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Évolution : 200 000 ans dans la vie d’une forêt virtuelle
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Évolution : 200 000 ans dans la vie d’une forêt virtuelle

Sur une île virtuelle, Christophe Eloy, de Centrale Marseille, et ses collègues ont semé des graines d’arbres, elles aussi virtuelles, pour les voir pousser, produire de nouvelles graines, observer l’apparition de mutations génétiques et le résultat de la sélection naturelle. Les chercheurs ont ainsi mis en évidence deux facteurs qui influent particulièrement sur l’évolution des arbres et notamment sur leur structure : la résistance au vent et la compétition pour la lumière du soleil.

La géométrie des arbres suit certaines relations mathématiques simples, nommées lois d’échelles allométriques. Par exemple, Léonard de Vinci avait observé que la somme des sections des branches connectées au tronc était égale à la section de ce tronc. De façon plus générale, la structure en branches  est dite auto-similaire car elle se reproduit à toutes les échelles depuis le tronc et les branches principales jusqu’aux plus petites branches, sur le même principe que les fractales. Les lois allométriques relient encore d’autres grandeurs : la masse moyenne d’un arbre au nombre d’arbres par hectare – c’est la loi d’auto-éclaircie –, ou la hauteur de l’arbre à son diamètre. Les explications classiquement avancées pour justifier ces observations sont d’origine mécanique et hydraulique : les arbres sont contraints à cette géométrie afin de ne pas s’effondrer sous leur propre poids et pour pouvoir faire monter la sève des racines jusqu’aux feuilles.  

Les modèles développés à partir de ces principes négligent cependant deux facteurs de première importance : le rôle du vent qui exerce une importante contrainte mécanique sur les branches, élaguant les branches trop faibles et abattant les arbres mal équilibrés, et la compétition pour l’accès à la lumière. Le rayonnement solaire est indispensable à la photosynthèse, qui produit les ressources de l’arbre. Ainsi des arbres plus hauts et plus étendus capteront mieux la lumière et feront de l’ombre à d’autres espèces plus petites. À ces deux actions ont été rajoutés deux ingrédients issus des dernières recherches en biologie végétale : la capacité des arbres à percevoir les déformations liées au vent (on parle de thigmomorphogenèse) et la lumière qui arrive sur leurs bourgeons, et d’y réagir en modulant leur croissance !

Pour en savoir plus sur l'interaction de tous ces facteurs, Christophe Eloy et ses collègues ont développé un modèle numérique nommé MechaTree. Les arbres sont définis par un vaste éventail de caractéristiques : la longueur et le diamètre des branches, l’importance et la transparence du feuillage, la vitesse de croissance, etc. En principe, un arbre transmet ses caractéristiques à sa descendance, mais les chercheurs ont conçu leur modèle de sorte que ces paramètres puissent éventuellement varier d’une génération à une autre de façon aléatoire. Ils simulent ainsi l’apparition de mutations aléatoires.

Le modèle est divisé en cycles comprenant chacun plusieurs étapes. Pour commencer, le programme calcule la quantité de lumière reçue par le feuillage de chaque arbre et la résistance mécanique de chaque branche. Il procède alors à une étape de pousse du diamètre des branches en fonction l’énergie produite par photosynthèse et des stimulations exercées parle vent. Un vent de force et de direction arbitraire souffle alors sur la forêt et casse les branches qui ne sont pas assez résistantes : c’est la phase d’élagage. Une sélection s’opère alors : les arbres qui ont atteint l’âge respectable de 1 000 ans ou ceux de plus de 6 ans qui ont moins de dix branches meurent. Pour les arbres survivants commence alors la pousse de nouvelles branches et la production de graines. La croissance d’un arbre est contrôlée par un réseau de neurones qui détermine où une nouvelle branche pousse, selon quelle direction (en fonction de la lumière perçue), etc. Les graines sont semées et de nouveaux arbres poussent. Un nouveau cycle peut alors commencer.

Les chercheurs ont initié leur simulation avec plusieurs milliers d’arbres dotés de « génomes » aléatoires plantés sur une île, afin d’avoir un environnement isolé. Ils ont fait courir leur simulation pendant l’équivalent de dizaines de milliers d’années (jusqu’à 200 000 ans, soit des milliers d’heures de calcul). Ils ont ainsi vu sous leurs yeux les générations d’arbres se succéder et la sélection naturelle opérer. Les arbres dont les caractéristiques n’étaient pas compétitives ont fini par disparaître et ceux qui avaient un génome avantageux se sont imposés.

