Une étude, dont les résultats intitulés «Wind loads and competition for light sculpt trees into self-similar structures» ont été publiés dans la revue Nature Communications, a permis de mettre au point un modèle original simulant l'évolution d'une forêt pendant plus de 200 000 ans, une période qui permet de suivre l'«évolution darwinienne» des arbres.

Plus précisément, cette étude utilise «les dernières connaissances sur les réponses des plantes à la lumière et au vent» pour élaborer un modèle de développement d’arbres dans lequel «les arbres virtuels sont capables d’intercepter la lumière, de répartir les produits de la photosynthèse entre organes, d’initier des branches, mais aussi de produire des graines qui germent après être tombées».

Ce modèle, qui incorpore «des connaissances en météorologie et en biomécanique afin de simuler la casse au vent lors de tempêtes», inclut deux découvertes récentes: d'une part, le fait que «la localisation des nouvelles branches qui bourgeonnent dépend de la lumière reçue» et, d'autre part, celui que «la croissance en diamètre des branches est pilotée par la perception des déformations au vent, un phénomène appelé thigmomorphogénèse qui contrôle, pour une grande part, la production de bois sous nos climats».

Comme «tous les processus de l’arbre virtuel dépendent de paramètres quantitatifs décrivant la sensibilité à la lumière, au vent ou les priorités concernent la distribution des produits de la photosynthèse», ces paramètres «peuvent être interprétés comme des gènes de l’arbre» en supposant «que leurs valeurs peuvent varier, de génération en génération, par des mutations génétiques aléatoires».

En outre, l'évolution a été «simulée sur une île virtuelle, baignée de soleil et de vent» parce qu’on «peut supposer qu’elle est isolée et ne reçoit pas de graine ou de pollen d’autres endroits» et également «parce que les études d’écologie évolutive ont montré que les îles assuraient une sélection rapide».

Dans ce cadre, «le programme informatique, appelé MechaTree, permet d’ensemencer des centaines d’îles virtuelles avec des graines dont les paramètres-gènes sont aléatoires». Virtuellement, «les arbres germent, poussent, une forêt dense se développe» de sorte que «les individus moins favorablement pourvus génétiquement disparaissent (c’est l’auto-éclaircie), les autres se reproduisent plus ou moins» par 'sélection naturelle' de sorte que certaines espèces vont dominer l’île, d’autres disparaître.

Au bout de milliers d’heures de calcul, représentant près de 200 000 ans de la vie d’une forêt, sur modèle informatique «permettant des calculs à haute performance», les arbres des espèces survivantes ont été examinés. Il a alors été constaté que «ces forêts et ces arbres présentaient toutes les lois d’échelles observées sur les arbres * : la loi d’auto-éclaircie, la dimension fractale, les allométries de taille avec le diamètre et même… la fameuse loi de Léonard de Vinci».

Globalement, la sélection de la forme des arbres fait apparaître que «la transparence du feuillage et la compétition pour la lumière sont les premiers déterminants de la dimension fractale de l’arbre» et que «la réponse au vent, la thigmomorphogénèse, contrôle l’évolution du diamètre des branches».

De plus, «d’autres facteurs ont pu jouer dans la sélection naturelle, comme le transport hydraulique de sève» et «il est même probable qu’en fonction de l’environnement où ont évolué les espèces, c’est la conduction de la sève ou la résistance au vent qui a exercé la plus grande pression sélective».

Lien pdf complémentaire (source CNRS)

* Les invariants d’échelle chez les arbres