Odomètre chez Cataglyphis fortis Les Cataglyphis fortis ont la faculté de revenir au nid bien qu’elles soient dans l’obscurité complète. Comment font-elles pour estimer la distance à laquelle se situe le nid, et cela en ligne droite ? Une équipe de scientifiques suisses menée par Matthias Wittlinger (lien) a montré que la fourmi estime la distance et la vitesse de son déplacement en calculant le nombre de pas effectués et la distance parcourue à chaque pas. Pour cela, les scientifiques ont allongé et raccourci les pattes des fourmis et se sont aperçus que les insectes parcouraient alors une distance trop longue, ou trop courte. Ce système fonctionne ainsi comme un odomètre ou un pédomètre.

Par Benoît GILLES

Les fourmis Cataglyphis fortis se rencontrent dans les zones désertiques d’Afrique du Nord où elles recherchent les cadavres de petits arthropodes. Pour se déplacer et se localiser par rapport au nid dans un environnement où les repères spatiaux sont rares et évoluent sans cesse, ces fourmis exploitent en les croisant des données indiquant leur direction et la distance parcourue depuis le nid.

• La direction est déterminée par l’angle du soleil (lire cet article)
• La distance par un mécanisme de compteur de pas fonctionnant comme un pédomètre (encadré ci-contre)

Certaines ouvrières pouvant couvrir près de 1,5 km autour du nid, des erreurs de navigation peuvent survenir. Pour les pallier et localiser toutefois l’entrée du nid, les fourmis font appel à d’autres sens comme la reconnaissance du panorama environnant le nid, l’olfaction (en suivant la diffusion du dioxyde de carbone émanant du nid) ou encore la mémorisation des odeurs présentes aux abords du nid (l’odorat de Cataglyphis fortis, particulièrement développé, intervient dans la recherche de nourriture : par exemple, ces fourmis possèdent une forte sensibilité à des dérivés comme l’acide linoléique diffusant des cadavres d’arthropodes).

Deux entomologistes allemands, Roman Huber et Markus Knaden, ont étudié les capacités de mémorisation des odeurs liées à la recherche de nourriture et liées au nid chez Cataglyphis fortis (lien).

Pour cela, ces scientifiques ont mené plusieurs expérimentations.

Inné ou acquis

La première expérience consistait à déterminer les molécules dont l’attractivité découlait de l’inné ou de l’acquis. Pour cela, les scientifiques ont élaboré un protocole composé de 4 étapes (Figure 1 ci-dessous).

•  Etape 1 : Un récipient contenant de l’aliment (miettes de biscuit) a été placé à 6 m du nid, les fourmis pouvant aller et venir entre lui et leur nid (figure A1) : étape permettant de mettre en place un apprentissage
• Etape 2 : Même protocole que (1) mais un tube Eppendorf contenant la molécule testée a été installé entre le nid et la nourriture et positionné à 2 m. La molécule est diffusée perpendiculairement à l’axe aliment/nid dans le but d’observer la direction choisie par les ouvrières : nourriture (apprentissage) ou molécule testée (inné) (figure A2)
• Etape 3 : La molécule testée en (2) a été mélangée avec la nourriture pour que les fourmis associent molécule et nourriture (figure A3)
• Etape 4 :  Le test (2) est réitéré afin de mettre en avant la préférence de la fourmi pour une molécule dont l’attractivité est innée ou pour la source de nourriture (figure A4)

Il s’avère que pour 23 des 32 molécules testées, l’entrainement a permis d’augmenter significativement l’attrait pour la molécule, montrant un apprentissage dans l’association d’odeurs avec l’aliment.

Dans la nature, les fourmis doivent apprendre à faire ces associations et à discriminer différentes sources d’odeurs afin de trouver les meilleures sources de nourriture.   

Temps d’acquisition du souvenir

La suite de l’étude s’est intéressée à la vitesse de mémorisation à la base de la création de telles associations. Sur le même principe que l’expérience précédente, des fourmis ont été mises en contact avec un aliment et une odeur. Une seule imprégnation améliore l’attractivité d’une molécule et donc l’association d’une odeur avec une source de nourriture. 

Durée de la mémorisation

Pour connaître la durée du souvenir, les entomologistes ont entraîné des fourmis à associer des odeurs à l’aliment durant deux heures. Ils les ont ensuite marquées avec des points de couleur pour les identifier. L’expérience a consisté à tester les fourmis marquées de 1 à 26 jours après l’apprentissage.

Les résultats sont étonnants : plus de 80% des fourmis marquées ont suivi l’odeur 24 h après l’apprentissage, et 43% d’entres elles après 26 jours. Ces données semblent indiquer que la mémoire de fourmis persiste plusieurs semaines !

Capacité de mémoire

Après avoir réalisé ces tests sur une seule odeur, les entomologistes ont souhaité savoir combien d’odeurs les fourmis pouvaient mémoriser. Pour cela, ils ont entraîné des fourmis à associer 14 odeurs de manière successive. Les fourmis ont suivi les 14 odeurs démontrant ainsi qu’elles ont la faculté de mémoriser au moins une dizaine de molécules et de les associer avec des sources de nourriture.

