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Comprendre comment les animaux échangent des informations par les sons et analyser les paysages acoustiques qui découlent de ces communications sont les objectifs de la bioacoustique, une discipline scientifique récente qui allie questionnements biologiques et méthodes de traitement du signal. Les applications -de l’effarouchement acoustique au suivi de la biodiversité- sont nombreuses et diversifiées.
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Une balade dans la campagne au début du printemps le montre assurément : le monde sonore de la nature est riche de diversité. Chants d’oiseaux, stridulations d’insectes, coassements de grenouilles et autres vocalisations s’entremêlent pour composer le paysage sonore du moment. Des forêts de nos régions à la foisonnante jungle tropicale, des rivières d’eau douces aux récifs coralliens océaniques, partout des animaux utilisent des sons pour communiquer. Ces échanges d’information sont indispensables pour trouver sa ou son partenaire, défendre son territoire, avertir de la présence d’un prédateur ou d’une source de nourriture, collaborer pour chasser, reconnaître et interagir avec les individus de son groupe. Comment ces signaux sonores sont-ils produits ? Quelles informations contiennent-ils ? Peut-on comprendre les langages des animaux ? Comment utiliser leurs codes pour interagir avec eux ? Par quels moyens peut-on tirer profit de ces paysages sonores pour évaluer l’état de santé d’un écosystème ? Depuis quelques décennies, les progrès techniques -le magnétophone, l’ordinateur et aujourd’hui l’intelligence artificielle- permettent aux scientifiques de lire les partitions des concerts animaux et de répondre à ces questions.
Comprendre les langages animaux
Les sons utilisés par les animaux pour communiquer sont des signaux porteurs d’information. Pour en saisir le sens, les bioacousticiens et les bioacousticiennes utilisent deux outils principaux : l’analyse de la structure acoustique des signaux (amplitude et fréquence sonores et leurs modulations), destinée à identifier les paramètres acoustiques porteurs d’information, et des expériences dites de playback, où l’on va faire écouter à l’animal des signaux naturels ou artificiellement modifiés. On peut ainsi identifier expérimentalement les paramètres acoustiques des chants d’oiseaux portant comme information l’identité de l’espèce (un chant de merle est différent d’un chant de grive) ainsi que des indications plus subtiles comme l’identité individuelle de l’émetteur ou ses émotions du moment.
Une règle générale est que la complexité du langage développé par une espèce animale, qui se traduit par la diversité des vocalisations et des informations codées, augmente avec la complexité de la vie sociale. Prenons par exemple la hyène tachetée, un mammifère carnivore vivant en groupes pouvant compter plusieurs dizaines d’individus. Pour une hyène vivant dans un tel environnement social, il est important de savoir qui est qui, qui est allié avec qui, qui vient d’arriver, qui est de bonne humeur aujourd’hui, à qui il vaut mieux ne pas se frotter, comment il faut se comporter avec celle-ci ou avec celui-ci, etc. Pour naviguer dans ce contexte, une hyène dispose d’un outillage ad hoc : les signaux de communication que les autres lui envoient et ceux qu’elle est capable de produire. On compte chez les hyènes plus d’une dizaine de cris de base, chacun ayant de multiples variations. La complexité de certains langages animaux est telle qu’ils permettent de coder de l’information référentielle. Certains singes et oiseaux combinent ainsi des cris pour informer leurs congénères de l’identité d’un prédateur, voire de la distance à laquelle il se trouve. Sous l’eau, poissons et mammifères marins -baleines et dauphins- ne sont pas en reste. Les signaux acoustiques jouent ainsi un rôle fondamental dans la cohésion des groupes sociaux des orques et lorsqu’elles coopèrent pour chasser.
Sur le plan appliqué, la connaissance précise du codage de l’information déployé par une espèce animale permet parfois de contrôler artificiellement un système de communication acoustique. C’est ce que l’on fait en utilisant les cris de détresse et leurs avatars de synthèse pour effaroucher les oiseaux sur les aéroports. Le coût des collisions entre oiseaux et avions est considérable. Pour limiter ces accidents, une méthode consiste à utiliser des cris de détresse pour disperser les oiseaux. Les cris de détresse sont des vocalisations émises lorsque l’animal est capturé ou blessé par un prédateur. Lorsqu’ils entendent un cri de détresse, les autres individus réagissent très violemment, s’enfuyant à tire-d’aile. Ce sont de superbes épouvantails à oiseaux !
