PROJET SCIENTIFIQUE COLLECTIF Ecologie chimique : sur la trace des fourmis

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1 1 X 2007 PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF Ecologie chimique : sur la trace des fourmis Yann BLUI Camille CARAUDEAU Thomas DI MAI Vincent MARTIEZ Lionel PAGES Caroline RUSSEAU Tuteur : M. Samir ZARD Coordinateur : M. Thierry GACI PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

2 2 Remerciements De nombreuses personnes nous ont apporté leur aide ainsi que leur soutien durant la conduite de notre projet. ous tenons en particulier à remercier : M. Samir ZARD, directeur du département de Chimie de l Ecole Polytechnique et tuteur de notre projet, notamment pour son aiguillage dans la synthèse chimique, M. Jean-Marc JALL, professeur émérite de l université d rsay, qui a su répondre à nos questions dans nos phases de recherche et nous mettre en contact avec un laboratoire spécialisé, M. Dominique FRESEAU, directeur du LEEC de Villetaneuse (Laboratoire d Ethologie Expérimentale et Comparée), ainsi que l ensemble de son équipe, qui nous ont guidés dans le choix de l espèce de fourmis et qui nous ont gracieusement fait don d une colonie, M. Philippe ERMAGE et M. William ERB, ainsi que M. icolas MEZAILLES, M. Fabien GAGSZ et Jean-François, encadrants et coordinateurs des Modex (Module expérimental) de chimie qui nous ont permis de réaliser notre synthèse phéromonale, Mmes Marie CAARD et Elodie DUCASSE, responsables du département de Biologie et de Sciences de la Vie au Palais de la Découverte, qui nous ont familiarisés avec les protocoles de tests et nous ont permis de réaliser des expériences à grande échelle, Et enfin la scolarité jaune ainsi que le bureau logement de l école et l adjudant Patrick CARR, qui nous ont donné les moyens matériels d installer une colonie de fourmis sur le site de l école. C est sans nul doute grâce au soutien de l ensemble de ces personnes que le projet a pu être mené à bien. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

3 3 Résumé Le methyl 4-methyl-1-pyrrole-2-carboxylate représente le constituant majoritaire du bouquet phéromonal des Acromyrmex Myrmidae, espèce de fourmis du Panama. ous nous sommes intéressés au cours du PSC à sa synthèse ainsi qu à ses applications, en parallèle de l élevage d une colonie de ces fourmis prêtée par le LEEC de Villetaneuse sur le site de l Ecole. ous avons synthétisé ce pyrrole, dans le Département de Chimie et de Synthèse rganique (DCS) de l Ecole Polytechnique, selon le procédé de BART-ZARD qui comprend trois étapes simples et relativement rapides. Par la même voie de synthèse, nous avons produit deux analogues en changeant les substituants de la phéromone : l ethyl 4-methyl-1-pyrrole-2-carboxylate et l ethyl 4-ethyl-3-methyl-1pyrrole-2-carboxylate. L'écologie chimique consiste en l'étude du rôle des médiateurs chimiques dans les interactions entre espèces vivantes. ous l'avons illustré au moyen d'une phase de tests expérimentaux, menée pour déterminer la réponse des fourmis face aux pyrroles. Diverses expériences ont donc été réalisées avec les composés en solution dans de l eau à la concentration de 0,1 mg/ml : suivi d une trace, gestion des croisements, sensibilité à la concentration Une modélisation informatique a également été réalisée afin de retranscrire les observations expérimentales et d élaborer un modèle comportemental de réaction des fourmis face aux phéromones. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

4 4 Table des matieres Remerciements 2 Résumé 3 Introduction 5 Conduite du projet : démarche et structure 7 A. Suivre une démarche scientifique 7 B. Mettre à profit des compétences individuelles 8 Elevage d une colonie d Acromyrmex 12 A. Les prémices 12 B. De la nécessité de s informer sur Acromyrmex 13 C. Importance des données entomologiques lors de la phase de tests 16 Synthèse de la phéromone de trace 18 A. Les pyrroles en tant que phéromones de trace de fourmis 18 B. Synthèse de la phéromone de trace selon le procédé de BART-ZARD 20 Evaluation de l impact de la phéromone 24 A. Détermination du mode d utilisation de la phéromone 24 B. Expériences de suivi de trace à petite échelle 28 C. Expériences sur d autres fourmis 30 D. Séance au Palais de la Découverte 32 Modélisation informatique du comportement des fourmis 33 A. Description de la modélisation 33 B. Résultats de la simulation 35 C. Bilan 38 Conclusion 40 Bibliographie 42 Annexes 43 A. Synthèse chimique 43 B. Utilisation de la simulation 47 C. Code source de la simulation 49 PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

5 5 Introduction Qui n est jamais resté plusieurs minutes à observer des fourmis se déplaçant en file indienne pour collecter de la nourriture? Comment expliquer ces comportements curieux d'insectes dits sociaux? A quel type de communication chimique font-ils appel et comment la mettre en évidence? Ces questions constituent le cœur de notre Projet Scientifique Collectif. Partons donc sans plus attendre sur la trace des fourmis. La nature nous offre de nombreux exemples où des substances chimiques sont responsables d interactions variées entre des individus : ces substances peuvent par exemple induire des modifications du comportement sexuel. Certains papillons peuvent ainsi reconnaître leur partenaire grâce aux molécules que celui-ci libère à plusieurs kilomètres de distance. D autres molécules permettent un marquage du territoire, comme celles contenues dans les urines des canidés. Enfin, certaines substances chimiques sont responsables des déplacements collectifs des individus. Ainsi, les lamproies marines sont guidées vers leur rivière d'origine par des molécules émises par leurs larves à des centaines ou milliers de kilomètres en amont. Les fourmis utilisent le même type de substances chimiques pour créer sur le sol des traces entre la nourriture et le nid, afin de guider leurs congénères. L ensemble de ces substances chimiques, agissant comme des messagers entre les individus d'une même espèce en transmettant aux autres spécimens des informations, sont appelées phéromones. Dans le cadre de ce projet, nous allons nous intéresser plus particulièrement aux phéromones de trace sécrétées par des fourmis de l'espèce Acromyrmex Myrmidae. otre objectif est d étudier la réponse comportementale des individus d une telle colonie face à une phéromone de synthèse préparée par nos soins. Grâce à la collaboration des chercheurs du LEEC de Villetaneuse, du département Sciences de la Vie du Palais de la Découverte et du DCS de l Ecole Polytechnique, nous avons orienté notre démarche selon trois axes principaux : La synthèse de la phéromone de trace de ces fourmis originaires du Panama selon la réaction de BART-ZARD. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

6 6 L observation des réactions des différentes castes de fourmis confrontées à la molécule synthétisée : une phase de tests comportementaux variés a donc été mise en place. Une analyse et synthèse informatique des résultats obtenus dans le but d élaborer une simulation comportementale d une colonie de fourmis. Si les résultats de nos tests sont concluants, ce projet laisserait entrevoir de nombreuses applications pratiques, comme la déviation des fourmis de l espèce Formicidae eciton impliquées dans les «Marabunta» (migrations massives et destructrices de fourmis) en Amérique, ou plus généralement la gestion des nuisances diverses (sur les cultures, les habitations ) provoquées par d autres types d insectes dont les phéromones de trace sont répertoriées. otre projet impliquant, dans sa partie expérimentale, de suivre des fourmis le long de traces phéromonales, le présent rapport s accompagne d un DVD rassemblant les enregistrements des principaux tests effectués, de simples photos étant insuffisantes. Afin de parvenir à dégager des règles comportementales chez les fourmis, nous avons fait appel à des connaissances pluridisciplinaires (chimie, biologie et informatique) qui reflètent la diversité des membres du groupe. Tels sont les éléments clés qui seront développés dans la suite de ce rapport. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

