La lumière et le vent, un duo qui modèle les arbres
Une équipe pluridisciplinaire a simulé la croissance et l’évolution d’arbres virtuels sur 200 000 ans.
Léonard de Vinci avait remarqué que le diamètre d’un tronc d’arbre était égal à la somme des diamètres des branches. Comment expliquer ce type de relation ? Pour une équipe française de physiciens et de biologistes, c’est l’action conjointe du vent et de la lumière qui façonne à long terme la forme des arbres (1). Les chercheurs ont utilisé pour cela des simulations numériques prenant en compte de multiples facteurs. Deux principes sont habituellement avancés pour comprendre la forme des arbres. Le premier est de nature hydraulique : un arbre ne peut pas grandir indéfiniment sans nuire à la bonne conduction de la sève des racines vers les feuilles. Le second est mécanique : si un arbre produit une masse de branches trop importante, il risque de s’effondrer sous son propre poids. « Mais ces modèles ne prenaient pas en compte la compétition pour la lumière et l’impact du vent », explique Bruno Moulia, de l’Inra Auvergne. Pour en savoir plus, Bruno Moulia a collaboré avec des physiciens de l’École centrale de Marseille afin de mettre au point un monde virtuel où des arbres croissent, se reproduisent et meurent sur des milliers d’années. « Dans notre modèle informatique, les arbres virtuels sont capables d’intercepter la lumière, de répartir les produits de la photosynthèse entre organes, d’initier des branches en fonction de la lumière et du vent, mais aussi de produire des graines » , décrit le physicien Christophe Eloy. Le logiciel de simulation, baptisé MechaTree, intègre également des données météorologiques et des connaissances en biomécanique pour simuler la casse lors des tempêtes.
Une sélection naturelle… virtuelle !
« Nous avons alors ensemencé des centaines d’îles virtuelles baignées de soleil et de lumière avec des graines aux paramètres génétiques aléatoires », indique Bruno Moulia. Au cours de la simulation, les arbres germent, poussent, une forêt dense se développe. Les individus moins favorablement pourvus génétiquement disparaissent (loi d’auto-éclaircie), les autres grandissent et se reproduisent plus ou moins bien. Après des milliers d’heures de calcul, ce qui représente près de 200 000 ans de la vie d’une forêt, l’équipe a étudié les arbres survivants. Ils ont constaté que ces arbres et les forêts présentaient les lois observées par les ingénieurs forestiers : la loi d’auto-éclaircie, ou les liens entre la taille et le diamètre du tronc par exemple (la taille d’un arbre varie comme la puissance 2/3 du diamètre du tronc). « Ce fut une surprise de retrouver toutes ces lois dans ce modèle qui intègre seulement deux ingrédients, conclut Bruno Moulia. Cela montre que le couple lumière-vent joue un rôle crucial dans la forme des arbres. » Mathias Germain (1) C. Eloy et al., Nat. Commun., 8, 1014, 2017.