Emergence de dynamiques évolutionnaires dans une approche multi-agents de plantes virtuelles

De par son enjeu économique et écologique important, l'étude des relations des êtres vivants entre eux et avec leur environnement est un défi majeur de la biologie. L'un des aspects fondamentaux de cette recherche est la variation des organismes à l'échelle de l'évolution. En effet, les mécanismes d'adaptation sont non seulement d'un intérêt théorique pour l'explication des origines de la biodiversité, mais leur compréhension contribue notamment à la préservation des écosystèmes actuels. Le travail de cette thèse s'inscrit dans le cadre de la vie artificielle, domaine scientifique destiné à l'étude du vivant par la création de phénomènes similaires dans des systèmes de synthèse. La problématique est centrée sur les dynamiques que l'évolution produit dans les communautés de plantes. Le but de la recherche consiste à explorer l'impact des forces évolutionnaires, selon l'environnement rencontré, sur les traits essentiels d'un végétal. La problématique générale de cette thèse se décline en trois axes majeurs. Le premier axe porte sur l'évolution de la morphologie végétale et ses variations en fonction des contraintes du milieu. Le deuxième axe concerne les adaptations de traits physiologiques, notamment au niveau de l'investissement des ressources, à différents paramètres de l'environnement. Le troisième axe s'attache à l'étude d'un système évolutionnaire du point de vue fondamental, dans l'optique de comprendre son comportement et d'améliorer sa performance. Afin de répondre aux objectifs fixés, un modèle de plantes virtuelles fondé sur le paradigme multi-agents est conçu. Il intègre une représentation morphologique ainsi qu'un ensemble de processus physiologiques liés à l'assimilation et à l'allocation de ressources. Un génome artificiel, encodant des caractéristiques de croissance mutables, permet aux plantes de s'adapter, au fil des générations, aux conditions de leur milieu. Une plateforme de simulation est développée pour conduire des expériences basées sur ce modèle. Les résultats obtenus par simulation sont systématiquement soumis à une comparaison critique avec des dynamiques analogues du milieu biologique, tant au niveau d'observations directes chez les plantes réelles qu'à celui d'hypothèses sur les mécanismes de l'évolution naturelle. La concordance entre les résultats expérimentaux et les phénomènes naturels correspondants atteste la valeur du modèle des plantes virtuelles en tant qu'outil complémentaire de recherche dans le domaine de la biologie évolutive.As relationships between living beings and those with their environment carry significant economical and ecological implications, understanding related processes is an important topic of biological research. One fundamental aspect of this research is to better understand the mechanisms driving the variation of organisms at an evolutionary scale. Advances that better explain the mechanisms of adaptation are not only of theoretical interest to understand the origins of biodiversity, but they also notably contribute to the preservation of present ecosystems. Artificial life provides the framework for the work presented in this thesis. This research area is dedicated to the study of living systems by synthesizing similar phenomena in artificial systems. The research questions are centred on the dynamics that evolution produces in plant communities, thereby exploring the impact of evolutionary forces of the encountered environment on the essential traits of a plant. The general scope of this thesis breaks down into three major areas of inquiry. The first deals with the evolution of plant morphology and its variations in response to environmental constraints. The second concerns the adaptation of physiological traits, particularly at the level of resource investment, to different environmental parameters. The third area addresses the study of evolutionary systems from a fundamental point of view, to understand their features and to improve their performance. In order to attain the fixed objectives, a model of virtual plants based on the multi-agent paradigm is conceived. It integrates a morphological representation as well as a set of physiological processes concerning resource assimilation and allocation. An artificial genome, encoding mutable growth characteristics, allows the plants to adapt, over the generations, to the conditions of their environment. A simulation platform is developed to conduct experiments based on this model. The obtained simulation results are systematically subjected to critical comparisons with analogous dynamics in biological systems, at both the level of direct observations on real plants and that of hypotheses on the mechanisms of natural evolution. The concordance between the experimental results and the corresponding natural phenomena attests the quality of the virtual plants as a complementary research tool in the domain of evolutionary biology.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF