Physical aspects of fish locomotion : an experimental study of intermittent swimming and pair interaction
Auteur / Autrice : | Bill François |
Direction : | Benjamin Thiria, Frédéric Lechenault, Ramiro Godoy Diana |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Physique |
Date : | Soutenance le 30/03/2021 |
Etablissement(s) : | Université Paris Cité |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Physique et mécanique des milieux hétérogènes (Paris ; 1997-....) |
Jury : | Président / Présidente : Vincent Fourcassié |
Examinateurs / Examinatrices : Vincent Fourcassié, Clément Sire, Ulrike Müller, Valentina Di Santo | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Clément Sire, Ulrike Müller |
Mots clés
Résumé
L’étude de la locomotion des organismes aquatiques se situe à l’interface entre la physiologie, l’éthologie, la mécanique des fluides et celle du solide. La nage intermittente est une stratégie de nage employée par de nombreuses espèces. Elle se caractérise par une alternance de phases de nage active (ondulations), suivies de phases passives où le poisson se laisse glisser sans action. Ce type de nage a été largement étudié et interprété en tant que mécanisme d’économie d’énergie lors de la nage rapide des espèces de poissons de grande taille. Cependant, les espèces de petite taille emploient ce mécanisme à vitesse de croisières, et les causes sensorielles et comportementales de cette stratégie de nage n’ont pas été élucidées. L’objectif principal de cette thèse est de fournir une meilleure compréhension de la nage intermittente, d’un point de vue comportemental et dynamique, au travers de plusieurs expériences modèles, et de modélisations, en étudiant à la fois les aspects hydrodynamiques, statistiques et comportementaux. Nous cherchons à caractériser la dynamique de la nage intermittente pour les poissons de petite taille afin d’en comprendre les causes, et le rôle dans la nage collective et les stratégies d’exploration. Ce travail s’inscrit dans la continuité de notre étude préliminaire de l’évolution des caractéristiques cinématiques de la nage intermittente avec la vitesse. Dans un tunnel hydrodynamique permettant d’imposer leur vitesse de nage, les tétras que nous avions étudiés (Hemigrammus bleheri) utilisent la même allure de nage intermittente a toutes les vitesses, et adaptent leur vitesse en modifiant le ratio de temps passé en phase active (« burst ») ou passive (« coast ») au sein de cycles dont la durée reste la même. Nous avons étudié l’ontogénèse de cette nage intermittente, et son évolution au cours de la vie du poisson, pour comprendre comment les paramètres de la nage évoluent avec l’âge et la taille du poisson. Nous avons utilisé pour cela des poissons-zèbres (Danio rerio), suivis au cours de leur croissance de 7 a 160 jours post-fécondation, filmés à la camera rapide en nage libre individuelle. Nous avons développé des dispositifs expérimentaux et des protocoles pour acquérir un large échantillon de données statistiques. Nous avons traité et analysé les images et développé un modèle mécanique pour déduire l’énergie élastique et les efforts de courbure à partir des déformations du corps du poisson. Nous avons mis en évidence une transition dans la cinématique de nage à 21 jours, caractérisée par l’émergence de variations de vitesses lors desquelles le poisson est capable de faire varier le ratio entre phases de ‘burst’ et de ‘coast’ lors du cycle de nage, pour atteindre une gamme plus large de vitesses. La distribution de vitesses et les comportements d’exploration présentent aussi une transition au même âge, qui correspond à la transition entre les stades larvaire et juvénile, et à un changement de régime hydrodynamique. Nous avons ensuite étudié le lien entre cinématique de nage, taille du poisson et mouvement collectif pour l’interaction entre deux poisons. Ces expériences furent réalisées au laboratoire de Friday Harbor (Université du Washington). Nous avons analysé l’effet de la taille des poissons sur leur cohésion, l’adaptation de leur vitesse et de leur trajectoire, et la prise de décision dans la nage collective, en utilisant comme modèle la « Shiner perch » (Cymatogaster aggregata). Nous avons déterminé l’effet de la différence de taille sur la cohésion et la coordination des mouvements de nage des poissons, ainsi que sur le leadership, défini comme l’initiative des mouvements de nage.