Étude du comportement de transport de charges et de manipulation d'objets par des groupes de fourmis

Decision making in transportation and manipulation of objects in groups of ants

• Auteur / Autrice : Louis Devers
• Direction : Vincent Fourcassié
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ecologie, biodiversité et évolution
• Date : Soutenance le 20/09/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherches sur la Cognition Animale (Toulouse ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Audrey Dussutour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Detrain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thibaud Monnin, François-Xavier Dechaume-Moncharmont, Andrea Perna

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prise de décision -- Chez les animaux

Transport

Comportement animal

Fourmis

Mots clés libres

Ethologie quantitative

Prise de décision

Transport de charge

Optimisation

Comportement collectifs

Fourmis

Quantitative ethology

Decision making

Load transportation

Optimisation

Collective behavior

Ants

Résumé

Les fourmis sont connues pour leurs capacités d'auto-organisation et leurs performances hors du commun dans les activités de fourragement et de transport, et ce, avec des capacités cognitives relativement réduites. Elles sont capables de résoudre des problèmes parfois complexes, comme le choix parmi plusieurs options du chemin le plus court, la thermorégulation du nid, ou encore la régulation énergétique et nutritive de la colonie, avec une aisance déconcertante. Chez les fourmis, la solution du problème à l'échelle collective émerge de la somme d'interactions simples et locales entre elles et leurs milieux (par dépôt de phéromones par exemple). Les fourmis sont par conséquent, un modèle pertinent pour étudier la prise de décision à l'interface entre des individus simples et limités cognitivement et un collectif complexe et pertinent, voire optimal. Une des tâches dans lesquelles s'illustrent parfaitement les fourmis est le transport. Les fourmis constituent en effet un des rares groupes d'espèces capables de déplacer des objets de masse importante sur de longues distances, une fois ramenées à leurs échelles. Elles sont notamment capables de s'organiser autour d'une charge et de la porter collectivement afin de dépasser leurs limitations individuelles. Les tâches de transports sont omniprésentes durant le fourragement, la construction du nid, ou encore le soin au couvain, et sont donc essentielles pour la colonie. Chaque décision de porter un objet d'un point A à un point B entraîne un coût énergétique potentiellement important pour les fourmis. Une forme de régulation de l'effort pourrait donc être attendue. Cette thèse se propose d'étudier les prises de décision des fourmis dans des contextes de transports, et de les mettre en relation avec les coûts énergétiques produits. La question principale motivant nos recherches est donc : quelle est la place de la régulation énergétique dans les prises de décision de transport chez les fourmis ? La thèse est constituée de deux chapitres portant sur la même question étudiée dans deux contextes différents et sur deux espèces différentes. Premièrement nous avons étudié le transport d'objet dans une tâche de choix binaire, à savoir le transport d'obstacle lors de la désobstruction d'une galerie souterraine chez Messor barbarus. Puis, nous nous nous sommes intéressés à l'impact de la mobilité d'une charge dans un contexte de transport collectif chez Aphaenogaster senilis. Nous avons quantifié la qualité des transports effectués avec des mesures objectives comme l'efficacité ou le travail mécanique issus de modèles mécaniques réalisés pour cette thèse. Nous nous sommes intéressés notamment aux prises mandibulaires sur la charge, en les considérant comme la base du comportement de transport. Les prises mandibulaires marquent en effet autant l'initiative du transport (au début de la prise) que la persistance sur la tâche (par leurs durées). Nous avons observé que les fourmis, quand elles sont confrontées à un choix entre deux options pour dégager un objet obstruant une galerie plus ou moins inclinée, tiraient l'objet vers le côté nécessitant le plus faible travail mécanique dans 75% des cas. Cependant, si la fourmi semble résoudre cette tâche individuellement de manière efficace, cette efficacité reste toute relative au niveau collectif. Nous avons aussi observé que, si les durées des prises mandibulaires sur l'objet étaient plus courtes sur des tâches plus dures, la quantité d'énergie utilisée, elle, restait inchangée. La quantité d'énergie utilisée semble dépendre des capacités musculaires des fourmis, ce qui pourrait indiquer qu'elles accomplissent un effort relatif similaire à chaque tentative de transport.

Ants are well known for their capacity to self-organize and for their feats in foraging and transport activities, that they are able to achieve with relatively limited cognitive capacities. They are able to solve with disconcerting ease complex problems, such as finding the shortest paths among several options, ensuring the thermoregulation of a nest or regulating the colony's energy and nutrients intake. The solution to a collective problem in ants emerges from the sum of simple, local interactions between them and their environment (by depositing pheromones, for instance). Ants are therefore a relevant model for studying decision-making processes at the interface between simple, cognitively limited individuals and a complex, relevant or even optimal collective. One of the tasks in which ants excel is transport. In fact, they are one of the few group of species that can move objects of significant mass over long distances. In particular, they are able to organise themselves around a load and to carry it collectively in a way that allow them to overcome their individual limitations. Load-carrying tasks are omnipresent during foraging, nest building and brood care, and are therefore essential for the colony. Each decision to carry an object from point A to point B entails a potentially significant energy cost for the ants. Therefore, a form of effort regulation can be expected. The aim of this thesis is to study decision-making processes in ants in the context of load transport in relation with the energy costs produced. The main question motivating our research is therefore: what role does energy regulation play in the decision-making processes underlying load transport in ants? This thesis consists of two chapters dealing with the same question studied on two different species in two different contexts. Firstly, we studied load transport in a binary choice task taking place during the clearing of an underground gallery in the species Messor barbarus. Secondly, we examined the impact of load mobility in a context of collective transport in the species Aphaenogaster senilis. We quantified the quality of the transports performed by ants using objective measures, such as efficiency and mechanical work with mechanical models designed for this thesis. We focused on mandibular grasps on the load as the basis of load transport behaviour. Mandibular grasps mark indeed both the initiative of the transport (at the start of the grasp) and the persistence on the task (through their duration). We observed that ants, when faced with a choice between two options to remove an object blocking a gallery with different inclinations, pulled the load towards the side requiring the least mechanical work in 75% of cases. However, while individual ants seem to solve this task efficiently, the efficiency remains relatively low at the collective level. We also observed that while the duration of mandibular grasps was shorter on tough tasks, the amount of energy expended remained unchanged. The amount of energy expended seems to depend on the muscular capacities of the ants, which suggests that they make a similar relative effort at each transport attempt. During collective transports, we observed that ants did not arrange themselves randomly around the transported load. The arrangements preferred by ants are those that reduce the total forces required to keep the object above ground. This preference disappears when the load is held still by a pin. We also noted that disadvantageous arrangements are abandoned more quickly than others, showing a form of energetic regulation of behaviour on the task.