Observer un banc de milliers de poissons virevolter de conserve offre une vision complexe et fascinante, semblant orchestrée par une commande intentionnelle et centralisée. Pourtant, ce phénomène naturel est en réalité l'un des exemples les plus éclatants de comportement collectif sans concertation collective, où le groupe se coordonne sans avoir besoin de chef, ni de hiérarchie dominant/dominé. Ce mouvement harmonieux, qui a longtemps questionné les chercheurs, recèle des secrets d'efficacité énergétique et de mécanismes de coordination qui dépassent la simple survie et offrent des perspectives inédites pour comprendre les interactions sociales, des animaux aux humains.
L'Énigme de la Nage en Banc : Économie d'Énergie et Rapidité Accrue
La question de savoir pourquoi les poissons nagent en banc a trouvé une partie de sa réponse grâce à un modèle informatique sophistiqué. Des chercheurs du CNRS et de l'école Centrale de Marseille ont démontré que cette formation permet aux poissons de dépenser moins d'énergie tout en allant plus vite, sans forcément qu'ils s'en rendent compte. Lorsqu'ils nagent en banc, les poissons se la coulent douce : c'est ce qu'il ressort d'une étude menée par ces scientifiques, publiée dans la revue scientifique Physical Review Letters. Les scientifiques qui ont participé à ces recherches ont conçu un modèle informatique permettant de simuler un banc de poissons. Ce modèle a pris en compte non seulement le fait que les poissons qui nagent en banc essaient de s'aligner avec leurs voisins et de ne pas entrer en collision, mais aussi, et c'est une première significative, l'effet de l'écoulement de l'eau autour d'eux.
Cet "effet du fluide" est primordial. Quand un poisson nage en banc, son action provoque du mouvement dans l'eau. Et quand il nage en banc, ce mouvement prend tout son intérêt, s'apparentant à une sorte d'effet d'aspiration. Clément Sire, directeur de recherche au CNRS et co-auteur de l'étude, explique que les poissons, en se mettant un petit peu en quinconce, génèrent un écoulement qui entraîne le poisson qui est derrière, puis le suivant, et ainsi de suite. Le résultat de cette synergie est remarquable : pour la même dépense d'énergie, le poisson se déplace beaucoup plus vite en banc que tout seul. Un poisson dépense ainsi moins d'énergie quand il nage en banc, car ses voisins produisent un effet d'aspiration qui l'aide dans ses déplacements. Ce n'est pas que les poissons veulent délibérément adopter cette formation ; ils obéissent simplement aux lois de la physique. L'effet du fluide et l'effet comportemental font qu'ils se placent un peu automatiquement en quinconce. L'étude du rôle de l'écoulement de l'eau entre les poissons n'avait, en effet, jamais été approfondie auparavant.
Un Comportement Collectif Sans Chef : Les Bénéfices Multiples du Regroupement
Le banc est un groupement important d'individus de la même espèce qui se déplacent ensemble. Ce phénomène est très fréquent chez les poissons et peut compter plusieurs milliers d’individus. Il est caractérisé par l'absence de hiérarchie et de leader : le mouvement du banc résulte des déplacements individuels coordonnés. Le poisson obéit à cet appel à la communauté pour un certain nombre de raisons fondamentales. La première explication est d’ordre social et génétique : se regrouper facilite la communication et les accointances, et diminue le stress. En effet, le rythme cardiaque d'un poisson solitaire est toujours plus élevé que celui d'un poisson nageant dans un groupe ou un banc, soulignant que nager en groupe réduit le stress.
En outre, le regroupement confère une protection substantielle contre les prédateurs. En se regroupant selon un modèle compact et structuré, le risque d’être attrapé s’affaiblit car le banc génère une surcharge sensorielle chez le prédateur. Cette intimidation permet aux poissons de rester en groupe et d'être protégés des prédateurs, tant que ceux-ci ne sont pas trop gros. Certains prédateurs, tels que des requins de récifs, sont souvent trop lents pour pouvoir attraper une proie dans un banc. Cependant, ces prédateurs peuvent parfois profiter de l’arrivée d'autres espèces plus agiles, telles que des carangues, créant la pagaille et la confusion dans le banc.
