas Ouellette, physicien à l’Université de Stanford, et ses collègues ont découvert que les corrélations n’étaient pas rapides à survenir. Lorsqu’elles sont apparues, les corrélations n’entraient pas dans le cadre de la criticité.

Les essaims étaient toujours intrigants, cependant. Dans un article publié en 2017 dans Physical Review Letters, le Dr Ouellette et ses co-auteurs les ont décrits comme contenant des moucherons dont les modèles de vol ont créé un noyau condensé entouré d’une couche de vapeur.

Et lorsque l’équipe a séparé les repères visuels sur lesquels un essaim s’est formé, l’essaim s’est divisé en deux. (Dans la nature, les repères pouvaient être des bûches ou des feuilles ; dans le laboratoire, c’étaient des morceaux de papier.) Ce faisant, les essaims ne se comportaient pas comme un fluide mais comme un solide, « semblant être soumis à une tension croissante avant de finalement craquer, », a déclaré le Dr Andrew Reynolds, biologiste théorique à Rothamstead Research en Grande-Bretagne.

“Différents stimuli peuvent induire des comportements différents”, a déclaré le Dr Reynolds. Il n’a pas participé à l’expérience de Stanford, mais a collaboré à d’autres avec le Dr Ouellette, dont une dans laquelle un essaim de laboratoire a vacillé et écrasé comme Jell-O. Plus tôt cette année, le Dr Ouellette et ses collaborateurs ont décrit comment les essaims semblent être régis par les lois de la thermodynamique.

De telles découvertes suggèrent qu’un essaim peut être compris comme une entité singulière plutôt que comme une collection d’insectes individuels, de la même manière qu’un cristal de quartz est perçu comme un objet discret plutôt que comme des milliers de milliards d’atomes. « Vous avez l’habitude de le considérer comme une seule chose, car vous ne pouvez pas voir de quoi il est fait », a déclaré le Dr Ouellette. “Ces essaims ont des propriétés matérielles bien définies qui ne sont pas des propriétés des individus, mais du groupe.”

Quant aux désaccords sur la corrélation et la criticité, ceux-ci seront finalement réglés avec plus de recherche. Il est également possible que les deux groupes aient raison : peut-être que des essaims de moucherons peuvent exister, selon la taille et les circonstances, sous toutes les formes que les chercheurs ont décrites.

Partout où cette poussière scientifique se dépose, on peut apprécier à quel point les essaims sont merveilleux et l’aperçu alléchant qu’ils offrent des principes sous-jacents à des phénomènes apparemment disparates. L’intérêt du Dr Muñoz pour la recherche a été suscité par les découvertes de la criticité des réseaux neuronaux et de la fonction cellulaire; il peut y avoir des similitudes entre la dynamique des essaims et le cerveau transformant l’excitation cellulaire en une image, ou un génome exprimant les instructions dans son ADN.

“La criticité pourrait être un principe unificateur”, a-t-il déclaré, un principe qui génère une coordination et une complexité exquises à partir de composants simples, et qui a été exploité à plusieurs reprises par l’évolution. Et même si les essaims ne sont pas presque critiques, les connexions sont toujours profondes.

Le Dr Reynolds a noté que les chercheurs avaient longtemps comparé les essaims aux systèmes auto-gravitatifs, comparant les forces qui les aident à maintenir la cohésion par temps venteux aux forces qui maintiennent les planètes ensemble. Dans un article récent, il a comparé les essaims à la collecte de poussière, de gaz et de plasma dans les nuages ​​interstellaires.

“Je vois maintenant une grande beauté et subtilité chaque fois que je vois un essaim de moucherons”, a déclaré le Dr Reynolds. “Ils m’arrêtent dans mon élan.”

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