Une offre de thèse est proposée à l’Institut de Recherche sur la Biologie de l’Insecte à Tours, au sein de l’équipe Écologie Physique et Relations Multitrophiques dirigée par le Professeur Jérôme Casas.
La thèse porte sur l’orientation et la locomotion des insectes dans le sable. Les détails sont donnés ci-dessous.
Veuillez envoyer lettre de postulation, CV et 2 noms de personnes à contacter (avec numéro de tel. et mail) à :
Prof. Jérôme Casas
Institut de Recherche en Biologie de l'Insecte
IRBI UMR CNRS 6035
Université de Tours
37200 Tours
France
casas@univ-tours.fr
Date limite : au plus vite et avant le 2 juillet (première audition le 4 juillet à Tours)
Site web : http://casas-lab.irbi.univ-tours.fr/home.html
-------------------------------------
Résumé
Le sable, milieu granulaire, pose des problèmes particuliers d’orientation et de locomotion aux petits animaux qui y vivent. Nous avons pu démontrer que le fourmillon, insecte prédateur dissimulé au fond du trou qu’il a creusé, y fait tomber les insectes en leur lançant des jets de sable. Comment fait-il pour localiser la cible reste un mystère qui a priori défie certaines lois physiques. Mieux comprendre la propagation des vibrations dans le sable et l’orientation du prédateur sera la première tâche du thésard. Les proies, quant à elles, doivent remonter rapidement la pente pour s’échapper. Cette pente a un angle quasi critique et est instable. Des travaux récents, traitant de la locomotion de robots sur du sable, démontrent à quel point s’y mouvoir est complexe et dépends de paramètres subtils. La thèse traitera dans un deuxième temps du déplacement dans le sable de plusieurs types de proies, certaines échappant facilement, d’autres jamais. Il s’agira ici de faire des analyses de cinétique des pattes des proies sur des pentes plus ou moins fortes, en variant la granulométrie. Un modèle établi par d’autres équipes montre que la capacité à se mouvoir sur un tel substrat dépend entre autre de la fréquence avec laquelle les pattes bougent et de la distance faite entre deux pas. Très certainement que le nombre de pattes détermine également l’issue. Ces informations seront donc incorporées dans le modèle préexistant afin de prédire quel insecte peut s’échapper et lequel ne peut pas. Finalement, les arthropodes utilisés ayant un nombre variable de pattes, une contribution plus générale du nombre ‘d’éléments moteurs’ dans l’optique d’une optimisation du mouvement sur le sable sera proposée.
Le sujet est un sujet d’écologie physique, à l’interface de la Physique (la propagation des phénomènes vibratoires, physique des milieux granulaires) et de la Biologie (perception des vibrations et réponses comportementales).
Programme:
Contexte. Le sable, milieu granulaire, a des propriétés physiques très particulières : il se comporte tantôt comme un solide, tantôt comme un liquide ou encore comme un gaz. Dans des travaux précédents (thèse A. Fertin en 2007), nous avons pu démontrer que le fourmillon, insecte prédateur creusant des trous au fonds desquels il mange les petits insectes qui y tombent, est à même de localiser sa proie et de lancer des jets de sable ciblés. Comment fait-il pour localiser la cible reste un mystère qui a priori défie certaines lois, car l’animal (1 cm environ) reçoit des ondes vibratoires dont la direction est extrêmement brouillée d’après notre compréhension de la physique de la propagation d’ondes dans ces milieux. Soit son trou lui sert d’auditoire et canalise l’information vers le centre, où il se trouve généralement, soit l’animal possède de très nombreux capteurs à la surface de son corps qui lui permettent d’extraire une direction moyennée, soit les deux raisons sont vraies. Les premières analyses de la surface de son corps ont permis de découvrir des poils très nombreux dont le mode de fonctionnement ressemble à des mécanosenseurs d’un type nouveau.
