Fourmis ouvrières au pouvoir

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Qui dit fourmis pense souvent « reine et ouvrières ». Pourtant, plusieurs espèces de fourmis n'ont pas de reine. Les ouvrières sont en compétition pour la reproduction, d'où des possibilités de conflits. Des alliances entre fourmis de haut et de bas rang aident à la régulation.

Abeilles, bourdons, guêpes et fourmis : autant d'insectes célèbres pour la coopération qui règne au sein de leurs colonies. Celles-ci sont généralement structurées autour d'une reine reproductrice entourée d'ouvrières assumant les autres tâches. Toutefois, il existe des espèces d'insectes sociaux dépourvues de reine. C'est le cas de 100 à 150 espèces de fourmis, soit 1 % des 12 000 espèces décrites.

La reproduction incombe alors aux ouvrières, qui se trouvent en concurrence. Dans ce contexte, les conflits potentiels sont encore plus nombreux que dans les sociétés avec reine. Quels mécanismes l'évolution a-t-elle sélectionnés pour que les conflits entre individus ne prennent pas le pas sur l'intérêt collectif ?

L'existence des fourmis sans reine est restée inconnue

jusque dans les années 1920. Pourtant, les entomologistes disposaient d'indices indirects indiquant leur existence. En effet, alors que les reines se différencient des ouvrières par un thorax beaucoup plus gros et par un abdomen plus volumineux, ils avaient souvent échoué à récolter les reines de nombreuses espèces. Mais ils supposaient que ces reines avaient une morphologie proche de celle des ouvrières : « La femelle [la reine] de Diacamma [un des genres de fourmis sans reine] ressemble aux ouvrières au point d'être confondue avec elles », proposait en 1911 l'entomologiste italien Carlo Emery. Toutefois, son confrère américain William Morton Wheeler évoqua dès 1915 la possibilité qu'il n'y ait pas de reine chez cette espèce, mais des ouvrières fertiles. Une supposition confirmée quelques années plus tard, quand Wheeler et Chapman observèrent chez Diacamma rugosum l'accouplement d'une ouvrière semblable aux autres ouvrières de la colonie [1] .

Nos connaissances sur les fourmis sans reine restèrent limitées à ces observations anecdotiques jusqu'à l'étude systématique menée par l'un d'entre nous (Christian Peeters) sur Ophthalmonopone berthoudi en Afrique, au début des années 1980 [2] . La dissection de 1 373 ouvrières de plusieurs colonies montra qu'elles étaient rigoureusement identiques, avec des ovaires et une spermathèque * fonctionnels. Il apparut également que, dans chaque colonie, quelques ouvrières s'étaient accouplées et reproduites. Ces ouvrières reproductrices reçurent le nom de gamergates.

Toutes les ouvrières étant des gamergates potentielles, restait à comprendre pourquoi et comment certaines d'entre elles accédaient à ce statut. Il ne faisait nul doute que ce processus impliquait la résolution de conflits divers. Par exemple, ceux opposant la gamergate à des ouvrières voulant la supplanter, ou ceux opposant les ouvrières entre elles, après la mort d'une gamergate.

Agressions au laboratoire

Les deux espèces de fourmis sans reine Dinoponera quadriceps, qui vit en Amérique du Sud, et Streblognathus peetersi, que l'on trouve en Afrique du Sud, semblaient de parfaites candidates pour lever ces incertitudes. Elles présentent en effet des caractéristiques propices à la récupération des colonies sur le terrain, et à leur étude en laboratoire : les colonies sont petites (76 ouvrières chez Dinoponera , 95 chez Streblognathus ), et les ouvrières sont parmi les plus grandes au monde (respectivement trois et deux centimètres, pattes et antennes exclues).