Quels ont été les résultats de cette simulation ? L’arbre qui domine l’île à la fin de la simulation présente des caractéristiques proches de celles des pins à pignon. Et les chercheurs ont retrouvé toutes les lois d’échelle connues : la loi de Léonard de Vinci, la dimension fractale des branches, la loi d’auto-éclaircie et le lien entre taille et diamètre de l’arbre. Ils ont pu identifier le rôle de chaque facteur dans ce résultat. La compétition pour l’accès à la lumière et la transparence du feuillage conduisent à la dimension fractale de l’arbre tandis que la réponse au vent, la thigmomorphogenèse, contrôle le diamètre des branches. Cela n’écarte pas le rôle du transport de sève dans la structure des arbres, un rôle dont l’importance pourrait varier selon les conditions climatiques et environnementales où poussent les arbres.


Source : Pour la science
Crédit : C. Eloy/Centrale Marseille

Un arbre typique obtenu à la fin de la simulation. Les couleurs définissent l’ordre des branches. On retrouve une structure autosimilaire à toutes les échelles de branches (sur le même principe que les fractales), comme dans les vrais arbres.

Évolution : 200 000 ans dans la vie d’une forêt virtuelle Actualités

Évolution : 200 000 ans dans la vie d’une forêt virtuelle

Sur une île virtuelle, Christophe Eloy, de Centrale Marseille, et ses collègues ont semé des graines d’arbres, elles aussi virtuelles, pour les voir pousser, produire de nouvelles graines, observer l’apparition de mutations génétiques et le résultat de la sélection naturelle. Les chercheurs ont ainsi mis en évidence deux facteurs qui influent particulièrement sur l’évolution des arbres et notamment sur leur structure : la résistance au vent et la compétition pour la lumière du soleil.

La géométrie des arbres suit certaines relations mathématiques simples, nommées lois d’échelles allométriques. Par exemple, Léonard de Vinci avait observé que la somme des sections des branches connectées au tronc était égale à la section de ce tronc. De façon plus générale, la structure en branches  est dite auto-similaire car elle se reproduit à toutes les échelles depuis le tronc et les branches principales jusqu’aux plus petites branches, sur le même principe que les fractales. Les lois allométriques relient encore d’autres grandeurs : la masse moyenne d’un arbre au nombre d’arbres par hectare – c’est la loi d’auto-éclaircie –, ou la hauteur de l’arbre à son diamètre. Les explications classiquement avancées pour justifier ces observations sont d’origine mécanique et hydraulique : les arbres sont contraints à cette géométrie afin de ne pas s’effondrer sous leur propre poids et pour pouvoir faire monter la sève des racines jusqu’aux feuilles.  

Les modèles développés à partir de ces principes négligent cependant deux facteurs de première importance : le rôle du vent qui exerce une importante contrainte mécanique sur les branches, élaguant les branches trop faibles et abattant les arbres mal équilibrés, et la compétition pour l’accès à la lumière. Le rayonnement solaire est indispensable à la photosynthèse, qui produit les ressources de l’arbre. Ainsi des arbres plus hauts et plus étendus capteront mieux la lumière et feront de l’ombre à d’autres espèces plus petites. À ces deux actions ont été rajoutés deux ingrédients issus des dernières recherches en biologie végétale : la capacité des arbres à percevoir les déformations liées au vent (on parle de thigmomorphogenèse) et la lumière qui arrive sur leurs bourgeons, et d’y réagir en modulant leur croissance !

Pour en savoir plus sur l'interaction de tous ces facteurs, Christophe Eloy et ses collègues ont développé un modèle numérique nommé MechaTree. Les arbres sont définis par un vaste éventail de caractéristiques : la longueur et le diamètre des branches, l’importance et la transparence du feuillage, la vitesse de croissance, etc. En principe, un arbre transmet ses caractéristiques à sa descendance, mais les chercheurs ont conçu leur modèle de sorte que ces paramètres puissent éventuellement varier d’une génération à une autre de façon aléatoire. Ils simulent ainsi l’apparition de mutations aléatoires.

