Source: The Conversation – France in French (2) – By Romain Garrouste, Chercheur à l’Institut de systématique, évolution, biodiversité (ISYEB), Muséum national d’histoire naturelle (MNHN)
L’ESSENTIEL
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Architecture, battement d’ailes, déplacements des individus les plus fragiles… les insectes sociaux, tels que les termites, les abeilles et les fourmis, adoptent diverses stratégies pour limiter la surchauffe de leurs nids lors des épisodes de surchauffes extrêmes.
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La ventilation naturelle à l’œuvre dans les termitières est souvent mentionnée comme source d’inspiration dans la conception de bâtiments mieux adaptés au changement climatique.
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En réalité, c’est moins la forme architecturale des termitières que nous devrions imiter que la façon dont les insectes tirent parti des conditions climatiques extérieures.
Lorsque la température extérieure dépasse 35 ou 40 °C, nous cherchons l’ombre, ouvrons les fenêtres pour ventiler ou mettons en marche ventilateurs et climatiseurs. Les insectes, dont la température corporelle dépend de celle de leur environnement, ne disposent évidemment d’aucune de ces technologies.
Fourni par l’auteur
Pourtant, certaines espèces maintiennent dans leur nid des conditions beaucoup plus stables que celles qui règnent à l’extérieur et s’adaptent aux variations climatiques saisonnières, notamment sous les tropiques. Cette maîtrise est particulièrement spectaculaire chez les termites, les fourmis, les abeilles et certaines guêpes sociales. Le nid n’est pas seulement un abri contre les prédateurs ou les intempéries : il constitue une structure collective qui agit sur la température, l’humidité et la composition de l’air à l’intérieur.
Dans la colonie, les insectes construisent un véritable microclimat protégeant la reine, les ouvrières/ouvriers, les œufs et les larves, les réserves alimentaires (comme le miel), mais aussi, chez certaines espèces de termites ou de fourmis, les champignons cultivés à l’intérieur de la colonie. Cette « climatisation » naturelle associe l’architecture du nid aux comportements coordonnés de centaines, de milliers, voire de millions d’individus.
Le défi thermique des sociétés d’insectes
Contrairement aux oiseaux et aux mammifères, les insectes sont ectothermes, c’est-à-dire qu’ils ne peuvent pas maintenir individuellement une température interne constante. Leur activité, leur développement et leur survie sont donc étroitement liés aux conditions extérieures.
Une chaleur excessive augmente leurs pertes en eau et peut perturber le fonctionnement de certaines protéines, des membranes cellulaires et du système nerveux. Les œufs, les larves et les nymphes, incapables de se déplacer librement, sont particulièrement vulnérables. Chez les insectes sociaux, cette difficulté est accentuée par la concentration d’un grand nombre d’individus dans un espace fermé. Leur respiration consomme de l’oxygène et produit de la chaleur, du dioxyde de carbone et de la vapeur d’eau.
La colonie doit donc résoudre plusieurs problèmes simultanément : évacuer l’excès de chaleur, renouveler l’air, conserver suffisamment d’humidité et empêcher le dessèchement des jeunes, tout en se protégeant de l’extérieur, maintenir un accès vers l’extérieur pour se nourrir. Chez les termites et les fourmis qui cultivent des champignons, elle doit également maintenir les conditions nécessaires au développement de leur partenaire symbiotique.
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La termitière, une architecture complexe et respirante
Les grandes termitières d’Afrique, d’Asie ou d’Australie, totalement ou partiellement souterraines, sont souvent présentées comme des systèmes de climatisation naturelle. L’image est séduisante, mais doit être nuancée : toutes les termitières ne fonctionnent pas selon le même principe. Leur architecture et leur ventilation varient selon les espèces, la nature du sol et le climat.
Scott Turner
Chez Macrotermes michaelseni, un termite africain qui cultive des champignons du genre Termitomyces, le nid souterrain est associé à un monticule parcouru par un réseau complexe de conduits.
La colonie et le champignon produisent continuellement de la chaleur et du dioxyde de carbone. Les échanges gazeux sont notamment favorisés par les variations de température entre la périphérie et le centre de la termitière.