Après excavation complète de nids souterrains, nous avons transféré les colonies en laboratoire, et marqué les fourmis d'une pastille colorée. Il apparut immédiatement que les agressions étaient nombreuses et diverses [3] . De plus, ces interactions, qui impliquent le plus souvent deux fourmis, sont asymétriques : dans une paire donnée, l'une des fourmis domine l'autre. Cette dominance est stable, la fourmi dominante le restant généralement tout au long de l'étude, soit plusieurs mois. Les observations menées sur ce laps de temps ont permis de mettre en évidence une hiérarchie de dominance quasi linéaire, qui règle la reproduction. L'unique gamergate occupe le premier rang, dit alpha.

Un peu au-dessous, quelques ouvrières de haut rang, appelées par importance décroissante bêta, gamma et delta, aspirent à lui ravir sa place de reproductrice.

Dans un premier temps, le plus important était d'identifier les comportements permettant à alpha d'être la seule à s'accoupler, et le nombre de ses partenaires mâles. En effet, les conflits d'intérêt potentiels dépendent du degré de proximité génétique qui existe entre individus. Or, chez les hyménoptères, cette proximité est en grande partie définie par une singularité reproductive : les femelles sont issues d'oeufs fécondés, et les mâles, d'oeufs non fécondés. La proximité génétique entre membres d'une colonie dépend donc en partie du nombre de mâles fécondant la reproductrice (lire « Structure génétique des colonies », p. 61).

Chez plusieurs colonies de Dinoponera quadriceps où la gamergate était morte, nous avons constaté que la femelle qui avait pris son rang (généralement bêta ) effectuait de courtes sorties nocturnes à proximité immédiate du nid, contrairement aux ouvrières de haut rang qui ne courent jamais ce risque de s'exposer aux prédateurs et aux parasites ! En toute hypothèse, cette nouvelle alpha cherchait à s'accoupler. Nous avons alors placé un mâle d'une autre colonie à proximité. Il s'est immédiatement dirigé vers alpha, et ils se sont accouplés. Nous avons vite constaté que seule alpha s'accouple, qu'elle le fait une seule fois dans sa vie et uniquement avec un mâle d'une autre colonie. Inversement, les mâles sont exclusivement attirés par alpha. Par ailleurs, alpha fuit les mâles après son premier accouplement : celui qui l'a fécondée obtient ainsi la paternité de toutes les femelles qu' alpha - devenue gamergate - enfante par la suite [4] . Une fois la nouvelle gamergate en place, ses premières filles deviennent très rapidement les ouvrières de haut rang. Et comme la gamergate vit beaucoup plus longtemps que les ouvrières, elle ne cohabite avec ses soeurs que pendant un bref laps de temps, lors de son accession au pouvoir. Par la suite, elle vit entourée de ses filles.

Produire des mâles

Les colonies de Dinoponera quadriceps, ainsi que celles de Streblognathus peetersi et Diacamma cyaneiventre [5] , ont donc l'ascendance génétique la plus simple qui soit : une seule mère et un seul père. Mais les ouvrières de ces espèces peuvent toutes, quel que soit leur rang (et pour autant qu'elles ne soient pas trop âgées), pondre des oeufs non fécondés donnant naissance à des mâles. On décèle par conséquent un conflit d'intérêt pour la production de ces derniers. La structure génétique des colonies est en effet telle que chaque ouvrière est gagnante si elle pond des mâles elle-même, et, dans une moindre mesure, si elle laisse cette tâche à ses soeurs ouvrières. Mais elle est perdante si elle laisse faire sa mère. En effet, sa proximité génétique est de 50 % avec ses fils, de 37,5 % avec ses neveux, et de 25 % avec ses frères. Alpha, en revanche, gagne à produire les mâles elle-même [6] .