7 7 Conduite du projet : démarche et structure A. Suivre une démarche scientifique Mettre en place un Projet Scientifique Collectif, c est avant tout rassembler : Rassembler un groupe de personnes motivées et capables de s investir fortement dans la conduite d un projet n est pas chose aisée. Cela implique en premier lieu de choisir un sujet intéressant pour l ensemble du groupe, afin d éviter des déséquilibres ou des formes d inintérêt qui se manifesteraient avec le temps. De ce fait, notre groupe s est progressivement constitué autour d un sujet, l étude comportementale de fourmis en réaction à des phéromones de trace, et ses membres ont chacun apporté une compétence nécessaire à la réalisation du projet. C est ce qui fait d eux des éléments indispensables au travail collectif. En effet, notre projet fait appel à des connaissances en chimie, en biologie et en informatique. Cela implique également de favoriser les échanges entre les membres du groupe, afin d assurer la cohésion du projet et de définir ensemble les directions à prendre pour remplir les objectifs initiaux. Il ne s agit en aucun cas de cloisonner les domaines de compétences. Rassembler, c est aussi collecter les informations nécessaires à la compréhension et à la maîtrise des enjeux inhérents au sujet, notamment par une recherche bibliographique. C est également s entourer de partenaires et de spécialistes reconnus : il en est ainsi de Jean-Marc JALL, chercheur en écologie chimique à l université d rsay, de Dominique FRESEAU, directeur du Laboratoire d Ethologie Expérimentale et Comparée de Villetaneuse, de Samir ZARD, directeur du Département de Chimie de l'ecole, ou des membres du département Sciences de la Vie au Palais de la Découverte. Grâce à ces contacts, nous avons pu recueillir des informations, du matériel, des spécimens de fourmis sur lesquelles effectuer les tests et un savoir-faire propre à la conduite de telles manipulations. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

8 8 Rassembler, c est enfin mettre en commun les travaux de chacun afin de construire un modèle informatique reproduisant le comportement observé chez les fourmis. Il a donc fallu synthétiser le travail effectué et retranscrire dans une simulation nos données expérimentales. L outil informatique nous a semblé particulièrement adapté car il permet d illustrer en temps réel l intelligence collective des fourmis en recherche de nourriture. Le schéma suivant permet de résumer la démarche scientifique que nous avons suivie : Chimie Biologie Informatique Synthèse B. Mettre à profit des compétences individuelles La réalisation du projet a demandé d assigner à chaque membre du groupe une tâche précise, correspondant à son domaine de compétences. Le travail a ainsi été réparti de la façon suivante : Yann BLUI, passionné d entomologie, s est occupé non sans mal de mettre en place les conditions appropriées à l élevage d une colonie de fourmis sur le campus de l Ecole et a fait profiter le groupe de ses connaissances myrmécologiques. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

9 9 Caroline RUSSEAU a concentré ses efforts sur la synthèse chimique de la phéromone de trace. Elle a préparé la molécule dans le cadre de son MDEX de chimie de janvier à avril. C est également à Caroline que revenait la charge régulière de collecter les différents travaux des membres du groupe pour les mettre en forme et à disposition de tous. Lionel PAGES a réalisé la synthèse en laboratoire de la molécule avec Caroline RUSSEAU. Membre de l association vidéo de l Ecole, il s est également chargé de l aspect audio-visuel du projet, en filmant les expériences effectuées, en les montant et en les assemblant sur le DVD fourni avec le présent rapport. Thomas DI MAI a mis en place les protocoles expérimentaux des tests de la phéromone de synthèse sur les fourmis. C est par son intermédiaire que les partenariats avec le Palais de la Découverte et le LEEC ont pu être établis, et grâce à sa ténacité que les différentes manipulations ont pu être réalisées dans des conditions optimales. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

10 10 Camille CARAUDEAU s est chargé avec Thomas DI MAI de la phase de test de la phéromone sur les fourmis. Il s est par ailleurs occupé de la communication au sein du groupe, de la communication interne à l Ecole ou avec les chercheurs qui nous ont soutenu. Enfin, Vincent MARTIEZ a fait bénéficier le groupe de ses talents en informatique pour élaborer le logiciel de simulation comportementale des fourmis. Il a donc permis l exploitation de l ensemble des résultats obtenus pendant la durée du PSC. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

11 11 Si à chacun était attribué un domaine particulier du projet, nous devions tous également nous occuper de la colonie de fourmis que nous élevions. Cette dernière nécessitant des soins quotidiens, nous avons établi un planning indiquant qui en était responsable à quel moment. ous sommes ainsi parvenus à conserver la colonie en vie jusqu à la phase de tests expérimentaux du projet. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

12 12 Elevage d une colonie d Acromyrmex A. Les prémices Après avoir décidé de nous intéresser aux phéromones de trace de fourmis, il a fallu décider de la forme qu allait prendre cette étude. Initialement nous n étions pas certains qu il soit utile d élever une colonie de fourmis sur le campus, mais très rapidement cette solution s est imposée à nous. C était en effet le moyen le plus efficace pour pouvoir réaliser Figure 1 Mediae Acromyrmex les tests nécessaires à l évaluation de la phéromone synthétisée, mais aussi pour observer de manière détaillée le comportement des fourmis au bénéfice de la simulation informatique. Une fois prise la décision d élever notre colonie sur le plateau, nous avons dû nous occuper des modalités pratiques d une telle décision ; en effet il n est pas si simple de se procurer une colonie de fourmis viable, et nous devions aussi prendre en compte des contraintes telles que la taille des individus, mais aussi, bien sûr, l utilisation de phéromones de piste, objet de notre étude. Lors des discussions préliminaires que nous avons menées, nous avions mentionné diverses espèces, dont par exemple les «fourmis rousses», Formica Rufa. Dans le but de nous procurer des fourmis, nous avons pris contact avec divers spécialistes dans ce domaine, ce qui nous a amené à faire la connaissance de MM. Jean-Marc JALL (professeur émérite en écologie chimique) et Dominique FRESEAU. Après plusieurs réunions avec ces spécialistes, dont une au laboratoire de Villetaneuse, nous nous sommes orientés vers le choix d une souche de fourmis du genre Acromyrmex, qui correspondaient le mieux aux critères que nous nous étions fixés. En effet, ces fourmis sont d une taille convenable pour mener des expériences individuelles et espérer les filmer. De plus, chaque colonie est polygyne (elle comporte plusieurs reines), ce qui, dans notre optique, devait faciliter la survie de la PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

13 13 colonie dans les conditions un peu frustres que nous savions être celles de notre installation à Palaiseau. B. De la nécessité de s informer sur Acromyrmex Après avoir choisi d élever cette colonie de fourmis, nous avons dû nous renseigner à son sujet, afin de permettre son développement dans les meilleures conditions possibles. Cela a débuté avec une recherche myrmécologique sur le genre Acromyrmex, qui nous a amenés à acquérir des informations sur le sujet nécessaires au bon déroulement de la vie de notre colonie, comme nous allons le voir par la suite. Les fourmis du genre Acromyrmex forment une sous-famille d une catégorie plus vaste, la tribu des Attini, à laquelle appartient par exemple le genre Atta, plus connu et plus souvent étudié qu Acromyrmex. Ces fourmis sont des insectes tropicaux que l on trouve principalement dans les pays d Amérique du Sud, ce qui nous imposait de maintenir des conditions de température et d humidité convenables dans la pièce où nous allions élever notre colonie : 24 C, 70% d humidité. Mais avant toute chose se posait la question du local, puisque nous devions être en mesure de laisser notre élevage plusieurs mois, dans une pièce pouvant aussi accueillir nos expériences ultérieures. otre choix s est porté sur une chambre inoccupée que les services du logement ont bien voulu nous prêter pour la durée de notre PSC. Pour ce qui est du maintien d une température correcte, un chauffage électrique en supplément du système de chauffage central suffisait. Les principales difficultés sont venues du degré d humidité nécessaire pour recréer des conditions «tropicales» dans une chambre de Palaiseau. Après diverses tentatives (mettant notamment en jeu l usage répété d une bouilloire pour produire de la vapeur) nous nous sommes procuré un humidificateur d air par vapeur chaude. La tribu des Attini, auquel appartient le genre Acromyrmex, est composée d espèces dites champignonnistes, en référence à leur manière de se nourrir. En anglais, ces espèces sont connues sous le nom de «leaf-cutter ants». n a longtemps cru que ces insectes se nourrissaient des feuilles des végétaux qu ils découpent à l aide de leurs mandibules. En réalité, ces espèces vivent en symbiose PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