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La quête de nourriture est une autre raison majeure pour laquelle les poissons se regroupent. Rester en banc facilite la recherche de la nourriture, car il y a plus d’yeux pour la détecter, augmentant ainsi l'efficacité de la recherche collective.
Perception Sensorielle et Coordination Exceptionnelle
Les mouvements synchronisés des bancs de poissons sont conceptuellement simples, mais leur réalisation est d'une efficacité redoutable. Chaque poisson se repère grâce à ceux qui l’entourent, et pour cela, il utilise deux organes sensoriels essentiels : les yeux, qui lui permettent de détecter la position de ses congénères, et la ligne latérale. Cette dernière, parcourant les flancs du poisson, est dotée de récepteurs sophistiqués qui détectent ses propres déplacements, ainsi que la pression et les vibrations de l’eau. Ces informations sensorielles continues permettent à chaque individu de s'ajuster en temps réel aux mouvements de ses voisins, créant ainsi une chorégraphie collective fluide et harmonieuse. Les poissons vivant en bancs reçoivent donc des informations sur leur environnement grâce à leurs yeux et à un autre organe sensoriel particulier, la ligne latérale.
Décrypter les Mouvements Collectifs : Des Modèles Empiriques aux Réalités Physiques
Le phénomène de la nage en banc s'inscrit dans un cadre plus large des mouvements collectifs dans la nature. La question de savoir comment des centaines de poissons ou d'oiseaux parviennent à se déplacer ensemble de manière coordonnée et à se comporter comme un seul et même superorganisme a longtemps été un mystère. Ce phénomène se retrouve à toutes les échelles du vivant, que ce soit dans les colonies de bactéries, les essaims d'insectes, les bancs de poissons, les nuées d'oiseaux, ou encore les troupeaux d'ongulés. Tous ces systèmes sont constitués d'un grand nombre d'individus dont les interactions engendrent des dynamiques collectives complexes.
Depuis une dizaine d'années, un nombre croissant de chercheurs appartenant à des communautés très différentes, comme l'éthologie et la physique statistique, ont combiné leurs méthodes afin de décrypter les mécanismes qui gouvernent ces phénomènes. L'analyse et la modélisation des comportements aux deux échelles individuelle et collective ont permis aux éthologues d'identifier les interactions sociales qui entrent en jeu dans la coordination des déplacements des individus et dans la transmission des informations au sein d'un groupe. De leur côté, les physiciens s'intéressent de plus en plus à la « matière active ». Cette expression renvoie aux objets physiques ou aux organismes vivants, qui dépensent de l'énergie pour se déplacer et qui adoptent des formes variées de déplacements collectifs.
Pendant longtemps, les études sur les mouvements collectifs de groupes d'animaux ont principalement reposé sur la construction et l'analyse de modèles mathématiques. Cependant, ces études étaient souvent sans lien direct avec des observations expérimentales, principalement en raison de la difficulté à acquérir des données précises sur ces phénomènes et à les modéliser. Ainsi, dans le premier modèle qui a fait date, celui d'Aoki-Couzin dont la version initiale a été élaborée au début des années 1980 par le biologiste japonais Ichiro Aoki, de l'université de Tokyo, des règles de comportement individuel d'évitement, d'alignement, et d'attraction reproduisent certaines caractéristiques des mouvements collectifs de bancs de poissons. Ce modèle postule l'existence de trois zones concentriques et de taille croissante autour d'un individu. La présence d'autres poissons dans chacune de ces zones détermine les comportements de cet individu. La première zone, qui se situe dans l'environnement direct du poisson, est la zone de répulsion : lorsque des congénères y pénètrent, l'individu s'en éloigne en changeant de direction. La deuxième est la zone d'alignement. Elle tire son nom du fait que le poisson s'aligne avec la direction moyenne suivie par tous les poissons qui se trouvent dans cette zone. Enfin, la dernière, et la plus éloignée, est la zone d'attraction. L'individu se dirige en effet vers la position moyenne occupée par les poissons situés dans cette zone.