De la gamergate ou de ses filles qui gagne ? Et comment ? La réponse est venue de l'examen des pontes et du devenir des oeufs, ainsi que de la dissection des ovaires et de la spermathèque de toutes les ouvrières : la hiérarchie règle la ponte de tous les oeufs, y compris non fécondés. Chez Streblognathus peetersi , seule la gamergate pond. En revanche, chez Dinoponera quadriceps, elle n'a pas le monopole de la production des oeufs mâles : l'ouvrière bêta pond régulièrement (mais elle est nettement moins fertile), tandis que les ouvrières gamma et delta pondent quelques rares oeufs et que les ouvrières de rang inférieur à delta ne pondent jamais. Ces observations sont corrélées à l'état des ovaires, pleinement actifs chez alpha - la présence de nombreux ovocytes en témoigne -, moins actifs chez bêta, et totalement inactifs chez les ouvrières de bas rang. Alpha obtient néanmoins le quasi-monopole de la reproduction, car elle reconnaît les oeufs des ouvrières à leur odeur différente des siens, et en mange les trois quarts [7] . Il est possible que ce mécanisme de détection et d'élimination observé chez Dinoponera soit si efficace chez Streblognathus que les ouvrières de cette espèce n'ont plus aucun avantage évolutif à pondre.

Chez Dinoponera , ce mécanisme de reconnaissance découle de la présence, à la surface des oeufs, d'un hydrocarbure nommé 9-hentricontène. Comme alpha en produit bien plus que ses subordonnées, ses oeufs en sont abondamment couverts, ce qui lui permet de distinguer à coup sûr sa production de celle des ouvrières. Inversement, les ouvrières sont capables de reconnaître les oeufs produits par alpha. Et elles gagneraient à détruire ses oeufs mâles. Le problème est qu'elles ne peuvent les distinguer de ses oeufs femelles, car tous ont la même odeur. Or, elles ne peuvent pas courir le risque de détruire des oeufs femelles.

Les signaux chimiques trouvent là une première démonstration de leur importance dans la gestion des conflits. Mais ce n'est pas la seule, loin de là. Ils interviennent aussi dans le maintien ou le remplacement de la gamergate , qui, lorsqu'elle vieillit, est remplacée par l'une de ses filles.

L'odeur de la fertilité

En utilisant des techniques d'analyse chimique non destructives, nous avons montré que, dans chaque colonie, alpha, les ouvrières de haut rang, les jeunes ouvrières et les fourrageuses * ont des odeurs différentes, qui sont fonction de dizaines d'hydrocarbures présents à la surface de leur cuticule [8] . Or, si l'on retire la gamergate , la femelle, généralement bêta , qui accède au rang alpha (et devient gamergate lorsqu'elle s'accouple), acquiert graduellement et rapidement l'odeur caractéristique d'une pondeuse pleinement fertile [9] . Cette odeur est identique dans toutes les colonies. Elle pourrait donc être un signal honnête indiquant que l'ex- bêta devenue gamergate est apte à produire suffisamment d'oeufs pour la colonie.

Que se passe-t-il si l'expérimentateur, au lieu de retirer la gamergate, laisse faire les fourmis ? Chaque ouvrière de haut rang ayant une possibilité de remplacer alpha gagnerait à le faire plutôt que de laisser cette opportunité à l'une de ses soeurs.

Au contraire, les ouvrières de bas rang ont intérêt à empêcher le remplacement d' alpha tant que celle-ci remplit sa fonction de reproductrice, car elles ne peuvent devenir alpha elles-mêmes. Logiquement, elles ont donc intérêt à s'allier avec alpha [6] .

Nous avons récemment mis en évidence la façon dont la gamergate maintient sa prééminence chez Dinoponera quadriceps [10] . Lorsqu'une ouvrière de haut rang cherche à la remplacer, alpha badigeonne l'intrigante d'une sécrétion chimique émise par son aiguillon, puis s'éloigne. Cette sécrétion déclenche l'attaque, par les ouvrières de bas rang, de l'ouvrière marquée. Elles l'immobilisent pendant plusieurs heures, et fréquemment plusieurs jours, en se relayant. Lorsque les ouvrières relâchent leur victime, celle-ci a perdu son haut rang, et donc toute possibilité future de devenir alpha. Seule la gamergate produit cette sécrétion chimique, dont la synthèse est probablement liée à l'état hormonal caractéristique d'une femelle fertile.