Mesurer l’impact des bruits d’origine humaine sur la faune
Les sources de bruits anthropiques ne manquent pas. Phénomène nouveau à l’échelle des temps géologiques, l’anthropophonie est à considérer comme une pollution, au même titre que les pollutions chimiques ou l’acidification des océans. Les bruits dus aux activités humaines affectent les communications des animaux, leur répartition dans l’environnement, leur comportement alimentaire et, bien sûr, leur état physiologique et leur survie. Tant dans l’air que dans l’eau. Les perturbations que les bruits provoquent dépendent bien sûr de leurs caractéristiques acoustiques. Le bruit continu d’une autoroute diminuera la portée du chant des oiseaux et entraînera peut-être un stress chronique chez eux, comme il le fait pour bien des humains. Une explosion minière soudaine pourra détruire des systèmes auditifs ou entraîner des dégâts irréversibles dans divers organes du corps, dont le cerveau. Sous l’eau, le problème posé par les bruits anthropogéniques est particulièrement crucial. Les sons se propagent beaucoup plus vite et plus loin dans le milieu aquatique. Chaque année, on provoque des quantités d’explosions sous-marines le long de dizaines de milliers de kilomètres pour trouver d’éventuels réservoirs de pétrole dans le sol de l’océan. Les baleines et les dauphins sont victimes de ces déflagrations sonores. Des études montrent que ces ondes sonores sous-marines peuvent aussi tuer du zooplancton, cet ensemble de petites crevettes, larves et autres animalcules qui flottent dans les eaux et constituent l’essentiel de la nourriture de myriades d’espèces animales.
Certains animaux s’accommodent peu ou prou des bruits dus aux activités humaines. Dans la ville de Berlin, par exemple, le Rossignol chante plus en douceur les jours de week-end, et bien plus fort la semaine, lorsque la circulation automobile s’intensifie. Sous les eaux, la Baleine à bosse augmente également la puissance de son chant quand le bruit de fond dû aux activités humaines augmente. L’anthropophonie étant caractérisée par des sons plutôt graves, des grenouilles, des insectes et des oiseaux vont produire des signaux sonores plus aigus.
Les paysages sonores, reflets de la biodiversité
Identifier et compter des oiseaux ou d’autres animaux automatiquement en les enregistrant est l’une des applications pratiques de la bioacoustique. Cette technique est aussi utilisée dans l’océan pour repérer des baleines, des cachalots et même des poissons ! En changeant d’échelle, on peut considérer les paysages sonores comme témoins des espèces animales habitant un même environnement. L’idée est simple : utiliser la bioacoustique pour mesurer la biodiversité et évaluer l’état d’un écosystème. Tout paysage sonore peut être décrit en terme de « géophonie », « biophonie » et « anthropophonie ». La géophonie est l’ensemble des bruits provoqués par les phénomènes naturels non vivants. Comme le coup de tonnerre, le bruissement du vent dans les arbres, le grondement d’une cascade. La biophonie regroupe l’ensemble des productions sonores des êtres vivants. À l’exception de celles de l’espèce humaine qui constituent l’anthropophonie. A partir d’enregistrements longue durée (des jours, des semaines, mois ou années), on définit des mesures globales (des indices acoustiques) qui mesurent la biodiversité d’un paysage sonore donné ou qui permettent de comparer deux paysages sonores. Ces indices permettent de décrire la richesse, la complexité, l’hétérogénéité, la régularité, la composition des paysages sonores, tant sur terre que sous les eaux. Caractériser par le son les perturbations que subit un récif corallien suite à des pollutions, des cyclones ou à plus grande échelle à cause des changements climatiques, devient possible à moindre coût et sans perturber le milieu. Le grand défi de la bioacoustique est maintenant d’appréhender des enregistrements sonores de très longue durée. Traitement des big data et méthodes d’intelligence artificielle sont devenus indispensables.
La bioacoustique, domaine scientifique récent, est actuellement en pleine expansion. Le nombre de publications scientifiques, les applications en cours de développement ou à venir sont considérables. De la compréhension des langages animaux au suivi des écosystèmes et de leurs perturbations, cette discipline à la frontière entre biologie, physique et maintenant intelligence artificielle est promise à un brillant avenir.
« Les animaux parlent. Sachons les écouter », de Nicolas Mathevon, éd. Humensciences
Nicolas Mathevon
Professeur à l’université de Saint-Etienne et membre senior de l’Institut universitaire de France, ancien professeur invité à l’University of California-Berkeley (2008-2009) et à la City University of New York (2015-2016), il a fondé et dirige une équipe de recherche du Centre de Recherches en Neurosciences de Lyon spécialisée en bioacoustique (Equipe de Neuro-Ethologie Sensorielle, Université de Saint-Etienne, CNRS et Inserm). Auteur d’une centaine de publications dans des revues scientifiques internationales, explorateur pour la National Geographic Society, il préside actuellement l’International Bioacoustics Society. Il a été membre du jury de l’Agrégation des Sciences de la Vie, de la Terre et de l’Univers.
