Arduicioles

Le projet des Arduicioles est né à l’occasion de la Fête de la Science 2015 dont le thème était la lumière. La poésie de la nature, s’exprimant par exemple au travers du comportement social de certaines espèces d’insectes, n’a de cesse d’en laisser certains d’entre nous songeurs. L’idée a alors émergé de reproduire le phénomène de synchronisation rencontré chez certaines espèces de lucioles, en utilisant de petit controlleur arduino. Les arduicioles étaient nées, voici leur histoire.

Partagez notre rêve

Nous vous proposons un voyage immobile dans l’atrium de la bibliothèque peuplé de ballons auxquels nos arduicioles sont accrochées. Avec un peu de rêve vous voilà transporté en pleine mangrove où des êtres bizarres rythment le temps avec leurs flashs. Imaginez des arbres de 10 à 12 mètres de hauteur, aux feuillages denses formés de petites feuilles ovales, portant chacune une luciole, toutes les lucioles émettant leur lumière au rythme de trois éclairs toutes les deux secondes, dans un synchronisme parfait, l’obscurité étant totale entre les éclairs. Nous vous invitons de l’autre côté du miroir.


Arduicioles

Petites lucioles électroniques mâles tentant d’échapper à la gravité accrochées à leur ballon, fabriquées à partir de contrôleurs électroniques arduinos couplés à des leds. Ces créatures artificielles sont capables de clignoter en rythme et de se synchroniser toutes ensemble.

Biologie luciolesque

Luciole (lampyridae)

La luciole fait partie d’une famille de coléoptères capables de produire de la lumière. L’énergie lumineuse est produite à partir d’énergie chimique. Selon les espèces la lumière émise varie du vert au rouge (longueur d’onde de 510 à 670 nanomètres). Chez la luciole l’émission d’un flash périodique au niveau de l’abdomen sert à attirer un partenaire lors de la reproduction.

Quand les mâles s’allument pour les femelles

Les lucioles ont recours à la bioluminescence pour une raison précise : trouver son partenaire pour se reproduire. Le clignement et l’intensité de la lumière sont propres à chaque espèce de luciole. Le mâle vole à la recherche d’une compagne qui l’attend patiemment dans l’herbe. En synchronisant leur flash, les mâles s’identifient comme membre de leur espèce, ce qui permet aux femelles de cette même espèce de mieux réagir et de trouver le partenaire approprié.

Mécanisme de la bioluminescence

La bioluminescence est la capacité d’un être vivant à produire et émettre de la lumière. Les lucioles produisent en permanence de la luciférine qui s’oxyde sous l’effet d’un catalyseur. Lorsqu’un seuil est atteint, un flash de lumière se produit. (Luciférine + ATP) + (Luciférase + O²) => Oxyluciférine + Photons

D’autres êtres vivants luminescents

On compte environ 700 genres différents d’organismes vivants luminescents allant des bactéries jusqu’aux vertébrés, pour divers rôles.

Piéger, c’est ce que font certains poissons des profondeurs abyssales qui balancent au dessus de leur tête un petit appendice lumineux. Les proies sont attirées par la lumière, et le prédateur s’en saisit.

Communiquer, chez les lucioles pour les parades sexuelles, mais également chez certains vers marins (les polychètes), les femelles montent en surface où elles déposent leurs œufs avec un liquide lumineux, puis les mâles les rejoignent en émettant des éclairs de lumière pour libérer leur sperme dans un nuage lumineux.

Se protéger en émettant des éclairs lumineux pour faire fuir les prédateurs ; ou en libérant des élytres lumineuses, sur lesquelles s’attardent les prédateurs, pour prendre le temps de fuir. Ou bien encore en illuminant sa face ventrale afin de se fondre dans la lumière du jour en arrière plan et ainsi se confondre avec la surface de la mer.

