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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 . . .

09 - Ariège

Le 15 février

FABRIQUE TA FLÈCHE ET TON PROPULSEUR !
    
Au coin du feu, vous vous transformerez en chasseur préhistorique ! Vous fabriquerezune flèche et un propulseur en bois avec les moyens disponibles au néolithique… Le tout se terminera par un bon goûter de chez nous !
Le samedi 15 février 2020 de 14h à 17h30. Sur inscription. 8,50 €/adulte – 7 €/enfant.

Au Pays des Traces
Ferme de Miguet
09190 Saint-Lizier    
05 61 66 47 98
www.paysdestraces.fr


Le 22 février

BALLADE EN RAQUETTE
À LA DÉCOUVERTE DES TRACES DANS LA NEIGE...

Venez découvrir la neige autrement. Vous apprendrez à lire la neige, à fabriquer un abri, à allumer un feu dans la neige ou interpréter des traces sur la neige...(Pique-nique tiré du sac).
Le samedi 22 février de 10h à 17h30. Sur inscription. 30 €/adulte & 25 €/enfant à partir de 12 ans. Location de raquettes : 5 €/personne.

Au Pays des Traces
Ferme de Miguet
09190 Saint-Lizier    
05 61 66 47 98
www.paysdestraces.fr


22 - Côtes d'Armor

Le 22 décembre

SEANCES AU PLANETARIUM DE BRETAGNE

A l'occasion du solstice, le Planétarium de Bretagne vous invite pour deux séances au tarif spécial de 4 €.  A 15h00 : "Les astres et les Marées". A 16h00 : "Le phénomène des saisons".

Planétarium de Bretagne
Parc du Radôme
22560 Pleumeur-Bodou
02 96 15 80 30
www.planetarium-bretagne.fr


Du 15 décembre au 15 mars 2020

EXPOSITION
"FRONDAISONS"
La fabrique d’un maquis de l’Argoat

Le pôle de l'Étang-Neuf présente l'oeuvre de Sophie Zénon, "Frondaisons", la fabrique de l'image d'un maquis de l'Argoat, une exposition de photographies et de vidéos.

Pôle de l'Étang-Neuf
22480 Saint-Connan
02 96 47 17 66
www.etangneufbretagne.com


25 - Doubs

Jusqu'au 5 janvier 2020

EXPOSITION
« LE MONDE DE JULES VERNE »

L’exposition présente le créateur et poète, évoque ses voyages extraordinaires d’un nouveau genre littéraire puis explore sa quête de l’ailleurs.
Gravures, affiches de cinéma, maquettes, dessins de reconstitutions des machines de Jules Verne, carte géante représentant les itinéraires des personnages…rythment le parcours de l’exposition.

Saline royale
Grande Rue
25610 Arc et Senans
www.salineroyale.com


Du 15 février au 3 mai 2020

EXPOSITION
« GEORGES FESSY ET LA PHOTOGRAPHIE »

Exposition en coproduction avec le Familistère de Guise. Georges Fessy et la photographie est une rétrospective présentée à travers plus d’une centaine de photographies qui traduit la diversité d’une vie de photographe : paysages, portraits, natures mortes, objets d’art, vues d’architectures.

Saline royale
Grande Rue
25610 Arc et Senans
www.salineroyale.com


30 - Gard

Jusqu'au 8 mars 2020

EXPOSITION
« FEU », l’expo brûlante de la rentrée au Pont du Gard

FEU conçue par Universcience qui propose d’explorer la thématique de la maîtrise du feu par l’humain. Accessible dès 9 ans, cette exposition rassemble des installations audiovisuelles, des dispositifs multimédia et des expériences interactives ainsi que de nombreux objets visant à enrichir la connaissance des visiteurs et à déconstruire les idées reçues.

Site du Pont du Gard
La Bégude
400 route du Pont du Gard
30210 Vers-Pont-du-Gard
04 66 37 50 99
www.pontdugard.fr


34 - Hérault

Jusqu'au 23 février 2020

EXPOSITION
Ensor, Magritte, Alechinsky...

