Quand la physique prend la clé des champs

Sur les collines verdoyantes d’une campagne paisible, un petit troupeau de moutons est en train de paître paisiblement. Il s’adonne à une chorégraphie somme toute ordinaire : régulièrement, le groupe se met en branle, un individu après l’autre, avant de s’immobiliser à nouveau un peu plus loin, pour recommencer à brouter. Les déplacements sont aussi organisés qu’ils semblent aléatoires. Les flâneurs auront remarqué ce genre de coordination collective chez plusieurs espèces d’animaux, notamment chez les oiseaux qui s’envolent soudainement en nuée ou chez les poissons qui zigzaguent élégamment en bancs serrés. Cette intelligence collective est un phénomène qu’étudient les biologistes ; mais leurs observations sont formalisées grâce à des modélisations mathématiques développées, elles, par des physiciens.

Décrire mathématiquement le vivant

Fernando Peruani, chercheur au Laboratoire de Physique Théorique et Modélisation (LPTM, CY Cergy Paris Université) a fait du sujet sa spécialité. Sa mission : décrire mathématiquement le vivant, en adoptant une approche interdisciplinaire entre physique et biologie. Après avoir durant plusieurs années développé des outils pour décrire les mouvements des bactéries, il a constaté qu’il était possible d’utiliser des modèles mathématiques similaires pour étudier les mouvements de groupes d’animaux. Ses recherches ont été récemment publiées dans le journal scientifique Nature Physics^[1].

La physique de la matière active : un domaine en plein essor

Cette approche place ses travaux dans le domaine de la physique de la matière active. Cette discipline en plein essor, qui a émergé il y a une trentaine d’années, a d’ailleurs fait l’objet d’un colloque EUTOPIA (Active Days EUTOPIA - Challenges in Active Matter à la Maison internationale de la recherche, du 5 au 7 décembre 2022). Elle se propose d’utiliser la physique pour comprendre les systèmes vivants, toutes échelles confondues, qu’il s’agisse de cellules, de bactéries, de têtards, d’oiseaux… ou de moutons.

Cependant, alors que jusqu’ici, les recherches dans le domaine se sont concentrées sur des moments d’observation très brefs (l’instant d’envol des étourneaux, par exemple), le Pr. Peruani et son équipe ont entrepris de modéliser le comportement global de petits groupes de moutons sur des échelles de temps beaucoup plus longs, en décomposant des phases de mouvement : broutage (tête baissée), alerte (tête levée), panique (course)… Une complexification qui les a forcés à s’éloigner des modèles proposés auparavant par leurs pairs, et à reprendre les calculs de zéro. Au programme, entre autres : physique newtonienne, mécanique, chaînes de Markov, calcul stochastique et probabilités.

Des recherches collaboratives pour des résultats prometteurs

Fernando Peruani collabore avec Luis Gómez-Nava, affilié au laboratoire J. A. Dieudonné de l’université Côte d’Azur à Nice, ainsi qu’avec des biologistes de l’équipe de Richard Bon, du Centre de recherches sur la cognition animale de l’université Toulouse III. Au LPTM, il met également à contribution des étudiants et des post-doctorants pour développer un cadre théorique de modélisation des données.

Que peut-on conclure à ce stade ? Que contrairement aux idées reçues, les moutons ne sont pas que des suiveurs. Car non seulement chaque déplacement du troupeau est initié par un membre du groupe, mais tous les individus du troupeau peuvent être meneurs. Ce modèle démocratique bénéficierait au groupe dans son ensemble, en simplifiant la prise de décision, optimisant la transmission des informations et facilitant ainsi la cohésion du groupe. À long-terme, il reste encore à déterminer si les modèles développés peuvent être appliqués à des troupeaux de moutons plus conséquents. L’intelligence collective des moutons n’a pas encore révélé tous ses mystères.

^[1] Gómez-Nava, L., Bon, R. & Peruani, F. Intermittent collective motion in sheep results from alternating the role of leader and follower. Nat. Phys. (2022). https://doi.org/10.1038/s41567-022-01769-8
 

Revue de presse

Intermittent collective motion in sheep results from alternating the role of leader and follower
Nature Physics, 20 octobre 2022 par Luis Gómez-Nava, Richard Bon et Fernando Peruani
Lire l'article en anglais

Le panurgisme des moutons obéit à des règles simples
Le Monde, 31 octobre 2022 par David Larousserie
Lire l'article en français

Physics study shows that sheep flocks alternate their leader and achieve collective intelligence
Phys.org, 17 novembre 2022 par Ingrid Fadelli
Lire l'article en anglais

Sheep flocks operate as a type of ‘collective intelligence’ and elect temporary leaders to guide them while moving
ZME Science, 18 novembre 2022 par Alexandru Micu
Lire l'article en anglais

La alternancia periódica en el liderazgo facilita la inteligencia colectiva, según un estudio en ovejas
La Vanguardia, 18 novembre 2022 par Joaquim Elcacho
Lire l'article en espagnol

Sheep Are Surprisingly Democratic And Alternate Their Leaders
IFL Science, 21 novembre 2022 par Stephen Luntz
Lire l'article en anglais

Kollektív intelligenciát mutatnak a juhnyájak
Origo, 21 novembre 2022
Lire l'article en hongrois

Le pecore sono democratiche e scelgono i propri leader a rotazione: tutte possono comandare
Fanpage.it, 22 novembre 2022 par Andrea Centini
Lire l'article en italien

C’è una possibile spiegazione per il caso del gregge di pecore che si muove in cerchio
Galileo, 23 novembre 2022 par Sara Carmignani
Lire l'article en italien

L’intelligence collective des moutons naît de l’alternance des chefs
Pour la Science, 6 décembre 2022 par Pierre Giraudeau
Lire l'article en français

En savoir plus

• LPTM - Laboratoire de Physique Théorique et Modélisation
• Colloque EUTOPIA - Challenges in active matter