Synchronisation

Action de coordonner ou de rendre simultanées plusieurs opérations entre elles en fonction du temps. Du grec 𝜎𝜐𝜈 (avec) et 𝜒𝜌𝜊𝜈𝜊𝜍 (temps)

Histoire : les horloges de Huygens

En 1665, Christiaan Huygens observe les pendules de deux horloges fixées sur un même mur. Même si les positions de départ ne sont pas les mêmes, les pendules finissent par synchroniser. Le mur sur lequel telles étaient fixées leur permettait de communiquer.

Exemples biologiques

Dans le coeur : la synchronisation des cellules cardiaques assure une bonne activité du coeur. Afin d’assurer cette synchronisation, il existe un pacemaker naturel du coeur, le noeud sinusale, localisé dans l’oreillette droite, qui envoie au reste du coeur un signal électrique. Ce signal permettant à toutes les cellules cardiaques de communiquer et de se synchroniser. Des troubles du rythmes peuvent survenir et l’utilisation d’un pacemaker artificiel ou d’un défibrillateur peut permettre un retour à la normale de l’activité cardiaque.

Dans la tête : Le bon (ou mauvais) fonctionnement du cerveau dépend de la synchronisation de neurones au sein de réseaux. C’est le cas de la perception visuelle ou de l’épilepsie:

  • La perception visuelle : Les objets représentés dans le cortex visuel le sont grâce à des groupes de neurones ayant un comportement synchronisé. Par exemple, si on regarde un bateau bleu à côté d’un phare rouge, il y aura un groupe de neurones coordonnés donnant l’image du bateau, tandis que d’autres donneront les informations concernant le phare. Le comportement des deux ensembles de neurones sera decalé afin de pouvoir percevoir deux objets distincts.
  • L’épilepsie est une maladie neurologique causée par un dysfonctionnement du cerveau ; on peut presque dire qu’il « court-circuite ». La synchronisation des neurones est une propriété intrinsèque des réseaux neuronaux, mais pendant une crise d’épilepsie il semblerait y avoir une hyper synchronisation, c’est-à-dire qu’il y a un groupe trop nombreux de neurones qui se synchronisent entre eux.

Dans le pancréas : les îlots de langerhans sont des cellules qui produisent des hormones, dont l’insuline. Il est important que ces cellules se synchronisent pour sécréter l’insuline de façon coordonnée au moment des repas et pour arrêter cette sécrétion de façon coordonnée après les repas. Un dysfonctionnement de cette synchronisation peut entraîner une baisse trop importante du taux de sucre dans le sang, ce qui peut devenir mortelle.

Dans une journée : le comportements des hommes et des animaux est characterisé par un cycle d’activité et de repos de 24h. Ce cycle (appelé rythme circadien) répresente l’adaptation des organismes à un stimulus environnemental, c’est-à-dire le cycle quotidien de lumière et noir.

Dans la nature : L’espèce de grillon Oecanthus fultoni est une espèce très présente aux Etats-Unis. Ces insectes stridulent (chantent) en frottant leurs ailes antérieures (élytres) l’une contre l’autre de façon très régulière. En groupe, ils sont capables de synchroniser leurs chants avec ceux de leurs voisins.

Pour aller plus loin…

On peut voir la synchronisation comme un ajustement des rythmes d’oscillateurs en raison de leur interaction. Un oscillateur en général est un système qui a un comportement périodique dans le temps et l’exemple le plus connu est le pendule.

L’evolution dans le temps d’un tel système peut être décrite par une équation, dite différentielle : dx/dt = f(x)

On peut considèrer un deuxième système : dy/dt = f(y)

et supposer que le premier système influence le comportement du second : dx/dt = f(x) dy/dt = f(y) + kg(x)

Le terme kg(x) représente la façon dont les deux systèmes intéragissent entre eux (on parle de terme de couplage). En particulier, k correspond à la force de couplage entre les deux systèmes. Si cette force est suffisamment importante, les deux systèmes peuvent se synchroniser.

A plus grand échelle, si beaucoup de systèmes communiquent entre eux (réseaux), il est également possible que tous les éléments du réseau synchronisent.

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