L'exposition invite à un cheminement sensible sur les sentiers de l'art Belge à travers une sélection de chefsd’oeuvre des collections du Musée d'Ixelles (Bruxelles).

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


37 - Indre-et-Loire

Les 7 et 14 décembre

CHATEAU ROYAL D'AMBOISE
CONCERTS

Samedi 7 décembre 2019 : concert avec l’Ensemble Les Salanganes de Tours, à 15h30. Inclus dans le droit d’entrée.
Samedi 14 décembre 2019 : Concert de chants de Noël avec la Chorale La cantilène, à 16h. Inclus dans le droit d’entrée.

Château royal d’Amboise
Montée de l’Emir Abd el Kader
37400 Amboise
02 47 57 00 98
www.chateau-amboise.com


Du 23 décembre au 5 janvier

CHATEAU ROYAL D'AMBOISE
"VISITE SPÉCIALE NOËL"

Tous les jours à 15h30, les petits visiteurs vont notamment pouvoir découvrir les traditions de Noël à travers les siècles dans le logis spécialement décoré (crèche napolitaine, sapins et exposition de jouets anciens.).
Visite commentée en français par un guide conférencier. Réservée aux enfants de 7 à 12 ans accompagnés de leur famille. Inclus dans le droit d’entrée au château. Durée : 1 heure.

Château royal d’Amboise
Montée de l’Emir Abd el Kader
37400 Amboise
02 47 57 00 98
www.chateau-amboise.com


39 - Jura

Du 20 janvier au 2 avril

ATELIERS
"L’ŒIL ET LA MAIN"

Le Musée de la Lunette organise  une visite de l’exposition temporaire « Les lunettes en voient de toutes les couleurs ». Les enfants découvriront l’utilisation de la couleur en lunetterie, ses principes et surtout son design inspirant ! Ils participeront par la suite à un atelier artistique animé par l’une de nos artistes plasticiennes. Cet atelier est à destination des scolaires, de la maternelle au collège.

Musée de la Lunette
Place Jean Jaurès
39400 Morez - Hauts de Bienne
03 84 33 39 30
www.musee-lunette.fr


50 - Manche

Jusqu'au 5 janvier 2020

EXPOSITION
"DÉTOURS EN COTENTIN"

Il y a sept ans, la famille du photographe Gustave Bazire (1893-1941) découvre 1 400 plaques de verre. Aujourd'hui, le Cotentin expose les vues de l'artiste.

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


63 - Puy-de-Dôme

Janvier et février

"CLASSE NEIGE A PETITS PRIX"

Au Centre des Volcans propose un passeport Évasion Glacée à petits prix pour les derniers créneaux disponibles en janvier et février 2020.Venez découvrir les volcans sous la neige...

Au Centre des Volcans
Rue du Frère Genestier
63230 Pontgibaud
04 73 68 18 18 / 06 21 30 79 36
www.au-centre-des-volcans.fr


De janvier à mars

SEJOURS SCOLAIRES
"LES 4 ÉLÉMENTS" et "L'AUVERGNE DES NEIGES"

Des tarifs imbattables sur les séjours scolaires pour les mois de janvier, février et mars 2020 ! Séjours à réserver rapidement.

.Au Centre des Volcans
Rue du Frère Genestier
63230 Pontgibaud
04 73 68 18 18 / 06 21 30 79 36
www.au-centre-des-volcans.fr


78 - Yvelines

Du 11 au 24 décembre

ATELIERS CREATIFS
"HOLI'FARM'DAYS"

Les mercredis 11 et 18, et les lundi 23 et mardi 24 décembre, la Ferme de Grignon propose des ateliers créatifs, figurines de Noël pour les 3 à 8 ans. Durée de 1h à 1h30. Tarif : 5,50 € par enfant. 1 adulte accompagnateur gratuit. Réservation obligatoire.

Ferme de Grignon
Route de la Ferme
78850 Thiverval-Grignon
01 30 54 37 34
www.fermedegrignon.fr

Lieux:

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