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L'analyse de ce modèle a montré qu'en conservant constantes les valeurs des rayons des zones d'attraction et de répulsion, et en changeant simplement la valeur du rayon de la zone d'alignement, on obtient des changements qualitatifs très importants des types de mouvement collectif d'un banc de poissons. Ainsi, si cette valeur est nulle, la zone d'alignement disparaît ; les poissons s'attirent à longue distance et se repoussent lorsqu'ils sont trop proches les uns des autres, et on observe un déplacement collectif désordonné baptisé « grouillement » ou « swarming ». Lorsque le rayon de la zone d'alignement augmente, on voit apparaître des déplacements collectifs circulaires, les poissons nageant en cercle autour d'une zone centrale vide, une phase appelée « moulin ». Enfin, lorsque le rayon de la zone d'alignement dépasse un certain seuil, le banc est dit « polarisé » : tous les poissons s'alignent et se déplacent dans une direction commune. De très nombreux autres modèles phénoménologiques développés lors des dernières décennies, en particulier dans les années 1980-1990, et reposant sur des règles spécifiques, sont capables de reproduire qualitativement des mouvements collectifs de bancs qui ressemblent à ceux observés dans la nature. Cependant, le principal problème reste le manque de validation expérimentale des hypothèses sur lesquelles reposent ces modèles, et notamment celles concernant les règles de comportement et les interactions à l'échelle individuelle.
Vers une Compréhension Quantitative : Nouvelles Méthodes et l'Exemple du Nez Rouge
Cependant, depuis quelques années, le développement de nouvelles méthodes fondées sur des algorithmes d'apprentissage a permis le suivi expérimental automatisé des trajectoires et du comportement d'animaux se déplaçant en groupe. Ces techniques ont notamment été utilisées pour l'analyse des mouvements collectifs de nuées de moucherons, de groupes de poissons en aquarium, de nuées d'étourneaux, de troupeaux de moutons ou de foules humaines. Elles ont permis d'améliorer la précision des données disponibles sur les interactions sociales et leurs effets sur les comportements des individus, en ouvrant la voie à l'élaboration de modèles de mouvements collectifs à la fois quantitatifs et prédictifs.
On peut résoudre ce problème en adoptant une méthode dite incrémentale. Celle-ci consiste tout d'abord à modéliser, à partir des données expérimentales, le déplacement d'un individu isolé, qui ne rencontre aucun obstacle physique sur son chemin. Ce modèle est ensuite utilisé pour mesurer les effets, sur le déplacement de l'individu, de ses interactions avec des obstacles ou avec un autre individu présent dans son voisinage. Pour cela, on compare les trajectoires prédites par le modèle avec celles observées expérimentalement. Par cette méthode, on peut ainsi reconstruire, puis modéliser fidèlement la forme des interactions.
Cette méthode a été appliquée avec succès à l'analyse et à la modélisation du déplacement et des interactions sociales d'un petit poisson tropical d'environ 3 centimètres, le nez rouge (Hemigrammus rhodostomus), vivant dans des cours d'eau du bassin inférieur de l'Amazone. Cette espèce, dont on a observé le comportement de nage en banc très prononcé, alterne des phases de saccades, au cours desquelles le poisson accélère et change la direction de son déplacement, et des phases de glisse. Ce mode de nage intermittent permet d'analyser la trajectoire d'un poisson comme le résultat d'une série de décisions comportementales dans le temps et l'espace.