Mémoire du nid et mémoire alimentaire

Du fait que des travaux ultérieurs ont montré que la vitesse d’acquisition du signal olfactif spécifique au nid chez les fourmis était plus lente que celle liée aux sources de nourriture et que le souvenir lié à l’association odeur/aliment pouvait se prolonger près d’un mois après l’apprentissage, les scientifiques se sont intéressés à la mémoire olfactive liée au nid.

Pour cela, leur expérience, reposant sur le même système que précédemment (colonne de 4m de long entre l’entrée du nid et la source de nourriture (figure 2), a consisté à faire mémoriser à des fourmis l’association de la signature olfactive de l’entrée du nid avec une odeur test. Lors d’un retour au nid depuis la source de nourriture, les fourmis ont été placées dans un autre tuyau en présence uniquement de la molécule testée. Les tests ont été réalisés avec des fourmis ayant passé un temps plus ou moins long à l’extérieur du nid, d’autres ont été remises en contact avec le signal olfactif du nid après une période d’isolement.

Il s’avère que les fourmis ont montré de grandes difficultés à se déplacer et à situer l’entrée du nid supposée (figure 2). Contrairement à la mémorisation d’association odeur/source de nourriture, ces résultats montrent que les fourmis associeraient difficilement le signal olfactif de l’entrée du nid avec une autre odeur, et que le souvenir de ce signal s’estompe plutôt rapidement (30 minutes environ) en l’absence de contact régulier avec lui.

Il semble donc que les Cataglyphis fortis présentent deux stratégies distinctes de mémorisation olfactive.

1) Une stratégie serait liée à la recherche de nourriture et reposerait sur une mémoire adaptative. Durant la vie d’une ouvrière, 6 jours sont consacrés à la recherche et à la collecte de nourriture, durant cette période elle doit apprendre rapidement à faire des associations odeurs/aliment pour collecter et rapporter le maximum de nourriture dans un environnement imprévisible et changeant. Ces associations permettraient ainsi aux fourmis de localiser plus facilement de nouvelles ressources en suivant des sources olfactives déjà rencontrées et ayant abouties à un succès. La réelle surprise de cette étude concerne la capacité des fourmis à se souvenir d’odeurs après 26 jours alors que la période qu’elles consacrent à la recherche de nourriture ne dure que 6 jours.

Ces données sont en lien avec les découvertes sur les fourmis coupeuses de feuilles, aussi appelées fourmis-champignonnistes (lire cet article et cet article). Ces fourmis découpent des morceaux de feuilles pour alimenter un substrat où se développe un champignon dont elles se nourrissent exclusivement. Des études sur la mémoire ont mis en évidence que ces fourmis pouvaient mémoriser des odeurs durant plus de 2 mois (18 semaines). Cette capacité aurait été acquise durant l’évolution car la survie du champignon est vitale à la survie de ces insectes. Se souvenir durablement des meilleurs sites des feuillages les plus appétant apporterait de ce fait un net avantage sélectif.

2) L’autre stratégie concerne la mémorisation du signal olfactif du nid. Cependant, pourquoi ces fourmis oublient-elles le signal olfactif du nid seulement 30 min après sa suppression ?

Bien que la position géographique du nid repose essentiellement sur une mémorisation visuelle de l’environnement (lien), les fourmis tiennent également compte du signal olfactif spécifique au nid. Au sein d’une même colonie, tous les individus sont imprégnés du signal olfactif spécifique à leur nid et le diffusent. Ainsi, chaque fourmi reste en contact permanent et régulier avec le signal qui n’a pas besoin d’être mémorisé durablement. Une mémorisation de 30 mn est de ce fait suffisante pour une fourmi en quête de nourriture, qui, au pire des cas, a la possibilité de revenir au nid à l’aide de sa mémoire visuelle.  

Source : 

• Huber R. & Knaden M. (2018) : Desrt ants possess distincts memories for food and nest odors. PNAS (lien) 
• Wittlinger M. ; Wehner R. & Wolf H. (2002) : The ant odometer : stepping on stilts and stumps. Science, vol312, 1965-1967 (lien)

Pour en savoir davantage sur les Cataglyphis du désert, suivre ce lien

Recommandations d’ouvrages sur cette thématique :

• Les Fourmis : Comportement, Organisation Sociale et Evolution (Luc Passera et Serge Aron – Edition : Canadian Science Publishing – 480 pages – janvier 2005)
• Le monde des fourmis (Rémy Chauvin – Edition du Rocher – 285 pages – 2 octobre 2003)
• Le monde extraordinaire des fourmis (Luc Passera – Edition : Fayard – 235 pages – 13 mars 2008)
• Ant Ecology (Catherine Parr ; Kirsti Abbott & Lori Lach – Edition : Oxford University press – 2010)
• Mutualism : Ants and their Insect Partners (Bernhard Stadler & Tony Dixon – Edition : Cambridge University Press – 248 pages – 7 avril 2008)
• The Leafcutter Ants – Civilization by Instinct (Bert Hölldobler & Edward O’Wilson – Edition W. W. Norton & Company – 192 pages – 26 octobre 2010)
• The Lives of Ants (Laurent keller & Elisabeth Gordon – Edition OUP Oxford – 273 pages – 26 février 2009)