Une étude sur cette espèce, réalisée en Namibie, a montré que les oscillations thermiques quotidiennes provoquent une inversion régulière des courants d’air. Pendant la journée, la périphérie du monticule se réchauffe plus vite que son centre ; la nuit, elle se refroidit également plus rapidement. Ces différences de température et de densité de l’air alimentent une circulation cyclique qui contribue à évacuer le dioxyde de carbone et l’excédent de chaleur accumulé dans le nid.
La termitière n’impose donc pas nécessairement une température parfaitement constante. Elle tire parti de l’alternance entre le jour et la nuit comme moteur d’une ventilation passive. Le vent peut aussi créer des différences de pression entre plusieurs parties du monticule et favoriser les échanges d’air à travers les ouvertures et les parois poreuses.
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Des termitières poreuses et autoréparatrices
Chez le termite asiatique Odontotermes obesus, également cultivateur de champignons, la termitière possède une organisation en deux couches.
Daniel Arias-Cruzatty, CC BY-NC
Son cœur est relativement dense et résistant tandis que sa périphérie est plus poreuse et plus perméable à l’air. Cette disposition concilie deux contraintes apparemment opposées : construire un édifice mécaniquement stable tout en permettant sa ventilation.
Les pores et les capillaires de la paroi contribuent aussi à retenir l’eau. L’intérieur des termitières peut ainsi conserver une humidité très élevée, indispensable aux termites comme à leurs jardins fongiques, tout en maintenant des températures plus modérées que celles de la surface.
Ces propriétés ne résultent pas seulement de la forme générale du monticule. Elles dépendent de la taille des particules de terre, de la porosité, de l’épaisseur des parois et de la manière dont les ouvriers mélangent le sol avec de l’eau et des sécrétions.
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À noter aussi qu’une termitière n’est jamais achevée. Les ouvriers construisent, bouchent ou rouvrent des galeries en fonction des courants d’air, de l’humidité et des concentrations en gaz qu’ils rencontrent. On s’en aperçoit en égratignant l’édifice pour vérifier s’il est habité : en général, les soldats sortent les premiers pour sécuriser le périmètre agressé, les ouvriers suivent pour colmater la brèche, en quelques minutes selon son ampleur. Aucun termite ne possède pourtant un plan général de l’édifice.
La construction repose sur la stigmergie : le résultat d’une première action devient le signal qui déclenche les suivantes. Une accumulation de terre, une irrégularité de la paroi ou un courant d’air modifié incitent d’autres ouvriers à déposer de nouveaux matériaux au même endroit. De même qu’un organisme utilise ses organes pour réguler son milieu intérieur, la société de termites régule son environnement grâce aux parois, aux galeries et à l’activité coordonnée de ses membres.
Les abeilles battent des ailes pour ventiler la ruche
L’abeille domestique, Apis mellifera, emploie une stratégie beaucoup plus active. Pour que le couvain se développe normalement, la zone centrale de la colonie est généralement maintenue dans une plage thermique étroite, entre 33 à 36 °C.
Lorsque la ruche chauffe, certaines ouvrières se placent près de son entrée et battent rapidement des ailes. Elles créent ainsi un courant d’air qui renouvelle l’atmosphère du nid et évacue une partie de la chaleur et du dioxyde de carbone.
L’organisation spatiale des ventileuses est collective :
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celles-ci se répartissent autour des ouvertures et orientent leur corps de manière à produire un flux d’air cohérent ;
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d’autres abeilles collectent de l’eau, qu’elles distribuent sous forme de fines gouttelettes sur les rayons ou dans les cellules. L’évaporation de cette eau absorbe de l’énergie et refroidit l’intérieur de la ruche selon un principe comparable à celui de la transpiration.
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Lors des épisodes très chauds, une partie des ouvrières peut également quitter temporairement l’intérieur et former une « barbe » d’abeilles à l’extérieur. Cette évacuation réduit la densité d’individus et la production de chaleur dans le nid.
Des expériences récentes montrent cependant que ces mécanismes ont des limites : lorsque la température extérieure augmente fortement, toutes les zones de la ruche peuvent s’approcher de 40 °C, malgré l’intensification de la ventilation et de la collecte d’eau.
