Pourquoi la bruyère s’auto-organise-t-elle en motifs ondulés ? Une enquête mathématique |

Toyo VignalInstitut des sciences et technologies d’Okinawa au Japon, discute de son article : Survivre aux vents grâce à la formation de motifs : modélisation mathématique des rayures de bruyère en Écosse.

Dans certaines zones reculées des Highlands écossais, on peut rencontrer des modèles de végétation intrigants composés de plantes régulièrement disposées et de sol nu. La première fois que j’ai rencontré de tels schémas, c’était à l’été 2021, alors que j’explorais Papa Stour, une petite île isolée des Shetland.

De toute évidence, la couverture végétale présentait une structure inhabituelle. C’était surtout de la bruyère, que je reconnaissais à ses petites fleurs en forme de cloche. Compte tenu de l’emplacement isolé, ce modèle était très probablement une forme d’auto-organisation, c’est-à-dire que les plantes s’organisaient spontanément de cette façon. Cela m’a particulièrement intéressé, en tant que doctorant en mathématiques encadré par des experts en modélisation de la formation des modèles de végétation, et personnellement passionné par ce sujet.

Les modèles existants que je connaissais consistaient en des équations décrivant comment la végétation des zones arides pouvait s’auto-organiser selon des modèles étonnamment réguliers en réponse à la pénurie d’eau. Les équations et leur analyse s’appuient sur les travaux fondateurs d’Alan Turing (oui, THE Alan Turing) sur la formation de modèles. Dans 1952Turing a montré comment des interactions simples peuvent donner naissance à des modèles naturels complexes. Dans les écosystèmes secs, les plantes s’entraident en augmentant l’infiltration de l’eau dans le sol et se disputent également l’eau, ce qui donne lieu à des motifs de taches, de lacunes, de rayures ou de labyrinthes, ressemblant à des empreintes sur le pelage des animaux.

Bien que le motif de bruyère de Papa Stour soit visuellement similaire à celui des zones arides, les Shetland sont loin d’être arides. Il est certain que la pénurie d’eau ne pourrait pas être à l’origine de ces tendances. J’ai plongé dans la littérature scientifique à la recherche de toute mention des « rayures de bruyère » en Écosse, à la recherche d’une explication alternative. Je n’ai pas trouvé grand chose, mais ce que j’ai trouvé était bon. Il y avait un Article du Journal of Ecology de 1984 rédigé par Neil Bayfield. Sur la deuxième page, il y avait une image de motifs encore plus remarquables que ceux que j’avais vus aux Shetland. Celles-ci ont été observées dans les Cairngorms, un parc national écossais. Plus intéressant encore, les rayures bruyères migrent lentement, environ un centimètre par an ! Bayfield a émis l’hypothèse que les configurations étaient causées par des vents forts et se déplaçaient dans la direction des vents dominants. Cela semblait assez probable, car les Cairngorms et les Shetland se disputent le record de la plus forte rafale de vent jamais mesurée au Royaume-Uni, les instruments de mesure étant souvent emportés ou détruits. Pourtant, de nombreuses questions restaient en suspens. Par quels mécanismes le vent pourrait-il entraîner la formation et le mouvement des modèles ? Comment sont nés les motifs : ont-ils nécessité un pré-modelage du sol ? Et enfin, qu’est-ce qui ferait disparaître ces schémas ?

C’était la configuration parfaite pour un modèle mathématique. En écrivant des équations décrivant l’interaction entre la végétation, le vent et le sol, et en suivant l’analyse introduite par Alan Turing, j’ai pu tester si certains mécanismes proposés étaient suffisants pour déclencher la formation de modèles. De plus, des simulations numériques me permettraient de tester les effets de différentes vitesses de vent ou d’autres facteurs environnementaux. Les résultats ont été très clairs : oui, quelques interactions simples entre le vent, la végétation et l’érosion du sol provoquée par le vent, ainsi que la capacité de la bruyère à stabiliser le sol et l’abri fourni par les petites crêtes, ont suffi à générer ces modèles. Cela suggère que la bruyère agit comme un « ingénieur des écosystèmes », façonnant son environnement en emprisonnant le sol et en créant des abris où elle peut persister sous des vents extrêmes. Les équations ont également démontré que des motifs pouvaient se produire sur un sol initialement plat, car aucun motif préalable du sol n’était requis. Il y avait une vitesse de vent minimale au-dessus de laquelle des motifs commençaient à se former, et une vitesse de vent maximale au-dessus de laquelle seul le sol nu subsistait. Comme on pouvait s’y attendre intuitivement, notre modèle a montré que la vitesse de migration des motifs augmentait avec la vitesse du vent et que des vents plus forts entraîneraient une diminution de l’amplitude, de la fréquence et de la bande passante des motifs.

Ce qui a commencé comme une curieuse observation sur une île balayée par les vents s’est transformé en une compréhension plus approfondie de la façon dont les plantes, le sol et le vent peuvent créer des modes de vie. Ces formations ne sont pas seulement esthétiques, elles constituent également l’occasion d’étudier les propriétés des écosystèmes stressés.