La convergence d'intérêts entre alpha et les ouvrières de bas rang stabilise la structure sociale de la colonie, en empêchant de trop fréquents changements

d' alpha. Mais les ouvrières agissent toujours en fonction de leurs propres intérêts : elles laissent bêta supplanter alpha lorsque celle-ci vieillit, allant jusqu'à immobiliser cette dernière. Ce retournement est probablement lié à la baisse de fertilité d' alpha. En effet, certains de nos collaborateurs ont montré, chez une espèce proche de Dinoponera, que lorsqu'on soumet alpha à un traitement hormonal diminuant sa fertilité, cela provoque son immobilisation par les ouvrières de bas rang, et accélère la différenciation d'une ouvrière de haut rang en nouvelle alpha [11] . Bien qu'elles aient un statut inférieur dans la hiérarchie de dominance, les ouvrières

de bas rang gouvernent donc en grande partie le remplacement d' alpha .

Chez les fourmis sans reine, les conflits potentiels sont donc contenus, ou leurs coûts minimisés, par des mécanismes de contrôle tels que la reconnaissance et la destruction des oeufs d'ouvrières, ou le marquage et l'immobilisation de la challenger. Or, le mode d'organisation de ces fourmis, avec des adultes tous capables de se reproduire, mais dont la majorité ne le fait pas, n'est pas restreint à ces insectes. Il existe entre autres chez certains mammifères , dont les loups, les lycaons, et les mangoustes naines : un couple dominant engendre la plupart des petits, tandis que les autres membres du groupe en prennent soin [12] . Ces sociétés sont elles aussi le siège de conflits, où les individus aspirent au statut de reproducteur. Peut-on pour autant se servir des fourmis comme « modèle » explicatif ? Oui, dans une certaine mesure : les conflits sont prédictibles en faisant appel aux mêmes théories, par exemple la sélection de parentèle. Toutefois, ils tendent à être réglés différemment, en raison des différences dans l'histoire évolutive de ces groupes. Plaquer directement sur les uns les résultats obtenus chez les autres serait faire vraiment peu de cas de la diversité du vivant.

En deux mots Dès 1915, l'entomologiste William Morton Wheeler évoque l'existence de fourmis sans reine. Leur existence ne sera démontrée que dans les années 1980. Aujourd'hui, on sait que la hiérarchie régissant ces colonies est linéaire, avec à sa tête une ouvrière dominante, dite alpha, des ouvrières de haut rang, et des ouvrières de bas rang. Seule alpha s'accouple, et pond des oeufs femelles. Le maintien de cette dominance résulte d'alliances nouées entre alpha et les ouvrières de bas rang, alliances qui se dénouent dès qu' alpha n'est plus assez fertile.

Thibaud Monnin et Christian Peeters

Patrimoine : Structure génétique des colonies

La reproduction des fourmis et des autres hyménoptères sociaux est dite « haplodiploïde » : les mâles, issus d'oeufs vierges, ne possèdent qu'un seul jeu de chromosomes (ils sont haploïdes) ; les femelles, issues d'oeufs fécondés, possèdent deux jeux de chromosomes (elles sont diploïdes). Quant aux gamètes mâles et femelles, ils contiennent chacun un seul jeu de chromosomes. Les spermatozoïdes véhiculent donc 100 % du patrimoine génétique paternel et sont tous identiques, tandis que les ovocytes ne véhiculent que 50 % du patrimoine maternel, et diffèrent les uns des autres. Cela régit les similarités génétiques entre membres de la colonie. Sur le schéma ci-contre, les chiffres associés aux flèches en pointillés indiquent le pourcentage de similarité génétique entre les individus ainsi reliés, dans une colonie où la femelle reproductrice est fécondée par un unique mâle. © infographie sylvie dessert

source : http://www.larecherche.fr/content/recherche/article?id=7775