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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 . . .

13 - Bouches du Rhône

Du 7 au 15 janvier 2021

BALADES EN MER
CONGRÈS MONDIAL DE LA NATURE DE L’UICN

Lors de ce rendez vous, des balades en mer à bord de l'Hélios, la seule vedette à passagers hybride de la compagnie Marseillaise ICARD MARITME, seront organisées par : Le parc National de la Côte Bleue : 10 juin - Le conservatoire du littoral : 11 & 16 juin - Le parc National des Calanques : 15 & 20 juin.

1 quai Marcel Pagnol
13007 Marseille
04 91 330 329
www.iucncongress2020


21 - Côte d'Or

Du 3 juillet au 2 janvier 2022

EXPOSITION
"AU COEUR DES SAISONS"

Et si on prenait le temps de regarder passer les saisons, de vivre à leur rythme, de redécouvrir le plaisir d'observer la Nature et ses changements.
Cette nouvelle exposition, conçue et réalisée par le Jardin des sciences et Biodiversité, vous plonge « Au coeur des saisons », de façon ludique et accessible à tous les publics, en famille comme entre amis…

Jardin des sciences & biodiversité
Jardin de l’Arquebuse
14 rue Jehan de Marville & 1 avenue Albert 1er
21000 DIJON
03 80 48 82 00
www.dijon.fr


34 - Hérault

Du 26 septembre au 28 février 2021

EXPOSITION
"DERNIERS IMPRESSIONNISTES"

Des paysages maritimes de la Bretagne aux plaisirs des plages de la Belle Époque, des paysages urbains ou champêtres aux portraits virtuoses, partez sur les pas des peintres intimistes ayant tous respiré le parfum de l’impressionnisme.
Riche de 70 peintures et d’une trentaine de dessins ou lithographies, l’exposition qui fait étape à Lodève est la première en France à rendre à ce courant l’importance qui lui revient.

Musée de Lodève
Square George Auric
34700 Lodève
04 67 88 86 10
www.museedelodeve.fr


45 - Loiret

Les 4 juillet et 22 août

VISITES
"ART DES JARDINS"

Art de vivre et Nouvelles Renaissances en Val-de-Loire.
L’Arboretum des Grandes Bruyères, « Jardin Remarquable » vous présentant pas moins de 5 types de jardins, vous invite à découvrir leur histoire et leurs spécificités.
Visite guidée à 15h. Inscription obligatoire, nombre de participants limité.

Arboretum des Grandes Bruyères
45450 Ingrannes
02 38 57 28 24
www.arboretumdesgrandesbruyeres.fr


50 - Manche

Du 8 février au 24 mai

EXPOSITION DE PHOTOGRAPHIES
"LA HAGUE : A L’EPREUVE DU TEMPS"

De vallées encaissées en roches mystérieuses, du littoral déchiqueté aux champs quadrillés de murets, le regard d’Antoine Soubigou s’est posé sur une Hague intemporelle et tourmentée.

Manoir du Tourp
Omonville-la-Rogue
50440 La Hague  
02 33 01 85 89
www.letourp.com


Jusqu'au 15 novembre

EXPOSITION PHOTOGRAPHIQUE
"VIE SAUVAGE EN COTENTIN"

Une exposition pour les curieux de nature mais aussi pour les amateurs de belles images... L’association "Regards" basée à Cormelles-le-Royal dans le Calvados rassemble des photographes naturalistes, passionnés d’image et de nature.

Manoir du Tourp
Omonville-la-Rogue
50440 La Hague  
02 33 01 85 89
www.letourp.com


59 - Nord

Jusqu'au 29 août 2021

EXPOSITION
"MON DODO"

A quoi sert de dormir ? Que se passe-t-il quand je dors ? Pourquoi je rêve ? Telles sont les questions que peuvent se poser les enfants lorsqu’ils vont se coucher pour la sieste ou pour la nuit.
Au travers des expériences et des approches diverses, l’exposition invite les 2-7 ans à découvrir leurs besoins en quantité et qualité de sommeil tout en abordant les notions de cycle et le rôle du sommeil dans leur développement.

Forum départemental des Sciences
1 place de l’Hôtel de ville
59650 Villeneuve d’Ascq
03 59 73 96 00
www.forumdepartementaldessciences.fr


67 - Bas-Rhin

A partir du 4 juillet

ESCAPE GAME LIGNE MAGINOT

Participez à une partie d'escape game et découvrez la Ligne Maginot comme si vous y étiez soldat!
Dans l'antre de la forteresse sont cachés les indices qui vous permettront de sauver l'équipage de l’asphyxie... Attention, vous n'avez que 40 minutes !
Equipes de 2 à 6 joueurs. A partir de 10 ans accompagnés de leurs parents.

Forteresse de la Ligne Maginot
Route D65 direction Pfaffenbronn
67510 Lembach
03 88 94 48 62 / 03 88 94 43 16
www.lignemaginot.fr


71 - Saône et Loire

Jusqu'au 1er novembre

EXPOSITION
"BÊTISE ET BALIVERNES, IDÉES REÇUES SUR LA NATURE"

« les chauves-souris s'accrochent dans les cheveux » ; « les grenouilles sont vertes et les crapauds marron » ; « les moustiques préfèrent les peaux sucrées… », autant d’idées reçues et de fausses informations qui ont souvent la vie dure ! Une scénographie originale et les illustrations humoristiques de Roland Garrigue raviront aussi bien les petits que les grands !

Centre EDEN
26 rue de l’Eglise
71290 Cuisery
03 85 27 08 00
www.centre-eden71.fr


88 - Vosges

Du 6 juillet au 30 août

ANIMATIONS SCIENCES
PLANÉTARIUM EPINAL

Qui n'a jamais rêvé de faire décoller une fusée (en papier) ? Ce sera possible cet été ! L'atelier "réveillez vos sens", quant à lui, sera parfait pour les enfants à partir de 3 ans. Nous proposons également des soirées d'observation du ciel du soir, une initiation à la paléontologie, la découverte des petites bêtes qui peuplent la mare du Planétarium et bien d'autre choses encore !

Planétarium Epinal
Rue Dom Pothier
88000 Epinal
03 29 35 08 02
www.planetarium-epinal.com

Lieux:

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