Manchots liquides

Voici une colonie de manchots royaux vue du ciel. Ils sont positionnés de façon si régulière que l’arrangement en semble orchestré.  Pourtant, ils n’obéissent qu’aux seules lois de la nature.

Le manchot royal intéresse les biologistes, qui nous expliquent comment il limite le stress oxydatif, et les scientifiques de l’environnement qui en étudient les déplacements.  Jusqu’ici, rien de très surprenant. Mais il est aussi un assez insolite objet d’études pour les physiciens… Nous allons voir pourquoi.

Des manchots…

La photographie aérienne que vous venez de voir montre que dans une colonie de manchots reproducteurs, les individus maintiennent une certaine distance entre eux, tout en restant un groupe uni. Les positions des manchots sont stables au cours du temps et ils restent ainsi très régulièrement espacés.

Contrairement à d’autres espèces, le manchot royal ne fabrique pas de nid. La femelle pond un œuf unique qu’elle dépose sur ses pattes et garde ainsi jusqu’à l’éclosion. Les petites îles de l’Atlantique Sud leur laissant peu de place, ils doivent partager l’espace et sont contraints à former un groupe. Mais leur propension à se piquer du bec les force à garder une certaine distance interpersonnelle. Ce double mouvement d’attraction et de répulsion produit une distance d’équilibre à la fois stable et dynamique… comme celle qui existe entre les molécules dans un liquide.

Vraiment ?
Des physiciens de l’université de Nuremberg en Allemagne et de l’Institut Applied Ocean Physics & Engineering aux États-Unis se sont attachés à analyser rigoureusement la position des manchots. Les coordonnées spatiales des individus de deux colonies ont été reportées à partir de photographies aériennes prises pendant plusieurs années.
Ils ont émis l’hypothèse que la structure de la colonie de manchots royaux se rapproche de celle d’un  liquide en 2D composé de molécules décrites par le potentiel de Lennard-Jones (potentiel empirique décrivant l’énergie de cohésion entre molécules). Pour tester ce modèle, les scientifiques ont utilisé une simulation des dynamiques moléculaires et ont fait les analogies suivantes :
– la température équivaut au mouvement des manchots ;
– le potentiel de Lennard-Jones (énergie potentielle, décrivant l’interaction entre deux particules) équivaut à la force du comportement de formation des colonies ;
–  la force de répulsion équivaut au comportement de prise de bec.

Les calculs prouvent que la colonie de manchots peut bien être assimilée à un liquide dans un plan, dans lequel les molécules s’attirent et se repoussent en même temps. Pour les auteurs, cette structure « liquide » offre un compromis idéal entre une forte densité d’individus et la flexibilité nécessaire pour répondre aux perturbations externes (le passage d’un éléphant de mer par exemple…) nécessitant un repositionnement des manchots.

… à la physique statistique

Ce résultat est-il anecdotique?
Pas tant que cela. D’une part, il n’est pas dénué d’intérêts pratiques (l’observation et le dénombrement des colonies de manchots, elles-mêmes étudiées par les climatologues).  D’autre part, il s’intègre dans un effort plus général des physiciens pour expliquer les comportements collectifs dans la nature. En conclusion, voici un extrait de l’article La physique statistique : entre l’unité et le tout, écrit par Thierry Mora (Laboratoire de Physique Statistique, ENS, Paris) pour TDC.

Quand l’état global d’un système peut être mesuré avec grande précision et à haute résolution, l’émergence de comportements collectifs ou critiques à partir d’interactions locales peut même être démontrée de manière très explicite. C’est le cas du vol de nuées d’oiseaux ou d’insectes. Les vols d’étourneaux sont un exemple spectaculaire de comportement collectif, par lequel tous les individus d’une nuée se déplacent dans une direction commune, comme mus par un même esprit. Les physiciens ont supposé dans les années 1990 que cet alignement des directions de vol répondait au même principe que celui de l’alignement des spins dans un aimant. Dans un matériau ferromagnétique, les spins de chaque atome, porteurs d’un petit dipôle magnétique, tendent à pointer dans la même direction que leurs voisins pour des raisons énergétiques. En dessous d’une température critique appelée température de Curie, ces petits biais locaux s’agrègent pour aligner l’ensemble des spins dans une direction commune, provoquant l’aimantation macroscopique du matériau et la brisure spontanée de sa symétrie. Il s’agit à l’évidence d’un phénomène émergent, défini au niveau collectif. L’hypothèse était donc que le même mécanisme pouvait expliquer l’alignement des nuées : chaque individu imite ses voisins (commettant néanmoins une erreur, équivalente à l’agitation thermique dans les ferromagnétiques), assurant l’uniformité de la direction de vol. Très récemment, cette interprétation été confirmée par l’analyse quantitative de photographies en trois dimensions de nuées de milliers d’étourneaux. De manière encore plus frappante, il a été démontré que les essaims d’oiseaux et de moucherons se comportaient comme des phénomènes critiques. Comme déjà discuté plus haut dans le contexte du cerveau, l’état critique permet de concilier les impératifs de structure avec ceux de réponse et d’adaptation, et il est tentant de suggérer que cet état permet par exemple à l’essaim de maintenir son alignement tout en conservant une capacité de réaction lui permettant d’échapper plus facilement à ses prédateurs. Encore une fois, il faut souligner que l’analogie avec les systèmes ferromagnétiques s’appuie sur une équivalence mathématique entre les deux descriptions, soutenue par les données.

Je laisse en mot de la fin une petite citation, à laquelle il n’y a rien à rajouter…
“If, in some cataclysm, all of scientific knowledge were to be destroyed, and only one sentence passed on to the next generations of creatures, what statement would contain the most information in the fewest words? I believe it is the atomic hypothesis … that all things are made of atoms — little particles that move around in perpetual motion, attracting each other when they are a little distance apart, but repelling upon being squeezed into one another.” Richard Feynman, Feynman Lectures on Physics

Références 

Structural organisation and dynamics in king penguin colonies, Richard Gerum et al., Journal of Physics D: Applied Physics, avril 2018. 

Special Issue on Collective Behaviour of Living Matter,  Journal of Physics D: Applied Physics, avril 2018.

La physique statistique : entre l’unité et le tout, par Thierry Mora, ‎Chargé de recherche CNRS, Laboratoire de Physique Statistique, ENS, Paris. TDC, n° 1110, 1er mai 2017 Individu & groupe.