14 14 avec un fongus, une espèce de champignon qui constitue la base de leur alimentation. Elles ne se nourrissent directement du champignon mais d excroissances produites périodiquement par le fongus, les gongylidia. Le champignon lui-même se nourrit des débris végétaux que les fourmis lui apportent pour le «cultiver». Figure 2 Photographie d'une partie du champignon de notre colonie Cela nous a imposé un certain nombre de contraintes en termes d approvisionnement, car nous devions pourvoir aux besoins en nourriture de la colonie, besoins qui reposent en temps normal sur d importantes quantités de végétaux. ous leur avons récolté des feuilles, non traitées, afin que les fourmis puissent les découper pour les transformer en substrat pour le champignon. Les fragments de plantes et de feuilles fraiches sont apportés dans le nid, puis soumis à un processus de dégradation avant d être incorporés dans ce qui sert de substrat au champignon. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

15 15 Figure 3 Fourmis de la tribu des Attini ramenant des feuilles à leur nid Pour différencier les zones où nous introduisions de la nourriture et le cylindre contenant la fourmilière, nous avons dû rajouter des bacs, reliés au «lieu de vie» des fourmis par des tubes en plastique. ous avons été amenés à faire évoluer notre installation, notamment en nous procurant des bacs avec des rebords plus élevés que ceux que nous avions installés initialement. Les fourmis parvenaient en effet à sortir des récipients malgré les parois recouvertes de fluon (téflon liquide qui polymérise en séchant, sur lequel les fourmis glissent). Figure 4 Photographie de notre «installation» PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

16 16 C. Importance des données entomologiques lors de la phase de tests n peut distinguer différentes castes d individus en fonction de leur taille et de quelques-uns de leurs critères morphologiques. n peut ainsi classifier les fourmis entre les individus sexués ailés (mis à part les reines, non ailés, qui pondent) et les individus asexués, que l on peut diviser en minims, minors, mediae et majors. Ces distinctions nous sont apparues encore plus clairement lors de nos expériences : les individus qui répondaient le mieux à notre phéromone de synthèse appartenaient aux Figure 5 Différentes tailles de fourmis dans la colonie classes intermédiaires, les deux autres classes semblant bien moins sensibles à notre molécule. otre travail sur les phéromones de piste a également nécessité une étude bibliographique préliminaire du fonctionnement de ces phéromones ainsi que du comportement des fourmis à leur égard. ous avons ainsi appris que les récepteurs de ces phéromones sont situés chez les fourmis au niveau des segments terminaux des antennes. Le suivi d une trace se matérialise en conséquence chez les individus par un «tapotement» alternatif de la piste avec chacune de leurs antennes, comme illustré sur le schéma ci-dessous, tiré de l ouvrage d'edward. WILS. A plus grande distance, le repérage d une trace se fait en captant les vapeurs volatiles de phéromones, qui conduisent ensuite rapidement les fourmis à la trace elle-même. Le dépôt des phéromones par les individus se fait en général par l intermédiaire d une glande située à l extrémité de l abdomen de la fourmi. Figure 6 Principe du suivi d une piste phéromonale par une fourmi PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

17 17 Malgré des moments parfois difficiles, durant lesquels la survie de la colonie a pu paraître particulièrement compromise, nous sommes néanmoins parvenus à faire perdurer notre élevage jusqu en mars, soit pendant près de cinq mois sur le plateau. La cause principale de nos problèmes fut la difficulté à procurer une nourriture acceptée par les fourmis pendant les mois d hiver, où nous étions dans l impossibilité de leur apporter des feuilles d arbres ou des fleurs. A noter qu il est dommage que nous n ayons pas rendu visite plus tôt au Palais de la Découverte, où travaillait un spécialiste de l élevage d Acromyrmex prêt à nous prodiguer ses conseils. Lui non plus ne travaillant pas dans un laboratoire aux conditions environnementales parfaitement maîtrisées, ses avis étaient complémentaires de ceux de M. FRESEAU. Il avait en effet dû faire face à un certain nombre de difficultés semblables aux nôtres. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

18 18 Synthese de la phéromone de trace A. Les pyrroles en tant que phéromones de trace de fourmis 1. Le composant majoritaire du bouquet phéromonal : la methyl 4-methyl-1pyrrole-2-carboxylate Indispensables au bon fonctionnement du groupe, les phéromones jouent un rôle fondamental dans nombre de comportements sociaux. La diversité de ces substances chimiques s explique par le large éventail de leurs applications. Elles peuvent ainsi être très volatiles (et donc être formées de composés légers), ou bien être transmises par contact. Comme décrit précédemment, dans le cas précis des fourmis, les phéromones sont généralement présentes sous la forme d un «bouquet phéromonal», comme dans le cas des phéromones de trace des Acromyrmex Myrmidae, espèce étudiée ici. Il se compose le plus souvent d un cocktail d hydrocarbures ou d'autres molécules organiques. Ainsi, le composant majoritaire de la phéromone de piste des Acromyrmex appartient à la classe des pyrroles, composés hétérocycliques aromatiques qui offrent un large spectre de réactivité grâce à la nature de leurs substituants de cycle. ous nous intéresserons donc ici à la methyl 4-methyl-1-pyrrole-2-carboxylate, que nous noterons P par la suite. Figure 7 methyl 4-methyl-1-pyrrole-2-carboxylate PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

19 19 C est dans le cadre d un MDEX (CI 441 A), encadré par M. Philippe ERMAGE que nous avons entrepris la synthèse de cette molécule ainsi que de deux de ses analogues, qui diffèrent par des changements des substituants de cycle : P1 P2 Ethyl 4-éthyl-3-méthyl-1-pyrrole-2-carboxylate Ethyl 4-méthyl-1-pyrrole-2-carboxylate Figure 8 Analogues de la phéromone P ous avons également synthétisé une seconde fois la phéromone, afin d en obtenir une plus grande quantité, par nos propres moyens quelques temps plus tard (au mois d avril afin de préparer des interventions à Villetaneuse et au Palais de la Découverte). 2. Synthèse et impact d une phéromone de trace des fourmis Atta, travaux de P. SET Dans les années 1970, Philip SET, chercheur en entomologie à Beltsville dans le Maryland, a développé un procédé de synthèse de pyrroles substitués, en particulier du composé P qui se trouve être le composé majoritaire du bouquet phéromonal d une autre espèce de fourmis : les Atta texana, offrant un rendement supérieur à 60% : 1. TFAA-,-DMA 1. C Pd/C Cl 2 CC 3. AlCl 3 P Figure 9 Schéma de synthèse d un pyrrole substitué En parallèle et en collaboration avec John MSER, P. SET mène des expériences de test sur une colonie d Atta, visant à déterminer l impact de la nature des substituants d analogue de P sur le comportement des fourmis. En jouant sur la concentration des composés en solution dans le chloroforme et sur le type de PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

20 20 substituants (position, type, chaîne carbonée ), ils ont pu dégager les principaux résultats suivants : Composé 40ng/µl 0.4ng/µl 0.004ng/µl C 2 Me R C 2 Me Me 2 C C 2 Me Me C C Tableau 1 Résultats des tests de P. SET (R=répulsif, + =résultats positif, - =absence de résultats) n comprend donc au vu de ces résultats l importance des substituants de cycle et la précision avec laquelle ils jouent sur l impact de la phéromone. Dans cette optique, mais par une autre voie de synthèse, nous tenterons de reproduire et d'approfondir ces expériences sur des Acromyrmex Myrmidae. B. Synthèse de la phéromone de trace selon le procédé de BART-ZARD 1. Schéma de synthèse de BART-ZARD Comme énoncé plus haut, nous avons entrepris la synthèse de la phéromone P selon un schéma de synthèse qui diffère de celui de P. SET : la réaction de PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

