Projet C0PEP0D, la recherche fondamentale pour comprendre les Daredevil de l’océan

Qu’est-ce qu’un copépode ? Pourquoi vous intéresse-t-il tant ? 

Le copépode est un petit crustacé d’un millimètre qui est présent dans toutes les eaux de la planète, douces comme salées. On en compte près de 25.000 espèces. Certains disent qu’il s’agit de l’organisme multicellulaire le plus abondant sur Terre.

Il se trouve un peu au milieu de la chaîne alimentaire. Le copépode mange à peu près tout ce qui est plus petit que lui, aussi bien des algues, d’autres planctons, des copépodes et même des déchets. Et lui même est mangé par des larves de poisson par exemple.


Au départ, je voulais approfondir l’apprentissage par renforcement (reinforcement learning), le machine learning. J’ai rencontré une biologiste américaine à Cambridge lors d’un semestre d’enseignement, elle m’a présenté ses recherches sur les copépodes et j’ai vu les possibilités qui en découlaient dans mes champs de recherche.J’ai présenté mon projet devant une commission de pairs de l’ERC, j’ai décroché la bourse et j’ai pu recruter des doctorants.

Nous nous intéressons aux copépodes qui nagent entre deux eaux mais beaucoup d’autres espèces sont attachées à des organismes. Ils vivent en symbiose avec eux, sur les branchies de certains poissons ou sur des coraux par exemple.

Le copépode est une « success story » de l’évolution. Ces petits crustacés ont colonisé tous les océans, les mers, les lacs et les rivières.
Le but de nos travaux, c’est de mettre au point des algorithmes pour comprendre comment des organismes à cette échelle survivent et en particulier comment ils se repèrent dans leur environnement. 

 

Vous les comparez à des « Daredevil de l’océan » ? 
 

C’est vrai (rires) ! Je me suis demandé à quoi cela pouvait ressembler si un être humain avait les sensations d’un copépode. Daredevil est aveugle et il perçoit les sons et la manière dont ils se réverbèrent dans son environnement. L’analogie n’est pas parfaite mais elle est parlante. Et puis, le côté super héros montre que ce petit organisme fait plein de choses que nous, humains, ne sommes pas capables de comprendre pour l’instant. 

Les copépodes ont un œil qui ne leur permet pas de former des images mais de savoir dans quelle direction est la lumière. Cela leur permet de se diriger vers la surface de l’eau par exemple. La question est de savoir comment font les copépodes pour capturer des proies, comment ils échappent à leurs prédateurs naturels. Tout en percevant leur environnement autrement que par la vision et en étant transportés par le courant.

L’espèce à laquelle on s’intéresse a deux longues antennes bourrées de petits capteurs sous la forme de poils qui se déforment sous l’action du courant. Ces capteurs mesurent l’écoulement, les concentrations en produits chimiques (protéines, acides de leurs proies, prédateurs ou congénères). Ces antennes peuvent être comparables aux moustaches de certains félins qui leur permettent de se repérer quand il n’y a pas de lumière.

Nos travaux imaginent comment avec ces informations très partielles et potentiellement affectées par l’environnement, ils parviennent à se repérer. 

En tant que spécialiste de la mécanique des fluides, la notion d’écoulement vous intéresse particulièrement...

Oui, c’est un élément qui apporte beaucoup d’ambiguïtés. Comment les copépodes arrivent à distinguer les autres organismes autour d’eux ? Comment parviennent-ils à les distinguer aussi l’écoulement ambiant ? Comment font-ils la différence entre un gros prédateur qui est loin ou une petite proie qui est proche ?

Nous travaillons aussi sur les deux antennes des copépodes et sur l’importance de cette stéréo-sensibilité dans la perception. Leurs antennes leur permettent de savoir s’il faut aller à gauche ou à droite, mais, ils doivent opérer un mouvement de vrille, une nage en hélice, pour balayer plus efficacement tout l’espace. L’un des doctorants avec lequel je travaille, Tommaso Redaelli, travaille et publiera bientôt un article sur le sujet. 

 

Sur quoi portent les travaux du reste de votre équipe ?  

Selim Mecanna, qui est en doctorat, se concentre sur les meilleures stratégies que peut apprendre une intelligence artificielle pour exploiter l’écoulement notamment dans le cas de la capture d’une proie ou pour s’orienter dans une certaine direction. 

Aurore Loisy, post-doctorante et Rémi Monthiller, doctorant, ont tous les deux déjà publié des articles en juin et en août. La première sur les meilleures stratégies de recherche olfactive dans Proceedings of the royal society A, le second sur la navigation des copépodes en fonction des turbulences dans Physical Review Letters. Tout ce que nous produisons dans le projet C0PEP0D est en libre accès et en opensource. C’est l’une des particularités des projets financés par l’ERC. 

Nous avons aussi travaillé sur des serious games mettant en action des copépodes, deux sont déjà en ligne, un troisième verra bientôt le jour. 

 

Quelle est la suite de vos recherches ? 

Nous aimerions maintenant faire des expériences avec de vrais copépodes dans de vrais écoulements pour voir si nos algorithmes se vérifient. L’objectif du projet C0PEP0D est de faire des va-et-vient entre les approches théoriques et pratiques. Le but n’est pas d’être déconnecté du réel. C’est important qu’il y ait les deux aspects. On comprend vraiment un organisme vivant quand on est capable d’extraire l’algorithme et de l’implémenter dans un robot artificiel. 

Au-delà du projet C0PEP0D, peut-être trouverons-nous des algorithmes qui pourront aider des robots qui travaillent dans les eaux turbides ou dans les grandes profondeurs.

• Le site du projet
• "Searching for a source without gradients : how good is infotaxis and how to beat it" -Proceedings of the royal society 15/06/22
• "Surfing on turbulence: a strategy for planktonic navigation" - Lett. 129, 064502 (2022)
• "Comment le copépode « surfe » pour monter et descendre plus vite dans l’océan" - Le Monde 08/09/22
• "Pour aller deux fois plus vite, le plancton peut surfer sur les turbulences" - CNRS INSIS 16/09/22