Les proies, quant à elles, doivent s’échapper rapidement en remontant une pente qui, vu son angle quasi critique, est très instable. Certaines espèces s’enfoncent littéralement dans le sable, d’autres arrivent à s’échapper grâce à un mode de locomotion favorisant de grandes enjambées. Des travaux récents, traitant de la locomotion de robots sur du sable, démontrent à quel point se mouvoir dépends de paramètres subtils. La capacité à se mouvoir sur un tel substrat dépend entre autre de la fréquence avec laquelle les pattes bougent et de la distance faite entre deux pas. Très certainement que le nombre de pattes détermine également l’issue. Ces informations seront donc incorporées dans le modèle préexistant afin de prédire quel insecte peut s’échapper et lequel ne peut pas. Finalement, les arthropodes utilisés ayant un nombre variables de pattes (de 4 pour les insectes à plus d’une dizaine pour les cloportes), une contribution plus générale du nombre ‘d’éléments moteurs’ dans l’optique d’une optimisation du mouvement sur le sable sera proposée.
Buts et méthodes pour y parvenir. La propagation des ondes à la surface du puits pendant une stimulation similaire à la marche d’un insecte sera analysée avec des lasers vibromètres, des caméras à haute vitesse et de la PIV (Particle Image velocimetry). Les instruments et le savoir faire est disponible dans l’équipe. Nous tenterons de faire des images dans des puits avec des billes photoélastiques permettant de visualiser les flux de forces. Ce travail, particulièrement innovant, prendra 1 an.
Les travaux avec un petit nombre d’espèces d’arthropodes à la locomotion contrastée sur une pente prendront 2 ans. Nous estimons que 3 espèces, dont une fourmi (proie commune qui s’échappe parfois), un cloporte (beaucoup de pattes, lent, s’enfonce, et ne peut s’échapper) et une punaise (le gendarme, s’échappe facilement en quelques enjambées) permettront de couvrir un large spectre de modalités. La cinétique des pattes et du mouvement du sable sera analysée avec des caméras numériques rapides dans différentes situations où la pente et la granulométrie du substrat seront variées. Des immobilisations de pattes seront faites sur la base de prédictions d’un modèle de locomotion sur sable, basé sur celui de Goldman qui aura été adapté. Nous sommes assurés d’avoir des résultats exploitables sur cette partie.
Encadrement. Le comité de thèse sera dirigé par le Prof. J. Casas, UMR 6035 IRBI, à Tours (site web : http://casas-lab.irbi.univ-tours.fr/). Une association forte est déjà planifiée avec des spécialistes des milieux granulaires, dont le Dr. Y. Forterre (IUSTI CNRS UMR 6595-Ecole Polytechnique Universitaire de Marseille).
Formation préalable. Des biologistes, agronomes, physiciens ou ingénieurs peuvent tous faire une bonne thèse ; il conviendra simplement de se mettre à la page dans les domaines manquants. Les biologistes devront s’atteler à la modélisation et à la mesure optique, les physiciens à l’élevage et l’expérimentation avec du matériel biologique.
Formation acquise. A l’issue de ce doctorat, l’étudiant maitrisera l’utilisation d’optique de pointe pour des mesures dynamiques sans contact, les bases de la théorie des milieux granulaires et aura programmé le mouvement d’objets complexes.
References
Chen Li, Paul B. Umbanhowar, Haldun Komsuoglu, Daniel E. Koditschek and Daniel I. Goldman, Sensitive dependence of the motion of a legged robot on granular media. Proc. Natl. Acad. Sci., 106:3029, (2009).
Fertin, A. & J. Casas (2007). Orientation towards prey in antlions: efficient use of wave propagation in sand. Journal of Experimental Biology, 210: 3337-3343.
Fertin, A. & J. Casas (2006). Efficiency of antlion trap construction. Journal of Experimental Biology, 209: 3510-3515.
Nick Gravish, Paul B. Umbanhowar and Daniel I. Goldman, Force and flow transition in plowed granular media. Physical Review Letters, 105, 128301 (2010)