Une modélisation virtuelle de l'évolution des arbres permet de faire la part entre les effets de la lumière et du vent

Pour PrépaBCPST et PrépaAgreg
Thème : port des Angiospermes, arbre, lumière et végétaux


Quand on se promène dans une forêt, les arbres, même appartenant à une même espèce, semblent avoir une grande diversité de formes. Et pourtant, ces formes sont régies par un certain nombre de lois, de contraintes structurales et des interactions avec l'environnement, notamment la lumière et le vent.

Pour comprendre les points communs mais aussi la diversité entre les formes d'arbres, une équipe pluridisciplinaire de Marseille associant biomécaniciens, écophysiologistes et bioinformaticiens a mis au point une modélisation virtuelle d'une forêt qu'elle a pu faire évoluer sur...200.000 ans. Le programme informatique s'appelle MechaTree.


Arbre virtuel obtenu par le logiciel MechaTree au bout de 200.000 ans (virtuels) de sélection

 Les arbres virtuels poussent à partir d'une graine, sont capables d'intercepter la lumière (ce qui modifie l'environnement pour les arbres qui poussent en dessous), répartissent les produits d'une photosynthèse virtuelle entre les différents organes, initient des branches, produisent des graines qui germent...etc...Les scientifiques peuvent déclencher des tempêtes qui cassent des branches, abattent des arbres, le tout simulé dans les règles de l'art par des biomécaniciens.

Les scientifiques ont utilisé les connaissances les plus récentes sur l'influence de la lumière et du vent sur le développement des arbres. Par exemple, un article récent avait montré que la localisation des nouvelles branches dépend de la lumière reçue et un autre article a montré que la croissance en épaisseur des branches est contrôlée par les déformations causées par le vent : un phénomène qui fait partie de la thigmomorphogenèse (= l'ensemble des réponses de croissance d'une plante à la suite d'une stimulation mécanique transitoire) et qui contrôle pour une bonne part la production de bois sous nos climats.

Les chercheurs ont introduit un polymorphisme distribué initialement au hasard (mime des mutations) en faisant varier des paramètres tels que la sensibilité à la lumière ou au vent, la distribution relative des produits de photosynthèse. Puis ensuite ils ont laissé agir la "sélection naturelle" dans leur programme avec des arbres poussant plus ou moins vite ou plus ou moins fragiles face aux tempêtes. A chaque génération d'arbres, ils ont réintroduit quelques modifications aléatoires (nouvelles mutations).

Et après avoir fait rouler le programme sur 200.000 ans virtuels, les chercheurs ont retrouvé des forêts...qui ressemblent aux forêts réelles avec les mêmes lois d'échelle. Par exemple, ils ont retrouvé ce qu'avait observé Léonard de Vinci : la somme des sections des branches portée par un tronc est égale à la section de ce dernier. Et ils ont retrouvé aussi une organisation générale avec des fractales de l'ordre de 2,5 comme dans la nature. 

Les chercheurs ont ainsi pu préciser les rôles joués par les différents paramètres dans l'évolution de la forme "arbre". La transparence du feuillage et la compétition pour la lumière sont les premiers déterminants de la nature fractale de la structure de l'arbre et la réponse au vent influence plutôt l'évolution du diamètre des branches. Les chercheurs indiquent qu'un paramètre avait été jusqu'à présent sur-estimé : la conduction de la sève brute et ses contraintes biomécaniques et hydrauliques. Leur modèle ne l'inclue pas et ils retrouvent pourtant des formes très proches des arbres réels.



D'après communiqué du CNRS

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