21 21 BART-ZARD. Le schéma de synthèse se compose de trois étapes majeures, comprenant majoritairement des additions-éliminations, des substitutions et des réarrangements sigmatropiques. KF 2 2 Ac 2 DMAP 2 Ac DBU C Figure 9 Schéma de la synthèse de BART-ZARD Publiée au début des années 1990 par D. BART (département de chimie de l université du Texas), J. KERVAGRET et S. ZARD (laboratoire de synthèse organique de l Ecole Polytechnique), cette nouvelle voie de synthèse offre la possibilité de produire des pyrroles substitués en quelques étapes simples et rapides. 2. Description des mécanismes des différentes étapes Il est intéressant de se pencher sur le détail de la synthèse de la phéromone et de ses analogues (les précisions du mode opératoire sont disponibles en annexe). Etape 1 : Du nitroéthane est ajouté goutte à goutte pendant plusieurs heures à du paraformaldéhyde et du fluorure de calcium dans de l isopropanol. Le fluorure de calcium est ici utilisé pour déprotoner le nitroéthane afin d en former un nucléophile puissant. n notera également que le choix d un solvant protique facilite la solubilisation du catalyseur. K F A 2 Figure 10 Mécanisme de l étape 1 de la synthèse PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

22 22 Le déroulement de la réaction est suivi par chromatographie sur couche mince. n prendra garde avant de passer à la suite de purifier le produit A par extraction, séchage et évaporation. Etape 2 : Dans une deuxième étape, on utilise le produit A comme nucléophile attaquant de l anhydride acétique activé par de la diméthylaminopyridine (DMAP). La DMAP est ici utilisée afin de créer un meilleur nucléofuge lors de l attaque de A. + A B 2 2 Figure 11 Mécanisme de l étape 2 de la synthèse La réaction terminée, on utilise du méthanol que l on ajoute pendant une heure dans le but de neutraliser l excès d anhydride acétique. Etape 3 : Au cours de la troisième et dernière étape, l ajout d une base permet d éliminer le groupement acétyl du composé A et de déprotoner l isonitrile qui pourra alors l attaquer. S ensuivent des attaques nucléophiles intramoléculaires et des réarrangements sigmatropiques qui mènent à la phéromone P. C DBU C - Addition de Michael 2 B' C - 2 P Transposition sigmatropique [1,3] DBU Figure 12 Mécanisme de l étape 3 de la synthèse 2-2 PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

23 23 Les mêmes étapes sont utilisées afin de produire les analogues de la phéromone précédemment cités, dans le but de tester sur une colonie de fourmis l impact des substituants. Les détails de la synthèse de ces composés sont décrits en annexe. Figure 13 Illustrations de la phase de synthèse PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

24 24 Evaluation de l impact de la phéromone A. Détermination du mode d utilisation de la phéromone 1. Une méthode à la fois réfléchie et empirique Suite à la synthèse chimique, nous avions à notre disposition 1 gramme de phéromone pure. Il s agissait ensuite de déterminer sous quelle forme l utiliser. D après Jim TUMLIS, professeur entomologiste à l Université d'etat de Pennsylvanie, ce gramme de phéromone permet chez une espèce proche de celle que l on étudie (Atta Texana) de réaliser une trace viable faisant trois fois le tour de la Terre. La quantité n était donc pas a priori un problème. Il nous a donc fallu déterminer le solvant et la concentration adéquats. Pour ce qui est des solvants, notre choix s est porté sur l eau pour sa biocompatibilité parfaite, l éthanol car il est plus volatil et permet donc de sécher la trace plus rapidement, l acétone encore plus volatil mais peut être moins naturel et finalement le dichlorométhane comme cité dans la publication de TUMLIS. En ce qui concerne les concentrations, nos recherches bibliographiques nous ont amenés à découvrir que chez une fourmi d une famille proche de celle de notre colonie (Acromyrmex Subterraneus Subterraneus), la glande sécrétant la phéromone de trace contient en moyenne 1,2 ng du composé que nous avions synthétisé. La longueur moyenne des pistes tracées par une autre espèce d Acromyrmex (Acromyrmex Laticeps igrosetosus) est estimée à 5 mètres par une équipe de chercheurs brésiliens. ous avons alors fait un essai avec de l eau dans notre bac d expérimentation en métal et avons déterminé qu il fallait approximativement 1 ml d eau déposé au coton-tige pour faire 5 mètres de piste. Partant de là, nous avons donc décidé de tester les concentrations suivantes : 1ng/mL, soit 1µg/L et des concentrations 10, 100 et 1000 fois plus importantes soit 10µg/L, 100µg/L et 1mg/L. ous avons décidé de tester des solutions a priori plus concentrées que ce qui aurait été nécessaire, car les fourmis utilisent en réalité un bouquet phéromonal composé de plusieurs molécules, et celle que nous avons synthétisée n'en est que le composant majoritaire. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

25 25 Pour tester nos phéromones, nous avons procédé de la manière suivante : nous avons prélevé une fourmi de la colonie, l avons placée dans le bac à expérience et l avons encerclée avec une trace de phéromone faite au coton-tige. L expérience a été répétée pour chaque concentration et chaque solvant. Malheureusement, certainement à cause du stress causé par leur capture, soit les fourmis étaient indifférentes à la trace, soit elles avaient une réaction de rejet et reculaient dès qu elles entraient en contact avec elle. Figure 14 Fourmi entourée d'une trace 2. A la recherche du savoir-faire Lors de la réalisation de ces expériences nous avons appris que le Palais de la Découverte avait organisé une exposition intitulée «Le termite et la fourmi, deux sociétés, deux mondes» du 14 février au 31 août ous avons alors décidé de contacter Mme Marie CAARD, du Palais de la Découverte, en charge de cette exposition. Elle a accepté de nous recevoir, ce qui nous a permis d apprendre que des expériences comparables à celles que nous envisagions avaient fait l objet de démonstrations avec des termites durant cette période. Mlle Elodie DUCASSE, qui s occupait de ces démonstrations, nous a fait le plaisir d en réaliser une pour nous. Ceci nous a énormément appris sur le plan de la méthodologie. D une part, Mlle DUCASSE commençait par prendre le temps de calmer le termite prélevé pour l expérience dans une cage de plexiglas. Ensuite, la trace à suivre était déposée sur du papier-filtre absorbant et l expérience commençait une fois que celle-ci était sèche. Cette méthode donne d excellents résultats visibles dans la vidéo de la première séance au Palais de la Découverte. Cependant cette expérience comporte quelques différences avec celle que nous envisagions. D une part, les termites ont une vitesse de déplacement plus faible que les fourmis, ce qui facilite la PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

26 26 tâche puisqu il y a moins de risques qu ils ne traversent rapidement la trace sans la sentir. D autre part, la phéromone de termite n était pas synthétisée mais extraite par infusion de termites dans un bain d hexane. 3. Mise en application du savoir-faire acquis Fort de ces enseignements, nous sommes retournés à nos fourmis et avons réalisé une "cage de mise en condition" pour calmer ces dernières avant les expériences. La cage est badigeonnée de fluon afin que les fourmis ne puissent pas grimper sur les parois, ce qui leur permet de rester près de la sortie et nous a fait gagner un temps considérable. Figure 15 Cage de mise en condition ous pensions d abord utiliser du papier-filtre comme substrat pour nos expériences, comme au Palais de la Découverte, mais celui que nous avions (destiné à la filtration en chimie) était pré-plié et donc peu pratique. De plus, il s est révélé trop absorbant, ce qui amenait à dessiner des traces trop larges. ous nous sommes donc tournés vers des plaques de silice utilisées pour la chromatographie. Une fois équipés de la sorte, nous avons essayé de déterminer quel solvant et quelle concentration en phéromone étaient les mieux adaptés. Pour cela, nous avons simplement tracé une ligne de phéromone face à la cage et observé si les fourmis la suivaient. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

