Les écosystèmes peuvent-ils récupérer d'une grande perturbation ?

Publié par Isabelle le 19/09/2016 à 12:00
Source: Université de Sherbrooke

Dominique Gravel, professeur au Département de biologie de la Faculté des sciences.
Photo: Michel Caron
Imaginons un écosystème, une forêt tropicale. Elle foisonne d'organismes d'une diversité spectaculaire en raison de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) et de l'abondance des pluies: plantes, insectes (Insectes est une revue francophone d'écologie et d'entomologie destinée à un large public d'amateurs et de naturalistes. Produite par l'Office pour les insectes et leur environnement (association...), reptiles, oiseaux, mammifères, sans oublier des milliers de microorganismes. Et puis, soudainement, un orage (Un orage, de l'ancien français ore qui signifiait vent, est une perturbation atmosphérique d'origine convective associée à un type...) extrêmement violent s'abat sur cette forêt (Une forêt ou un massif forestier est une étendue boisée, relativement dense, constituée d'un ou plusieurs peuplements d'arbres et...). Elle subit des inondations, des arbres sont cassés, d'autres renversés. L'équilibre précieux de cet écosystème est perturbé. Est-ce que la forêt pourra retrouver sa vitalité ? Est-ce que cet écosystème est en péril ?

La question de la stabilité des écosystèmes a longtemps divisé les écologistes, empiristes et théoriciens. En 1972, le chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et impliquent d'importantes...) australien Sir Robert May propose un modèle mathématique (Un modèle mathématique est une traduction de la réalité pour pouvoir lui appliquer les outils, les techniques et les théories mathématiques, puis généralement, en sens inverse, la traduction des résultats mathématiques obtenus...) très général prédisant que les écosystèmes riches en espèces ne parviendraient pas à récupérer de telles perturbations. Selon cette théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance...), nous ne devrions trouver sur terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...) que des systèmes relativement simples, avec peu d'interactions écologiques. Or, les systèmes diversifiés, comme le sont les forêts tropicales et les récifs coralliens, sont bel (Nommé en l’honneur de l'inventeur Alexandre Graham Bell, le bel est unité de mesure logarithmique du rapport entre deux puissances, connue pour exprimer la puissance du son....) et bien persistants et survivent à des perturbations régulières depuis des milliers d'années. Les relevés faits par les écologistes démontrent une certaine constance dans les assemblages d'espèces, lorsqu'ils ne sont pas perturbés par l'humain.


" Stability and Complexity in Model Ecosystems " de Robert May.
Photo: Michel Caron
Le paradoxe (Un paradoxe est une proposition qui contient ou semble contenir une contradiction logique, ou un raisonnement qui, bien que sans faille apparente, aboutit à une absurdité, ou encore, une situation qui contredit l'intuition commune. Le...) de Robert May est un problème sur lequel travaillent les écologistes depuis près de 45 ans maintenant. À l'image de la conjoncture de Poincarré en mathématiques, ou encore du boson de Higgs (Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été proposée en 1964 par Gerry Guralnik, C.R. Hagen, et Tom Kibble; Robert Brout...) en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...), ce problème fascine la discipline toute entière et est l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et...) d'étude de nombreuses équipes à travers le monde (Le mot monde peut désigner :).

Un de ces théoriciens est le professeur Dominique Gravel, chercheur au département de biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre...) de la Faculté des sciences. En abordant la question de la stabilité des écosystèmes de façon originale, lui et une équipe internationale de chercheurs a réussi à pousser le modèle de May plus loin et à ouvrir la voie à des avancées majeures dans le domaine de l'écologie théorique. Deux études publiées à la fin août dans Nature Communications s'attaquent à deux perspectives différentes à cette question.

La première étude développe une extension spatiale du modèle de May.  On trouve en nature une grande diversité d'échanges entre localités, par exemple les nutriments qui circulent entre océans (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par Jacques Perrin et Jacques Cluzaud dont le tournage a commencé en 2004 et produit en 2009.) et influencent la distribution des stocks de poissons (Les Poissons sont une constellation du zodiaque traversée par le Soleil du 12 mars au 18 avril. Dans l'ordre du zodiaque, elle se situe entre le Verseau à l'ouest et le Bélier à l'est. Bien qu’assez...), ou encore les grandes migrations d'oiseaux qui connectent différents continents. On nomme un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) d'écosystèmes ainsi connectés par des échanges un 'méta-écosystème'.  Or la théorie initiale de May ignore cette réalité et ces chercheurs ont tenté de comprendre s'il pourrait s'agir d'une piste pour résoudre son fameux paradoxe. Le nouveau modèle utilisé démontre clairement qu'un niveau de dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes fréquences constituant...) intermédiaire entre des écosystèmes distincts tend à stabiliser l'ensemble du système et donc permettrait l'existence d'écosystèmes riches et complexes. Ces travaux ont des implications pratiques pour notre gestion du patrimoine naturel, même ici au Québec. " Par exemple, commente Dominique Gravel, la connexion entre les écosystèmes que l'on peut constater dans un paysage (Étymologiquement, le paysage est l'agencement des traits, des caractères, des formes d'un espace limité, d'un « pays ». Portion de l'espace terrestre saisi horizontalement...) constitué de champs et de forêt, typique du sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.) du Québec, pourrait être fragilisé par la fragmentation, l'urbanisation, et conduire à une perte de résilience des écosystèmes.  "

La seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du...) étude a compilé et analysé des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) existantes en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de vérifier la prédiction du modèle de May. "Nous avons utilisé les données de plus d'une centaine de réseaux d'échanges entre proies et prédateurs pour réaliser cette étude, ajoute Pr Gravel. Nous avons d'abord tenté de valider la prédiction de May, laquelle fut rejetée, pour ensuite essayer de trouver les caractéristiques des écosystèmes qui leurs permettent d'être résilients.  Les résultats de l'analyse de ces données mettent évidence des facteurs stabilisants les réseaux d'alimentation, soit principalement l'existence d'un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'interactions faibles et la structure très organisée des réseaux écologiques. "

Étant donné le travail colossal que représente l'analyse des 128 jeux de données, les chercheurs ont dû utiliser des ordinateurs à grande puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) de calcul pour en arriver à des conclusions probantes. " Ce qui a permis d'utiliser toutes ces données, c'est qu'elles ont été recueillies sur une même plateforme. Je crois aussi que le succès de notre démarche tient à l'excellente relation que nos équipes de travail ont élaborée au fil des ans ", conclut Pr Gravel.

Ces travaux ont démarré lors d'ateliers au National Institute for Mathematical and Biological Synthesis, à Knoxville, au Tennessee. Ils ont été réalisés en collaboration avec des chercheurs de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) du Québec à Rimouski, du Centre de la Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que...) de la Biodiversité (La biodiversité est la diversité naturelle des organismes vivants. Elle s'apprécie en considérant la diversité des écosystèmes, des espèces, des populations...) du Québec,  du Laboratoire Évolution, Écologie et Paléontologie (La paléontologie est la science qui étudie les restes fossiles des êtres vivants du passé et les implications évolutives de ces études.) du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) (France), du laboratoire des universités de Lille, de Montpellier et de la University of Texas at Austin.

Informations complémentaires

Premier article: "Stability and complexity in model meta-ecosystems"
Deuxième article: "No complexity-stability relationship in empirical ecosystems"
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