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Plutôt que de refroidir tout le nid, les fourmis déplacent leur couvain
Les fourmis exploitent souvent les différences de température entre les différentes chambres de la fourmilière. Plus celles-ci sont proches du sol, plus les variations thermiques quotidiennes sont atténuées. Les ouvrières peuvent donc transporter les œufs, les larves et les nymphes vers les secteurs offrant les conditions les plus favorables. Chez la fourmi Camponotus rufipes, par exemple, les ouvrières chargées du couvain détectent l’élévation des températures et déplacent les jeunes vers des chambres plus fraîches.
Les fourmis champignonnistes doivent aussi protéger le champignon dont elles se nourrissent. Chez Acromyrmex heyeri, les ouvrières déplacent le couvain et les jardins fongiques le long des gradients thermiques pour les placer dans la gamme de température la plus favorable à la croissance du champignon. Chez Atta sexdens rubropilosa, elles recherchent également les zones les plus humides.
Plutôt que de maintenir toutes les chambres à une température uniforme, ces fourmis exploitent ainsi l’hétérogénéité du nid. Le contrôle thermique repose sur la mobilité : les individus, le couvain et les cultures fongiques sont transportés vers le microclimat approprié.
Des climatiseurs naturels, mais pas infaillibles : les limites de la bio-inspiration
Les insectes sociaux nous montrent ainsi qu’un habitat peut être conçu non comme une enceinte isolée du climat, mais comme une interface dynamique utilisant l’air, l’eau, le sol et leurs variations thermiques pour limiter la surchauffe. Pourrait-on s’inspirer des fourmilières, ruches et autres termitières ?
Les termitières, par exemple, sont régulièrement citées comme modèles pour concevoir des bâtiments nécessitant moins de climatisation mécanique. Leur ventilation passive, leur inertie thermique, leur porosité et la façon dont elles tirent parti des variations circadiennes offrent effectivement des pistes pour l’architecture biomimétique.
Mais une termitière n’est pas un immeuble miniature. Sa structure fonctionne parce qu’elle est en permanence réparée et modifiée par ses habitants. Copier sa seule architecture ne suffit donc pas à reproduire son fonctionnement. De plus, une ventilation fondée sur l’alternance thermique entre le jour et la nuit perd en efficacité lorsque les nuits restent très chaudes. Le refroidissement par évaporation devient plus difficile en période de sécheresse, tandis que les déplacements vers les profondeurs sont limités par l’oxygène disponible, l’humidité du sol et l’accumulation de dioxyde de carbone.
L’intensification des canicules pourrait pousser ces systèmes, perfectionnés par des millions d’années d’évolution, au-delà des conditions dans lesquelles ils peuvent encore protéger efficacement leurs habitants. Lorsque les températures extrêmes se prolongent et que les nuits restent chaudes, même des architectures sélectionnées pendant des millions d’années ou des millénaires d’adaptations traditionnelles peuvent atteindre leurs limites.
La principale leçon offerte par les insectes sociaux est peut-être moins une forme architecturale à répliquer de façon précise qu’un principe : au lieu de lutter contre les variations du climat extérieur par des moyens purement technologiques tels que la climatisation, leurs constructions utilisent les conditions climatiques. Vent, alternance entre le jour et la nuit, inertie du sol, circulation de l’eau et évaporation deviennent les leviers d’un système de régulation low-tech.
C’est peut-être ce principe dont il nous faut, aussi et surtout, nous inspirer dans toutes les étapes de la transition écologique pour lutter contre le réchauffement climatique.
Romain Garrouste a reçu des financements du MNHN, CNRS, Sorbonne Université et Alliance Sorbonne Université, ANR, MRES, METE, MRAE, IPEV, LABEX BCDiv et CEBA, MITI CNRS, National Geographic, WWF ; Romain Garrouste est membre de la Société des Explorateurs Français (SEF).
– ref. Termites, abeilles, fourmis… comment les insectes sociaux « climatisent » leurs nids – https://theconversation.com/termites-abeilles-fourmis-comment-les-insectes-sociaux-climatisent-leurs-nids-289728