27 27 Figure 16 Premier test de la phéromone ous avons obtenu les résultats suivants : Solvant Concentration Eau Ethanol Acétone Dichlorométhane 1 µg/l 10 µg/l Pas de réaction Pas de réaction Pas de réaction Pas de réaction Pas de réaction Pas de réaction Pas de réaction Pas de réaction 100 µg/l Suivi parfait Suivi hésitant Suivi hésitant Pas de réaction 1 mg/l Suivi hésitant Suivi faible Suivi hésitant Pas de réaction Tableau 2 Détermination du solvant et de la concentration adéquats Les résultats les plus prometteurs ayant été obtenus avec l eau, nous avons décidé de continuer nos expériences avec ce solvant, à 100µg/L. n remarque cependant que, quel que soit le solvant, la concentration à 100µg/L donne les résultats les plus probants. Cette valeur est un peu éloignée de ce que nous attendions d après les calculs préliminaires (1µg/L), mais il faut tenir compte du fait que notre molécule est seulement le composant majoritaire du cocktail phéromonal. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

28 28 Une fois la méthodologie dégagée ainsi que la certitude que la phéromone fonctionne acquise, nous avons réalisé les mêmes expériences avec les analogues que nous avions synthétisés. ous n avons obtenu aucun résultat probant avec ces analogues, ce qui montre la grande spécificité des récepteurs des fourmis. 4. Acquis de ces expériences préliminaires Ces expériences simples nous ont permis de prendre connaissance de trois particularités : Les fourmis ne sont sensibles à la phéromone qu à son contact et non à distance. Les minors sont les individus les plus sensibles aux phéromones. Enfin, nous avons réalisé avec succès cette expérience de suivi sur une même trace à plus de 24 heures d écart, ce qui démontre la grande persistance de la phéromone. Cependant, ce résultat est à modérer puisque les plaques de chromatographie sur lesquelles nous avons fait nos expériences sont conçues pour retenir les espèces chimiques. B. Expériences de suivi de trace à petite échelle 1. Tests de préférence La première étape était de confirmer, après la rapide approche qualitative réalisée, que les fourmis suivent bien les phéromones et non pas uniquement l eau. Pour cela nous avons dessiné un Y dont la base était située en face de la cage de mise en condition. La section verticale du Y était recouverte de phéromone ainsi que la branche droite, la branche gauche étant recouverte d eau. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

29 29 Figure 17 Test du Y Les fourmis ont systématiquement suivie la branche de droite, comme le montre la vidéo du Y réalisée à Palaiseau. Ceci confirme donc l efficacité de notre phéromone. 2. Tests de suivi de courbes Une fois acquis le fait que les fourmis suivaient bien les pistes rectilignes que nous avions tracées, nous nous sommes attelés à leur faire suivre des trajectoires plus courbes, puisque nous leur avons fait suivre le tracé des lettres PSC, comme visible sur la vidéo PSC à Palaiseau. Ceci nous a permis d établir que les fourmis suivaient efficacement ces traces du moment que la courbure ne variait pas trop brutalement (nous avons dû arrondir l arrête au sommet du P pour que l expérience fonctionne sans que les fourmis ne quittent la piste). PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

30 30 3. Modalités de fonctionnement de la phéromone Afin de déterminer plus précisément comment agissent les phéromones, nous avons réalisé dans une boite fluonnée un quadrillage dont une case sur deux était enduite de phéromone, à la manière d un échiquier. Figure 18 Expérience du quadrillage ous pensions observer qu en moyenne les fourmis passent plus de temps sur les cases enduites de phéromones que sur les cases vierges. Cependant, ce n était pas réellement le cas de figure observé. Le seul effet observable est que les fourmis suivent les lignes de démarcation entre les cases enduites et les cases vierges. Ceci montre que la phéromone n aide au recrutement que si elle est disposée de sorte que la fourmi puisse percevoir une différence de concentration entre ses deux antennes (vidéo de l expérience du quadrillage à Palaiseau). C. Expériences sur d autres fourmis 1. Préparation de l expérience La molécule que nous avons synthétisée est décrite dans la littérature comme entrant également dans la composition du cocktail phéromonal d autres genres de fourmis dont Atta. ous sommes donc allés au LEEC, munis de notre molécule nouvellement Figure 19 Colonie d'atta du LEEC PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

31 31 synthétisée, vérifier ce fait sur l impressionnante colonie d Atta élevée dans ce laboratoire. La première étape a consistée en l évaluation du vieillissement de la phéromone, en comparant l efficacité de la molécule nouvellement synthétisée à l ancienne. Pour cela, nous avons utilisé les individus du genre Acromyrmex du LEEC et avons réalisé des tests semblables à ceux déjà effectués avec notre propre colonie en leur faisant suivre une trace en forme de cœur déposée sur une plaque de silice (vidéo du cœur réalisée à Villetaneuse). otre molécule semblait ne pas s être dégradée. Cela nous a également confirmé ce que nous avions déjà entrevu lors de l expérience avec la boucle du P de PSC : la fourmi ne semble pas avoir «la mémoire» des endroits par lesquels elle passe, puisqu elle continue à suivre la trace après le point par lequel elle a été introduite une première fois : elle tourne en rond. 2. Tests sur une colonie d Atta Pour nos tests sur les Atta, nous avons commencé par utiliser le même type de protocole que celui qui avait fonctionné sur notre colonie d Acromyrmex et sur celle du LEEC, soit le dépôt d une mince trace de phéromone sur une plaque de silice et l utilisation de minors. Cependant les Atta ignoraient totalement la piste. ous avons alors totalement changé notre approche dans l espoir d avoir des résultats plus concluants. ous avons testé des individus de toutes tailles et créé de larges traces déposées au pinceau sur du papier-filtre. ous avons obtenu les résultats suivants : Taille de la fourmi Largeur de la trace minims minors mediae majors Fine Pas réaction de Pas réaction de Pas réaction de Pas de réaction Large Pas réaction de Pas réaction de Faible suivi Suivi Tableau 3 Réactivité des Atta PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

32 32 Ceci nous a d abord donné l occasion de réécrire les lettres PSC avec des majors sur de larges traces (vidéo du PSC réalisée à Villetaneuse). n remarque ensuite, comme dans les expériences des quadrillages, que ce n'est le centre de la piste mais bien les frontières pistes/environnement qui sont suivies par la fourmi. Rétrospectivement, nous pouvons donc comprendre notre premier échec. Il semble que les Atta aient un degré de sensibilité aux phéromones moindre que les Acromyrmex (soit par plus faible efficacité de leurs organes sensoriels, soit parce que notre molécule occupe une proportion moindre dans leur cocktail phéromonal). C est pour cela que seule la trace épaisse a permis d atteindre la quantité de phéromone suffisante pour qu il y ait un suivi. Le fait que les traces soient mieux suivies par les majors peut s expliquer par l existence d un gradient de concentration entre le centre de la piste et ses bords. La distance entre les antennes des majors étant plus grande que celle entre les antennes des minors, les majors peuvent distinguer d un côté une forte concentration de phéromones, près du centre de la piste, et de l autre, une concentration moins importante, sur les bords de la piste. Les minors ne détectent quant à elles que de faibles différences de concentrations. Cet effet déjà entrevue dans le test de l échiquier est décrit dans la figure ci-dessous. Figure 20 D. Séance au Palais de la Découverte En possession d une phéromone de trace nouvellement synthétisée et fonctionnelle nous sommes retournés au Palais de la Découverte dans l optique d offrir notre molécule à Mlle E. DUCASSE qui nous avait aiguillés dans nos recherches. Cette entrevue a fourni l opportunité de refaire un test du Y (Vidéo du Y au Palais de la Découverte : cette fois, c est la branche de gauche qui était recouverte de phéromone) dans des conditions plus professionnelles. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