Chez cette espèce, les interactions d'un individu avec un obstacle (le bord du bassin) et avec un autre poisson déclenchent quatre principaux comportements. Le premier est un comportement d'évitement des obstacles, dont l'effet se manifeste dès que la distance est inférieure à deux longueurs de corps, soit environ 6 centimètres. On constate ensuite une répulsion entre les poissons à courte portée, c'est-à-dire lorsque la distance qui les sépare est inférieure à une longueur de corps. Parallèlement, une attraction entre les poissons se produit à longue portée, dont l'effet est maximal lorsque la distance est de l'ordre de six à sept longueurs de corps. Enfin, se manifeste aussi un comportement d'alignement avec la direction de nage d'un autre poisson ; celui-ci est maximal lorsque la distance entre les poissons est de l'ordre de trois longueurs de corps.
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Contrairement aux hypothèses arbitraires des modèles phénoménologiques mentionnés plus haut, ces différents comportements ne sont pas délimités par des zones strictes autour du poisson dont les distances sont fixées sans justification expérimentale. L'analyse des données expérimentales montre en effet que les réactions d'un poisson vis-à-vis de son voisin résultent d'une combinaison continue d'attraction et d'alignement, dont les effets dépendent de la distance entre les poissons. De plus, les réponses comportementales sont fortement modulées par la perception qu'ont les poissons de l'objet perçu autour d'eux, un phénomène appelé anisotropie de perception. Ainsi, l'effet de répulsion de la paroi est maximal lorsque l'orientation du poisson par rapport au bord du bassin est proche de 45 degrés et minimal lorsqu'il est parallèle au bord, ce qui contribue alors à induire une nage près du bord de l'aquarium chez les poissons de cette espèce. En effet, si le poisson ne réagit pas lorsqu'il est parallèle au bord de l'aquarium, il a plus de chance de conserver cette direction. Chez l'être humain, par exemple, cette réaction de répulsion minimale se retrouve lorsque l'obstacle se trouve derrière l'individu. De même, l'alignement est maximal lorsque l'autre individu est situé à l'avant gauche ou droit du poisson que l'on suit, et s'annule progressivement lorsqu'il se déplace vers l'arrière de celui-ci.
Interactions Sociales vs. Forces Physiques : Une Distinction Fondamentale
Les interactions sociales de répulsion à courte distance, d'attraction à plus longue distance, et d'alignement entre poissons, ou de répulsion entre un poisson et un obstacle, peuvent sembler similaires à des forces en jeu dans le monde physique. Par exemple, les forces de van der Waals décrivant les interactions électrostatiques entre atomes ou molécules sont répulsives à courte distance et attractives à plus longue distance. De la même manière, les interactions entre certains atomes magnétiques tendent à aligner leur spin, à l'image de boussoles qui s'aligneraient entre elles.
En fait, il existe des différences fondamentales entre interactions sociales et forces physiques. L'influence d'un poisson sur un poisson focal dépend de la direction de déplacement de ce dernier, et en particulier de « l'angle de vue » avec lequel il perçoit l'autre poisson ou un obstacle. Par ailleurs, l'intensité des interactions sociales entre deux poissons dépend aussi de l'orientation de leur déplacement l'un par rapport à l'autre. Cette anisotropie de perception entraîne une asymétrie entre ce que l'on appelle la « force sociale » exercée par un poisson A sur un poisson B et celle exercée par le poisson B sur le poisson A. À l'inverse, les forces physiques entre deux particules, comme la gravité, les forces magnétiques ou les forces électrostatiques (dont résulte la force de van der Waals), ne dépendent pas des vitesses des particules mais simplement de la distance qui les sépare. Une force physique exercée par la particule A sur la particule B est exactement opposée à celle exercée par B sur A, une propriété connue sous le nom de loi d'action-réaction de Newton. La notion d'énergie en physique et sa conservation dans un système isolé dérivent directement de cette loi d'action-réaction.