Le modèle est divisé en cycles comprenant chacun plusieurs étapes. Pour commencer, le programme calcule la quantité de lumière reçue par le feuillage de chaque arbre et la résistance mécanique de chaque branche. Il procède alors à une étape de pousse du diamètre des branches en fonction l’énergie produite par photosynthèse et des stimulations exercées parle vent. Un vent de force et de direction arbitraire souffle alors sur la forêt et casse les branches qui ne sont pas assez résistantes : c’est la phase d’élagage. Une sélection s’opère alors : les arbres qui ont atteint l’âge respectable de 1 000 ans ou ceux de plus de 6 ans qui ont moins de dix branches meurent. Pour les arbres survivants commence alors la pousse de nouvelles branches et la production de graines. La croissance d’un arbre est contrôlée par un réseau de neurones qui détermine où une nouvelle branche pousse, selon quelle direction (en fonction de la lumière perçue), etc. Les graines sont semées et de nouveaux arbres poussent. Un nouveau cycle peut alors commencer.

Les chercheurs ont initié leur simulation avec plusieurs milliers d’arbres dotés de « génomes » aléatoires plantés sur une île, afin d’avoir un environnement isolé. Ils ont fait courir leur simulation pendant l’équivalent de dizaines de milliers d’années (jusqu’à 200 000 ans, soit des milliers d’heures de calcul). Ils ont ainsi vu sous leurs yeux les générations d’arbres se succéder et la sélection naturelle opérer. Les arbres dont les caractéristiques n’étaient pas compétitives ont fini par disparaître et ceux qui avaient un génome avantageux se sont imposés.

Quels ont été les résultats de cette simulation ? L’arbre qui domine l’île à la fin de la simulation présente des caractéristiques proches de celles des pins à pignon. Et les chercheurs ont retrouvé toutes les lois d’échelle connues : la loi de Léonard de Vinci, la dimension fractale des branches, la loi d’auto-éclaircie et le lien entre taille et diamètre de l’arbre. Ils ont pu identifier le rôle de chaque facteur dans ce résultat. La compétition pour l’accès à la lumière et la transparence du feuillage conduisent à la dimension fractale de l’arbre tandis que la réponse au vent, la thigmomorphogenèse, contrôle le diamètre des branches. Cela n’écarte pas le rôle du transport de sève dans la structure des arbres, un rôle dont l’importance pourrait varier selon les conditions climatiques et environnementales où poussent les arbres.


Source : Pour la science
Crédit : C. Eloy/Centrale Marseille

Un arbre typique obtenu à la fin de la simulation. Les couleurs définissent l’ordre des branches. On retrouve une structure autosimilaire à toutes les échelles de branches (sur le même principe que les fractales), comme dans les vrais arbres.

LE GUIDE Naturellement

Agenda . . .

07 - Adèche

Du 1er mai au 15 novembre
Exposition "ENTRE TERRE ET EAU"

Crises sociales et environnementales dans le Delta du Danube en Roumanie, à la fin du Néolithique. A près de 2 000 km de l'Ardèche, comment se passe la fin de la Préhistoire au bord du fleuve et de la Mer Noire ? Une exposition franco-roumaine inédite, interactive et immersive, à découvrir à la Cité de la Préhistoire !

Grand Site de l’Aven d’Orgnac
Place Robert de Joly
07150 Orgnac–L’Aven
04 75 38 65 10
www.orgnac.com


Du 20 octobre au 4 novembre
Démonstration "LES SECRETS DU FEU"

Un animateur de la Cité de la Préhistoire vous dévoile les différentes techniques d’allumage du feu à la manière préhistorique, bien avant l’invention du briquet : en frottant des cailloux ou du bois, tout simplement !
Durée : 30 min. De 11h45, 14h et 16h45.

Grand Site de l’Aven d’Orgnac
Place Robert de Joly
07150 Orgnac–L’Aven
04 75 38 65 10
www.orgnac.com


Du 20 octobre au 4 novembre
Visite spéciale Famille "LE COFFRE MYSTÉRIEUX"

Venez explorer la préhistoire autrement en partant à la recherche d’un mystérieux objet préhistorique dans la Cité. Un voyage dans le Temps pour petits et grands, qui devront revêtir les habits et ustensiles de nos
ancêtres pour traverser les âges anciens. Accompagnés par un archéologue et sa machine à remonter le Temps, saurez vous résoudre l’énigme ?
Durée : 1h15. A partir de 5 ans.

Grand Site de l’Aven d’Orgnac
Place Robert de Joly
07150 Orgnac–L’Aven
04 75 38 65 10
www.orgnac.com


14 - Calvados

Jusqu’au 29 février 2020
Exposition
"LES REQUINS ! 430 MILLIONS D’ANNÉES D’ÉVOLUTION"

Découvrez la grande diversité des requins, allant d’espèces de petites tailles, jusqu’aux poissons géants dont les dents sont plus grandes qu’une main humaine.
Cette exposition évoque également le grand danger auquel ils sont confrontés : l’Homme. Venez découvrir de nouvelles espèces et apprendre en vous amusant grâce à une fresque digitale.