33 33 Cela a également été l occasion d inviter quelques enfants à assister et à participer aux expériences (vidéo de démonstration au Palais de la Découverte). Le succès de cette petite séance a conduit le Palais de la Découverte à travailler sur la réalisation d une démonstration publique de grande ampleur dans les mois à venir et à intégrer cette expérience parmi les représentations quotidiennes. Modélisation informatique du comportement des fourmis A. Description de la modélisation Grâce à nos recherches bibliographiques et à nos observations, nous avons pu définir le comportement général des fourmis fourragères : une fourmi ouvrière à la recherche de nourriture se déplace aléatoirement, et quand elle trouve une source de nourriture, elle retourne à la fourmilière en déposant derrière-elle des phéromones de piste. Les autres fourmis sont alors attirées par les phéromones déposées, et suivent plus ou moins précisément la piste jusqu'à la nourriture, et reviennent au nid, dont la position est supposée connue, en déposant à leur tour des phéromones derrière-elle. La piste est ainsi renforcée, ce qui contribue au recrutement d'autres fourmis. Cette méthode de communication par modification de l'environnement est appelée stigmergie, et permet de faire émerger une intelligence collective à partir d'un ensemble d'individus indépendants. En effet, chaque individu a des réactions simples face à un stimulus présent dans l'environnement et en conséquence, il modifie son comportement et son environnement, ce qui va à nouveau modifier le comportement des autres fourmis. Cette chaîne d'actions-réactions élémentaires, qui se produit grâce à la communication indirecte, engendre un comportement global difficile à prévoir. Les éthologues utilisent donc souvent des simulations informatiques, afin de vérifier si les hypothèses faites sur le comportement individuel des fourmis permettent de reproduire le comportement collectif observé dans la nature. ous avons donc développé une modélisation informatique d'une colonie de fourmis, à la recherche de nourriture, afin d'établir un modèle comportemental et PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

34 34 d'essayer de reproduire, par la simulation, les comportements observés sur notre colonie et lors de nos expériences avec notre phéromone de synthèse. La modélisation se présente sous la forme d'un terrain de taille fixée, comprenant un nid, des fourmis (transportant ou non de la nourriture), une ou plusieurs sources de nourritures et des phéromones de traces (qui s'évaporent au cours du temps). La simulation se fait en temps discret. A chaque étape, chaque fourmi réalise une action en fonction de son environnement proche, soit, par ordre de priorité : Ramener au nid la nourriture qu'elle transporte (si c'est le cas), en déposant des phéromones de trace derrière elle; Ramasser de la nourriture s'il y en a à proximité; Suivre une trace de phéromones s'il y en a à proximité, afin de rejoindre une source de nourriture ; Sinon, se déplacer aléatoirement à la recherche de nourriture. Cependant, afin d'obtenir un comportement plus réaliste des fourmis, les déplacements aléatoires sont restreints aux mouvements dans le prolongement du déplacement précédent, c'est-à-dire que l'angle entre 2 déplacements consécutifs est limité par une valeur que l'on peut définir. Afin de permettre l'interaction entre l'utilisateur et la simulation, nous avons autant que possible permis la modification en direct de l'environnement et des paramètres de la simulation. Cela permet de visualiser facilement l'effet des paramètres sur le comportement des fourmis, et permet de déterminer ceux qui correspondent le mieux au comportement réel. n peut ainsi, par exemple, déposer arbitrairement des phéromones, de la nourriture, des obstacles, et modifier des paramètres tels que la vitesse de déplacement des fourmis, leur distance de sensibilité aux phéromones ou encore la vitesse d'évaporation de celles-ci. Le détail des fonctionnalités de la simulation est présenté dans l'annexe B. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

35 35 B. Résultats de la simulation La simulation informatique présente le terrain des fourmis sous la forme suivante : Figure 21 Aperçu de la simulation Ce programme étant capable d'extraire, à des fins d'analyse, des données de la simulation, nous avons tout d'abord voulu observer l'avantage de l'utilisation des phéromones pour l'activité de fourragement (ramassage de nourriture). ous avons donc réalisé deux simulations avec les mêmes paramètres, et avons activé ou non le dépôt de phéromones par les fourmis porteuses de nourriture qui rentraient au nid. Les résultats sont visibles sur le graphique suivant, qui montre la quantité de nourriture ramenée au nid en fonction du temps. Figure 22 Comparaison entre la vitesse de ramassage de nourriture avec ou sans phéromones PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

36 36 n constate donc que le dépôt de phéromones permet de ramasser la nourriture présente presque 10 fois plus rapidement. En effet, la trace de phéromones permet le recrutement des fourmis voisines, et donc une exploitation beaucoup plus rapide de la source de nourriture, car chaque fourmi n'a pas besoin de la redécouvrir lors de sont cheminement aléatoire. n peut donc dire qu'une intelligence collective émerge du groupe, grâce à la collaboration entre les individus, possible par la communication chimique indirecte. Une vidéo du ramassage de nourriture avec dépôt de phéromones est disponible sur le DVD, et on y voit clairement le recrutement des fourmis qui passent à proximité de la trace de phéromones, et qui se consacrent alors au ramassage de nourriture. De nombreux perfectionnements ont été nécessaires pour rendre crédible la simulation. Ainsi, comme décrit précédemment, les fourmis en recherche de nourriture se déplacent aléatoirement. Cependant, une fourmi réelle ne se déplace pas complètement aléatoirement (ce qui conduit à faire demi-tour assez fréquemment), car on peut considérer que son choix de direction à un instant donné se réduit à tourner un peu à gauche ou un peu à droite par rapport à sa direction précédente. C'est pourquoi a été introduit un angle maximal entre deux déplacements consécutifs lors d'un mouvement considéré comme aléatoire (cas de la recherche de nourriture sans stimulus proche). La figure suivante montre la trajectoire de deux fourmis en recherche de nourriture, l'une sans contrainte de déplacement, l'autre limitée par un angle de 45 maximum entre deux déplacements. n constate que l'angle limite permet d'obtenir une trajectoire plus crédible, car la fourmi ne se contente plus de tourner en rond. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

37 37 Figure 23- Comparaison entre trajectoires contrainte et non contrainte ous avons également cherché à reproduire, grâce à la simulation, certaines expériences menées sur nos fourmis, comme par exemple le suivi des lettres PSC, dont la vidéo se trouve sur le DVD. La simulation reproduit plutôt bien les comportements observés, comme par exemple le fait qu'une fourmi quitte la trace en plein milieu, le fait qu'elle n'arrive pas à suivre des traces trop anguleuses ou encore l'hésitation de la fourmi arrivée au bout d'une trace. Enfin, même si nous n'avons pas eu l'occasion de faire des expériences sur ce sujet, nous avons essayé de modéliser le comportement des fourmis en présence d'obstacles sur leur trajectoire de retour au nid. ous avons pensé que, face à un obstacle, une fourmi part dans une direction libre, puis essaye un peu plus loin de retourner en direction de la fourmilière, dont on connaît la position. Cela n'est pas tout à fait réaliste dans la mesure où la fourmi peut très certainement être guidée par des signes visuels ou par d'autres types de phéromones, mais en l'absence d'observations réelles, il était difficile de mettre au point un modèle très réaliste. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

38 38 Figure 24 Contournement d'un obstacle par les fourmis C. Bilan Cette simulation nous a permis de mieux comprendre les caractéristiques du déplacement des fourmis et de valider le modèle comportemental que nous avons déduit de nos observations. En effet, les observations et les simulations permettent d'observer des comportements similaires, ce qui montre que le comportement individuel des fourmis peut être décrit par les règles simples énoncées précédemment. D'autre part, cette simulation montre bien que les fourmis forment un système auto-organisé, car aucune règle de comportement global des fourmis n'est nécessaire pour reproduire le comportement naturel. L'action individuelle de chaque fourmi, influencée par son environnement et modifiant celui-ci à son tour, induit un couplage entre les individus et l'environnement, et c'est ce couplage qui PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