Phénomènes Critiques et Transitions de Phase : L'Analogie avec la Matière
Ces différents systèmes, qu'ils soient physiques ou biologiques, présentent ainsi des transitions de phase, qui sont des passages entre différents états ou phases. En particulier, les états ordonnés sont caractérisés par une notion d'ordre à l'échelle du système entier qui peut être quantifié par un paramètre d'ordre, mesurant par exemple la qualité de l'alignement ou de la polarisation du banc de poissons ou de l'aimantation ou de la polarisation des spins atomiques d'un aimant. Pour un aimant, ce paramètre d'ordre est maximal à basse température et diminue quand celle-ci augmente, jusqu'à s'annuler à une certaine température critique dépendant du matériau, au-delà de laquelle celui-ci perd son aimantation.
Pour un banc de poissons, la polarisation du banc ordonné diminue avec l'intensité de l'interaction d'alignement et s'annule en deçà d'une valeur critique de cette intensité, le banc devenant alors désordonné, ce qu'on appelle la phase de « swarming ». En pratique, des recherches ont montré que l'intensité de l'interaction d'alignement augmente avec la vitesse des poissons. Un banc peut ainsi passer de la phase swarming à la phase polarisée, ou « aimantée », en augmentant simplement sa vitesse, et, il faut le noter, sans la nécessité d'un « ordre » donné par un hypothétique poisson leader. Ces trois phases sont présentées dans un « diagramme de phase » en fonction de ces deux intensités, en parfaite analogie avec le diagramme de phase d'un matériau montrant les phases gazeuse, liquide et solide, en fonction de la température et de la pression. De plus, les paramètres d'intensité typiques de l'espèce Kuhlia mugil ont été mesurés proche du point de rencontre des trois phases, c'est-à-dire proche des lignes critiques.
Au point critique, ou sur la ligne critique, séparant deux phases où un paramètre d'ordre s'annule, le système, qu'il soit physique ou biologique, est dit « critique » et la dynamique de ses constituants est corrélée à l'échelle du système entier. Un système critique est alors caractérisé par de très fortes fluctuations de son paramètre d'ordre : la direction de l'aimantation pour un aimant ou la direction de nage du banc pour des poissons fluctuent rapidement dans le temps. Du fait de ces fortes corrélations à l'échelle du système, on peut montrer qu'un système critique présente une sensibilité et une réponse extrêmes à la moindre perturbation : un champ magnétique infinitésimal peut repolariser fortement le matériau magnétique ; de même, le comportement d'un petit nombre de poissons, ayant par exemple détecté la présence d'un prédateur, peut faire très rapidement passer le banc d'une phase à l'autre. Ce phénomène, qui semble se reproduire chez de nombreuses espèces animales se déplaçant en groupes, comme les étourneaux ou les moucherons, permettrait au groupe d'adapter plus efficacement ses comportements collectifs aux changements survenant dans son environnement, tels que la présence de nourriture ou de proies.
Des Poissons aux Robots : Applications et Analogies Humaines
Les découvertes concernant les bancs de poissons pourraient avoir des implications plus larges, bien au-delà du monde aquatique. Grâce à des modèles comme celui du banc de poisson, les chercheurs veulent établir des méthodes systématiques pour comprendre les interactions sociales chez les animaux et chez les humains. Le comportement de groupe des poissons peut faire un peu penser à nos propres comportements. Si vous regardez un trottoir dense un samedi dans un lieu où les gens font leurs courses, vous remarquerez que les gens font des files, sans qu'un grand chef indique à un groupe de marcher à droite et un autre à gauche. La question est pourquoi et comment on en vient à faire cela automatiquement, alors qu'on n'a individuellement pas forcément la volonté de le faire, comme le remarque Clément Sire.
Les principes de la nage en banc trouvent également des applications étonnantes dans la robotique. Le constructeur Nissan, par exemple, a reproduit le comportement d’un banc de poissons grâce à une électronique de pointe, comme le déclare Toshiyuki Andou, directeur du projet des voitures-robots. Ces machines utilisent des techniques de communication en guise d’yeux, et un télémètre à laser leur tient lieu de ligne latérale. Le constructeur compte bien recourir à ces techniques pour créer des voitures « risque zéro de collision » et « contribuer à des conditions de circulation agréables, sans embouteillage ».