La miniaturisation chez les fourmis : adaptations squeletto-musculaires et succès évolutif

Miniaturisation in ants : from skeletomuscular adaptations for ground behaviours to evolutionary success

• Auteur / Autrice : Adam Khalife
• Direction : Julien Gasparini, Christian Peeters
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 16/12/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la nature et de l'Homme - Évolution et écologie (Paris ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d’écologie et des sciences de l’environnement de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Alexander Blanke
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martine Maïbèche-Coisné, Adria LeBoeuf
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexander Blanke, Pierre Moretto

Mots clés

Mots clés contrôlés

Comportement animal

Allométrie

Évolution (biologie)

Morphologie (biologie)

Fourmis

Mots clés libres

Évolution

Morphologie fonctionnelle

Allométrie

Modélisation 3D

Comportement

Écologie

Evolution

Functional morphology

3D modelling

Allometry

Résumé

Les fourmis existent dans tous les écosystèmes terrestres et constituent une part importante de la biomasse animale, surtout dans les tropiques. Ce sont des insectes eusociaux, constituant des colonies pérennes avec une division du travail : les reines se reproduisent tandis que les ouvrières s’occupent du couvain et cherchent de la nourriture. Les fourmis ouvrières sont les seuls hyménoptères sociaux à avoir perdu la capacité de voler et à montrer une tendance à la miniaturisation – l’évolution d’une très petite taille au sein d’une lignée en outrepassant les limites fixées par le plan d’organisation du corps. Elles sont également renommées pour leur force, étant notamment capable de porter plusieurs fois leur poids sur de longues distances. Force et agilité au sol requièrent l’intégration de nombreux muscles au sein du thorax pour bouger la tête, les pattes, et l’abdomen via le pétiole. La miniaturisation n’a jamais été étudiée chez un insecte social, et comment le volume des muscles et autres organes évolue avec la taille du corps reste un mystère. Dans cette thèse, j’ai étudié Carebara perpusilla, l’une des plus petites fourmis du monde, par une approche de morphologie fonctionnelle. D’une part, j’ai observé la division du travail chez cette espèce qui possède deux castes non-reproductrices, ouvrières et soldats. D’autre part, j’ai utilisé la microtomographie aux rayons X (microCT) pour reconstituer des modèles 3D du thorax et comparer le volume des organes entre castes et entre espèces. Mes résultats suggèrent que la miniaturisation peut prendre différentes formes, en lien avec l’écologie et le répertoire comportemental, ouvrant la voie à des approches prédictives.

Ants are present in all terrestrial ecosystems and represent an important part of the animal biomass, particularly in the tropics. They are eusocial insects, constituting perennial colonies with division of labour: queens reproduce while workers take care of the brood and find food. Ant workers are the only social Hymenoptera to have lost the ability to fly and show a tendency to miniaturise, unlike bees and wasps. Miniaturisation is the evolution of extremely small size within a lineage, exceeding the limits set by the body organization plan. At the same time, workers are famous for their strength, being able to lift multiple times their own weight over long distances. The strength and agility of workers on the ground requires the integration of many muscles inside the thorax to articulate the head, legs, and abdomen via the petiole. Miniaturisation in social insects has never been studied, and how the volume of muscles and other organs changes with body size remains a mystery. In this thesis, I studied Carebara perpusilla, one of the smallest ants in the world, with an approach of functional morphology. On the one hand, I observed the division of labour in this species which has two non-reproductive castes, workers and soldiers. On the other hand, I used X-ray microtomography (microCT) to reconstruct 3D models of the thorax and to compare the volume of the organs intra- and interspecifically. My results suggest that miniaturization can take different forms, related to the ecology and behavioural repertoire of minute ants, paving the way for predictive approaches.