39 39 permet l'émergence d'un comportement collectif intelligent, comme par exemple ramasser rapidement de la nourriture, ou trouver le plus court chemin à travers des obstacles. Cette modélisation a cependant des limites, notamment la taille du terrain, le difficile réglage des paramètres et certainement une modélisation imparfaite du comportement d'une fourmi. De plus, comme on peut le voir sur la vidéo où l'on montre l'insertion de végétaux, la plupart des fourmis reste au nid lorsqu'aucune nourriture n'est accessible. Seules quelques fourmis exploratrices restent dehors à la recherche de nourriture, et vont recruter les autres fourmis lorsqu'il devient possible d'en récupérer. D'autre part, de nombreux autres facteurs interviennent dans le comportement des fourmis : phéromones d'alerte, bruit ou mouvement extérieur, luminosité, température, besoin ou non de nourriture, qualité de la nourriture La modélisation ne peut donc pas prendre en compte tous ces paramètres, mais cela illustre également les difficultés que nous avons rencontrées lors de nos expériences, durant lesquelles nous devions essayer d'évaluer l'influence d'un seul facteur, les phéromones de trace. Les algorithmes reproduisant le comportement d'une colonie de fourmis sont très étudiés et utilisés pour résoudre un grand nombre de problèmes d'optimisation combinatoire, comme par exemple pour rechercher des chemins optimaux sur des graphes, résoudre le problème du voyageur de commerce ou étudier le repliement de protéines. Ces algorithmes reproduisent la capacité des fourmis à trouver le plus court chemin entre deux points : en effet, si deux chemins existent, le chemin le plus court sera, dans le même temps, parcouru par un plus grand nombre de fourmis que le chemin plus long. La piste de phéromones est donc de plus en plus renforcée, et donc de plus en plus attractive, alors que la piste la plus longue disparaît grâce à l'évaporation des phéromones. Les fourmis ont donc finalement trouvé et conservé uniquement le chemin le plus court. C'est ce phénomène qui est reproduit dans les algorithmes de colonies de fourmis et qui permet de résoudre de nombreux problèmes complexes, grâce à la faculté du système multi-agents à faire émerger une intelligence collective. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

40 40 Conclusion Dressons pour conclure un bilan du travail réalisé au cours de ces sept derniers mois. ous nous étions initialement fixés une problématique et des objectifs précis, à savoir comprendre comment influe une phéromone de trace sur les comportements individuels et collectifs des spécimens d une colonie de fourmis. Pour cela nous devions successivement élever une colonie de fourmis, synthétiser la molécule phéromonale, la tester et enfin rassembler les résultats pour construire une simulation informatique. Si ces objectifs ont été atteints dans leur globalité, nous aurions pu davantage concentrer nos efforts sur la colonie qui n a malheureusement survécu à Palaiseau que jusqu au mois de mars. A cela s ajoute le fait que nous aurions pu accélérer la synthèse en la réalisant dès le mois de décembre hors du cadre du Modex. Par ailleurs, les protocoles expérimentaux de tests sur les fourmis ont nécessité énormément de temps avant d être optimisés, ce qui a engendré quelques retards. éanmoins, des résultats scientifiquement exploitables ont pu être dégagés et le comportement des fourmis modélisé. Le composé majoritaire du bouquet phéromonal, synthétisé par nos soins, s avère être déterminant dans les déplacements et le fourragement de colonies de fourmis de la tribu des Attini. Par conséquent, l utilisation de phéromones de trace peut conduire à de nombreuses applications pratiques : à supposer que l on parvienne à isoler et synthétiser les phéromones de trace d un type d insectes nuisibles à l activité humaine, on pourrait disséminer ces composés sur les cultures atteintes, en quantité adaptée (d une part pour provoquer une réaction chez ces insectes et d autre part pour ne pas nuire à l environnement), afin d orienter les insectes vers l'extérieur du champ. Arrivés au terme de ce voyage sur la trace des fourmis, nous retiendrons donc que conduire un projet demande de concilier la prise d initiatives individuelles avec le travail d équipe, mais aussi d apprendre à gérer les imprévus et à s entourer des personnes compétentes, faisant autorité dans les domaines explorés : un véritable travail de fourmis! PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

41 41 PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

42 42 Bibliographie i. Synthesis of the trail marker of the Texas leaf-cutting ant, Atta texana, Philip E. Sonnet, J. Med. Chem., 1972, 15 (1), pp ii. Synthetic analogs of the trail pheromone of the leaf-cutting ant, Atta texana, Philip E Sonnet ; John C. Moser, Agricultural and Food Chemistry, Vol. 20(6): 1-4 iii. A Useful Synthesis f Pyrroles From itroolefins, Barton D.. R. ; Kervagoret J. ; Zard S. Z., Tetrahedron, 1990, vol. 46, no21, pp iv. Identification of the trail pheromone of a leaf-cutting ant, Atta texana, Tumlinson, J.., R.M. Silverstein, J. C. Moser, R.G. Brownlee, and J. M. Ruth, ature, 1971, 234: v. Trail pheromone of leaf-cutting ant, Acromyrmex subterraneus subterraneus, Ruth R. Do ascimento, E.D. Morgan, D.D.. Moreira, Terezinha M.C. Della Lucia, Journal of Chemical Ecology, Vol. 20, o. 7, 1994 vi. Foraging activity of Acromyrmex laticeps nigrosetosus Forel (ymenoptera, Formicidae) in Eucalyptus stands, Márcio da Silva Araújo, Terezinha M.C. Della Lucia, Carlos A.L., Danival J.de Souza and Ethel F.P., Maringá, v. 24, n. 5, p , 2002 vii. Implementation of Ant Colony Algorithm Based-n Multi-agent System, Jian-min e, Rui Min, and Yuan-yuan Wang, Lecture otes in Computer Science 3619, pp , viii. Comportements Individuels Adaptatifs dans un Environnement Dynamique pour l'exploitation Collective de Ressources, Xavier Topin, Christine Régis, Marie-Pierre Gleizes, Pierre Glize, Intelligence Artificielle Située, Cerveau, corps et environnement, Drogoul A. & Meyer J-A., Editions ermès, 1999 ix. Theories and experiments on emergent behaviour : From natural to artificial systems and back, TPI Xavier, FURCASSIE Vincent, GLEIZES Marie-Pierre, TERAULAZ Guy, REGIS Christine, GLIZE Pierre, Proceedings on European Conference on Cognitive Science, Siena, 1999 x. The Insect Societies, Edward. WILS, arvard University Press, 1971 xi. The Ants, Edward. WILS, Belknap Press, 1990 PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

43 43 Annexes A. Synthèse chimique ETAPE 1 (Phéromone P) Composé 2 K F 2 A Quantité 1eq = mol 2eq Solvant 0.05eq 7.16mmol Masse/Volume 300 mg 1.4 ml 3 ml 29 mg 0.76g Rendement 72.1% Mode opératoire : ajouter à 1eq de paraformaldéhyde dans 3mL d isopropanol 0.05eq de fluorure de potassium. Ajouter ensuite au goutte à goutte à 35 C 2eq de nitroéthane. Agiter pendant 4h. Evaporer le milieu, ajouter de l eau et extraire la phase organique trois fois à l éther. Sécher sur MgS4 puis évaporer. n obtient A. ETAPE 2 (Phéromone P) Composé 2 A DMAP B Quantité 1eq = 7.16mmol 2.2eq 0.05eq 5.9mmol Masse/Volume Récupéré étape mL 43.7mg 871mg Rendement 82% 2 Mode opératoire : ajouter à 1eq de A 2.2eq d anhydride acétique et 0.05eq de DMAP, ainsi que 7mL de diclorométhane. Ajouter ensuite quelques ml de Me pendant 1h afin de neutraliser l anhydride excédentaire. Ajouter une solution de a2c3 (5g dissous dans 30mL). Extraire la phase organique au diclorométhane, sécher, filtrer sur colonne de silice (éluant : C2Cl2) puis évaporer. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

44 44 ETAPE 3 (Phéromone P) Composé B 2 Isocyanate Quantité 1.5eq 1eq = 1mmol 2eq 0.36mmol Masse/Volume 220.5mg 0.09mL 0.3mL 51mg Rendement 36% I C DBU P Mode opératoire : ajouter à 1eq d isocyanate et 2eq de DBU dans 1mL de solvant (TF 1 : 1 tbutanol) 1.5eq de B dans 3mL de solvant pendant 3h au goutte à goutte. Effectuer une CCM de contrôle (C2Cl2 et AcEt 1 : 1 cyclohexane). Effectuer une purification sur colonne de silice au diclorométhane. Evaporer. Purifier le brut obtenu sur plaque de silice (solubilisation dans AcEt) puis évaporer. n obtient P. Remarque : le rendement est obtenu après purification sur plaque de silice, ce qui peut expliquer sa faible valeur. n note également que la quantité ne nécessite pas d être élevée pour les expériences prévues ensuite. Spectre RM P : B, 3, s A, 3, s A B PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