Paléospace
Avenue Jean Moulin
14640 Villers-sur-Mer
02 31 81 77 60
www.paleospace-villers.fr


21 - Côte d'Or

Jusqu’au 6 janvier 2019
Exposition "GRAINES"

Elles sont partout… Du petit-déjeuner au coucher, dans nos vêtements, dans notre alimentation, dans nos parcs et jardins… sans même y penser elles font partie de notre quotidien et sont un pilier de la biodiversité végétale.
Cette nouvelle exposition, très ludique, propose à tous les visiteurs de découvrir une grande variété de graines d’ici et d’ailleurs et de s’interroger sur leurs enjeux dans un contexte de changement climatique et sociétal.

Le Jardin des sciences
Parc de l’Arquebuse
21000 Dijon
03 80 48 82 00
www.dijon.fr


Jusqu’au 31 mars 2019

Exposition de plein air
"IMPACTS ! HOMME-NATURE"

Venez découvrir les relations homme-nature au plus près du vivant !
De l’évolution du comportement animal à celui du climat et des milieux naturels, les chercheurs de Bourgogne et de Franche-Comté tentent de comprendre le rôle de l’Homme dans ces changements. Traversez ville, campagne et forêt et voyagez jusqu’aux pôles pour observer ces recherches in vivo !

Le Jardin des sciences
Parc de l’Arquebuse
21000 Dijon
03 80 48 82 00
www.dijon.fr


41 - Loir et Cher

Jusqu'au 31 décembre
LES JARDINS DE CHAMBORD

Le château a retrouvé en 2017 ses jardins à la française du XVIIIe siècle avec six hectares et demi au pied de la façade nord du château : plus de 600 arbres, 800 arbustes, 200 rosiers, 15 250 plantes...

Office de Tourisme de Blois-Chambord
23 place du château
41000 Blois
02 54 90 41 41
http://www.bloischambord.com


49 - Maine et Loire

Du 20 octobre au 4 novembre
"CONTES ET RACONTÉES SPÉCIAL 3-9 ANS"

Les raconte-tapis débarquent au Bioparc pour plonger les enfants dans l’univers des contes animaliers ! Réunis autour de ces magnifiques créations tissées mains animées par nos soigneurs, les enfants découvrent le terrain d’aventure des personnages de l’histoire.

Bioparc Doué la Fontaine
103 rue de Cholet
49700 Doué-en-Anjou
02 41 59 18 58
www.bioparc-zoo.fr


61 - Orne

Du 13 octobre au 23 décembre
Exposition : "LES HAIES", Joël Auxenfans

Ecomusée du Perche
Prieuré de Sainte-Gauburge
61130 Saint-Cyr-la-Rosiere
02 33 73 48 06
www.ecomuseeduperche.fr


76 - Seine Maritime

Du 15 septembre au 15 décembre
Exposition "L’abbé Pierre photographe, un regard sur le monde"

L'exposition présente soixante-dix photographies inédites prises par l’abbé Pierre lui-même dans de nombreux pays. Elles témoignent de la vitalité des personnes pauvres dans le monde et dévoilent le regard lucide et plein d’amour.

Centre abbé Pierre - Emmaüs
Route d'Emmaüs
76690 Esteville
02 35 23 87 76
www.centre-abbe-pierre-emmaus.org


87 - Haute-Vienne

Du 1er avril au 4 novembre
Exposition : « L’ÉLOGE DE L’ÉTRANGE ET DE L’INCOMPRIS »

Une revisite du Cabinet des Curiosités par 7 artistes qui explorent des thèmes à la fois scientifiques et naturalistes, mais aussi oniriques et bouleversants, merveilleux et revendiquant.

La Cité des insectes
Chaud 87120 Nedde
05 55 04 02 55
www.lacitedesinsectes.com


31 octobre
LA CHASSE D’HALLOWEEN AUX PETITES BÊTES !

La Chasse d’Halloween aux petites bêtes ! Avec dégustation d’insectes ! des cadeaux pour tout le monde mais surtout la famille la mieux déguisée recevra une belle surprise.

La Cité des insectes
Chaud 87120 Nedde
05 55 04 02 55
www.lacitedesinsectes.com

Lieux:

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