Approche multiéchelle en écologie physique des insectes : modélisation des aérosols vecteurs de phéromones et de la locomotion à la surface de l'eau

Multiscale approach in physical ecology of insects

• Auteur / Autrice : Ludovic Jami
• Direction : Jerôme Casas, Jean-François Dufrêche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 02/12/2022
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, Sciences Biologiques et Chimie du Vivant (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur la Biologie de l'Insecte
• Jury : Président / Présidente : Elie Raphaël
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Magali Proffit, Marc Baaden, Max R. McGillen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ted Turlings, Marie Jardat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effets de l'environnement

Mécanique des fluides

Écologie -- Réseaux d'interactions

Eaux de surface

Locomotion

Gyrinidés

Chimie physique et théorique

Vers à soie

Dynamique moléculaire

Absorption et adsorption

Aérosols

Communication animale

Phéromones

Mots clés libres

Phéromones

Aérosols

Dynamique moléculaire

Nage

Écologie physique

Modélisation mésoscopique

Phéromones

Aerosols

Molecular dynamics

Swimming

Physical ecology

Mesoscopic modeling

Résumé

Nous avons modélisé, à différentes échelles, l'interaction des phéromones sexuelles d'insectes avec les particules d'aérosols, et les conséquences sur la communication chimique entre espèces. On montre que l'adsorption significative de phéromones sur les aérosols intervient rapidement au cours du transport dès lors que l'énergie libre d'adsorption est assez forte. Le signal phéromonal peut alors être détecté à plus grande distance grâce aux aérosols. Des simulations de dynamique moléculaire (directes et biaisées) ont permis d'estimer cette énergie libre et la cinétique d'interaction de phéromones du vers à soie (Bombyx mori) et d'aérosols aqueux. Cette description moléculaire détaillée indique que l'adsorption individuelle de phéromones est dans ce cas non significative, mais qu'une adsorption collective peut l'amplifier. La modélisation de l'adsorption collective des phéromones est cependant limitée par la présence de dynamiques lentes à l'interface. Nous discutons en outre plus généralement le rôle de la physico-chimie et des phases aérosols dans la communication-chimique entre espèces et proposons des perspectives dans ce domaine. Par ailleurs, nous étudions le rôle de la taille du gyrin (gyrinidae) sur sa locomotion à la surface de l'eau. À l'aide des lois d'échelle décrivant la capacité de propulsion du gyrin et les résistances qu'il subit, nous montrons la présence d'une taille optimale pour la nage. Nous discutons la distribution de taille des différentes espèces de gyrins et leur évolution. Les travaux abordés dans cette thèse illustrent la pertinence d'une approche mésoscopique dans la compréhension de phénomènes physiques multi-échelles au cœur de l'écologie physique, de la biologie des organismes aux interactions entre espèces.

We have modeled, at different scales, the interaction of insect sex pheromones with aerosol particles, and the consequences on chemical communication between species. We show that significant adsorption of pheromones on aerosols occurs rapidly during transport whenever the free energy of adsorption is high enough. The pheromone signal can then be detected at a greater distance thanks to the aerosols. Molecular dynamics simulations (direct and biased) were used to estimate this free energy and the kinetics of the interaction of silkworm (Bombyx mori) pheromones and aqueous aerosols. This detailed molecular description indicates that individual pheromone adsorption is not significant in this case, but that collective adsorption can amplify it. The modeling of collective pheromone adsorption is, however, limited by the presence of slow dynamics at the interface. We also discuss more generally the role of physical-chemistry and aerosol phases in interspecies chemical communication and propose perspectives in this field. We also study the role whirligig beetle (gyrinidae) size on its locomotion on the water surface. Using scaling laws describing the propulsive capacity of the whirligig beetle and the resistances it experiences, we show the presence of an optimal size for swimming. We discuss the size distribution of different whirligig beetle species and their evolution. The work discussed in this thesis illustrates the relevance of a mesoscopic approach in understanding multi-scale physical phenomena at the heart of physical ecology, from organism biology to species interactions.