45 45 n effectue également la synthèse d analogues de la phéromone P par les mêmes modes opératoires : ETAPE 3 (Analogue 1 P1) Composé B1 2 Isocyanate Quantité 1.5eq 1eq = 1mmol 2eq 0.48mmol Masse/Volum e I1 C DBU mg 113mg 0.3mL 87mg Rendement 48% P1 Spectre RM P1 : PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

46 46 ETAPE 3 (Analogue 2 P2) Composé B 2 Isocyanate Quantité 1.5eq 1eq = 1mmol 2eq 0.54mmol Masse/Volume 220.5mg 113mg 0.3mL 82mg Rendement 54% I1 C DBU P2 Spectre RM P2 : PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

47 47 B. Utilisation de la simulation Le programme de simulation (disponible sur le DVD joint) se présente sous la forme suivante: Figure 25 Copie d'écran de la simulation informatique La barre du haut sert à interagir avec l'environnement, la partie gauche représente la simulation et la partie droite permet de modifier les paramètres du modèle. Les interactions possibles avec l'environnement sont : Arrêter et relancer l'exécution de la simulation (bouton du haut); Supprimer toutes les phéromones, ou toute la nourriture, ou tous les obstacles présents sur le terrain (deuxième ligne de boutons); Activer ou désactiver (cases à cocher) le dépôt de phéromones et l'évaporation de celles-ci; PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

48 48 Enfin, il est possible d'agir directement sur le terrain grâce à la souris : o Avec le bouton gauche enfoncé, pour déposer de la nourriture, o Avec le bouton du milieu (molette), pour tracer des lignes d'obstacles, o Avec le bouton droit enfoncé, pour déposer une trace de phéromones. Le terrain présente différentes informations : Le cercle rouge correspond à l'emplacement de la fourmilière; Les carrés noirs représentent les positions des fourmis; Les parcelles où de la nourriture est présente sont colorées en vert; Les parcelles où sont présentes des phéromones sont colorées en bleu clair (ou bleu foncé en cas de concentration importante de phéromones); Les obstacles sont matérialisés par des lignes noires. Enfin, les différents champs sur la droite permettent de modifier en direct les paramètres du modèle, après avoir cliqué sur "Valider" : L'abscisse et l'ordonnée de la fourmilière (le point (0;0) est situé en haut à gauche et le point (420;420) en bas à droite; les dimensions ont été choisies afin d'obtenir une image de la même résolution qu'un DVD); Le nombre de fourmis (en cas d'ajout de nouvelles fourmis, celles-ci seront disposées à l'emplacement de la fourmilière); La distance de mouvement (en pixels), qui correspond au déplacement maximal d'une fourmi à chaque tour de la simulation suivant les 2 coordonnées; La distance de sensibilité aux phéromones, c'est-à-dire la distance maximale jusqu'à laquelle une fourmi percevra les phéromones et cherchera à suivre la piste; La distance de sensibilité à la nourriture, c'est-à-dire la distance maximale jusqu'à laquelle une fourmi se dirigera vers cette source de nourriture; Le temps maximal qu'une fourmi peut passer sans retourner à son nid (si ce temps est dépassé, la fourmi rentre directement à son nid); La quantité minimale de phéromones perceptible par une fourmi (sachant que lors de son retour au nid en possession de nourriture, une fourmi dépose une unité de phéromones par parcelle traversée); Le coefficient d'évaporation, qui est le coefficient multiplicateur appliqué à la quantité de phéromones sur chaque parcelle, à chaque tour de simulation; La probabilité qu'une fourmi à proximité d'une trace de phéromones suive cette piste (ceci est évalué à chaque tour de la simulation et non pour l'ensemble de la piste); La probabilité qu'une fourmi cherchant à ramener de la nourriture vers la fourmilière le fasse en ligne droite (ici aussi l'évaluation se fait à chaque tour de simulation); PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

49 49 L'angle maximal (en degrés) entre 2 mouvements consécutifs (qui permet aux fourmis d'avoir une trajectoire plus réaliste, en ne changeant pas de directions trop brutalement à chaque tour de simulation) (mettre 180 pour effacer cette contrainte); Le temps d'attente entre deux tours de simulation, en millisecondes (cela permet de ralentir la simulation en mettant une valeur différente de zéro). Pour ces paramètres, il faut entrer des nombres entiers sans aucun autre caractère, à part pour le taux d'évaporation et les deux probabilités, qui doivent être compris entre 0 et 1 et où le séparateur décimal est le point. Les paramètres présents à l'origine correspondent aux paramètres permettant de reproduire les phénomènes observés sur les fourmis. C. Code source de la simulation Le programme de simulation est codé en Java, comprend environ 900 lignes de code, et est composé principalement de 4 classes : Parcelle, Terrain, Fourmi et Modele. Tout ce qui concerne l'affichage ne sera pas détaillé ici. Le code source ainsi que le programme exécutable sont disponibles sur le DVD. Chaque parcelle représente un pixel du terrain, et contient deux informations : les quantités de nourriture et de phéromones qu'elle contient. Le terrain est composé d'une matrice de parcelle, d'une liste d'obstacles, et comprend les fonctions principales suivantes : evaporation_pheromones(), appelée à chaque tour de simulation, et qui multiplie les quantités de phéromones par le coefficient d'évaporation; deposer_pheromones(x_1, y_1, x_2, y_2), qui ajoute des phéromones sur toutes les parcelles entre les points (x_1, y_1) et (x_2, y_2). Cette fonction est appelée lorsqu'une fourmi rentre au nid en portant de la nourriture. suppr_pheromones(), suppr_nourriture(), suppr_obstacles(), qui correspondent aux suppressions des éléments de l'environnement, en réponse aux boutons présents en haut de l'interface; boolean presence_obstacles(x_1, y_1, x_2, y_2), qui détecte si un obstacle est présent sur le trajet entre les points (x_1, y_1) et (x_2, y_2). PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF

50 50 Une fourmi est caractérisée par plusieurs données : sa position, sa charge (transporte ou non de la nourriture) et son déplacement précédent (afin de pouvoir calculer l'angle entre 2 mouvements consécutifs). La classe Fourmi est dotée de plusieurs fonctions : boolean mouvement_acceptable(x, y), appelée avant chaque mouvement, pour vérifier que celui-ci est bien conforme à l'angle limite entre 2 déplacements; mouvement_aleatoire(), qui déplace aléatoirement la fourmi, et qui est utilisée en cas d'absence de phéromones ou de nourriture à proximité; mouvement(x, y), qui permet de déplacer la fourmi suivant le vecteur (x,y), en respectant la distance maximale de mouvement et les limites du terrain, et qui demande le dépôt de phéromones sur la fourmi qui transporte de la nourriture. Enfin, la classe Modele contient tous les paramètres de la simulation (qui sont réglables depuis l'interface du programme), le terrain et l'ensemble des objets de la classe Fourmi. Elle permet l'ajout ou la suppression de fourmis et gère l'ensemble de l'algorithme de mouvement des fourmis. La fonction principale, mouvement_fourmis(), reprend les règles du comportement décrites précédemment et les applique à chacune des fourmis : si la fourmi porte de la nourriture, alors elle se dirige vers le nid; si la fourmi se trouve sur une parcelle contenant de la nourriture, elle la ramasse, et la quantité de nourriture sur cette parcelle diminue d'une unité; sinon, la fourmi recherche de la nourriture autour d'elle et se dirige vers l'endroit où il y en a le plus; s'il n'y a pas de nourriture à proximité, la fourmi recherche des phéromones, et se dirige vers la parcelle qui en contient le plus, parmi les parcelles accessibles dans la limite fixée par l'angle maximal entre deux mouvements consécutifs; enfin, s'il n'y a pas non plus de phéromones à proximité, la fourmi bouge aléatoirement, toujours dans la limite de l'angle maximal. Une fonction spécifique est définie pour le retour au nid, qui fait rentrer la fourmi en ligne droite vers le nid, et permet de contourner les obstacles qui se présenteraient. Enfin, il est possible d'exporter sous forme de tableau certaines données de la simulation, comme la quantité de nourriture ramenée à la fourmilière au cours du temps, ou encore les positions de chaque fourmi à chaque pas de la simulation. PRJET SCIETIFIQUE CLLECTIF