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Complexités écosystémiques

Un écosystème est constitué d'un ensemble d'organismes vivants (biocénose) et du milieu (biotope) qui les accueille. Les écosystèmes sont donc caractérisés par un grand nombre d’objets et de facteurs hétérogènes, ainsi que d’interactions et de boucles de rétroaction qui s’appuient sur des relations variées. Prendre en compte ces complexités écosystémiques nécessite une stratégie de reconstruction des données, de modélisation et de validation des modèles. Il s’agit de modéliser aussi bien l'évolution des écosystèmes que leurs organisations fonctionnelles, et d'ouvrir la possibilité d’un contrôle des processus écologiques, par exemple à des fins de résilience. Pour un problème de résilience d'un écosystème donné, il faudra accéder à sa dynamique spatio-temporelle et identifier théoriquement et expérimentalement les émergences et rétro-contrôles, en intégrant différents niveaux d’observation à travers des réseaux de capteurs adéquats.

  • Mots-clés : intégration de données, dynamiques spatio-temporelles, dynamiques écologiques, modélisation multi-échelle, sensibilité aux perturbations, stabilité et transition dynamique, émergence et rétro-contrôle, organisation fonctionnelle, paramètres pertinents et qualification des mesures.
  • Grands défis
    • Intégration et couplage des processus écosystémiques
    • Mise en évidence et rôle des perturbations locales dans la stabilité et les dynamiques biocénoses dans un biotope donné


Description synthétique des objets:
Les écosystèmes sont caractérisés par un grand nombre d’objets (organismes, populations, communautés) et de facteurs (ressources et facteurs physiques et chimiques du milieu), ainsi que d’interactions et de boucles de rétroaction qui s’appuient sur des relations variées (relations phylogénétiques, proximité spatiale et connectivité entre milieux et populations, etc.).

Classe de méthodes:

Enjeux:

Mots-clés:

Grands défis:

1. L'observation et la mesure pour la reconstruction des écosystèmes

  • Représentativité de la mesure: variabilité, échantillonnage, propriétés de l'échantillonnage, ORE planification d'observatoire: données pertinentes,
  • Problème d'échelle: le temps et l'espace dans l'échantillonnage


Débat:
Dans une approche systèmes complexes, observation et mesure ne peuvent pas être dissociées de la reconstruction des dynamiques multi-échelles...

Exemples:

    • La couleur des océans traceur du phytoplancton, nécessité de moyenner pour résoudre les arte fact

2. Intégration des différents niveaux d'organisation dans la construction de modèles d'écosystèmes

  • Génomes, individus, populations, communautés (et l'intervention humaine)
  • Composantes abiotiques
  • Il s'agit ici parmi les processus à l'oeuvre dans un écosystème de caractériser la spécificité éventuelle et l'interdépendance (le couplage) des dynamiques de entités non vivantes et vivantes en interaction.
  • Utilisation de l'énergie (métabolisme, photosynthèse, discuter Dynamic Energy Budget: effet de l'environnement sur les grandes fonctions physiologiques)
  • Modèles aux différentes échelles et changement d'échelles, couplage:
    • à la même échelle spatiale, coupler deux composantes qui ont leurs dynamiques propres (temps caractéristiques éventuellement différents)
    • différentes échelles spatiales (et leurs composantes)


Les écosystèmes sont intrinsèquement complexes et hétérogènes; l’explicitation de leur multifonctionnalité et l’élargissement des horizons spatiaux et temporels induisent des problèmes de couplage et d’agrégation de modèles ; ces systèmes ont aussi une forte composante stochastique (que celle-ci soit intrinsèque ou qu’elle soit liée au caractère incomplet des connaissances sur les éléments de ces systèmes, sur leurs interactions et sur les facteurs extrinsèques susceptibles de les perturber). Leur étude pose donc des questions de modélisation, de simulation et de contrôle qui concernent des domaines variés : le fonctionnement et la dynamique de réseaux, par exemple, trophiques ; la dynamique des populations et des communautés spatialement distribuées ; diverses formes d’interactions biotiques et d’interactions entre facteurs du milieu et organismes.
Des modèles éventuellement pertinents (par rapport à une question posée, ils ont une part d'opérationnalité) à une échelle donnée. Deux niveaux a priori en interaction peuvent se retrouver chacun modélisés pour eux mêmes. Savoir intégrer ces niveaux doit permettre de mieux répondre à la question et à en poser de nouvelles. Dans l'étude des écosystèmes les stratégies de modélisation savent intégrer un petit nombre de niveaux. Il reste cpendant très diffcile de prendre en compte tous les niveaux jugés pertinents et à chaque niveau les processus en jeu. La difficulté vient de la diversité des objets et des modèles qui s'y rapportent et qui peuvent être traités par des champs disciplinaires différents. La question du couplage de plusieurs niveaux d'organisations et de différentes échelles spatiales et temporelles est un défi théorique.

Défi:
Construire un modèle intégré d'écosystème.

2.1 Typologie comme stratégie d'intégration


En quoi est-ce un défi? il y a plein de modèles intégrés existant. La question est plutôt celle des modes d'intégration. Le choix des composantes ressort par contre de la finalité du modèle

Exemples:
Intégration des différents niveaux trophiques et des liens non-trophiques dans un écosytème.

2.2 Dynamique des écosystèmes aux grandes échelles spatiales et temporelles


Les écosystèmes et leurs processus sont souvent étudiés dans leurs dynamiques à l’échelle « humaine » (quelques années, une région), tandis que certains ont des dynamiques beaucoup plus lentes et des distributions très étendues. Cela la concerne par exemple le couplage des processus génétiques (génération de traits de vie…) et des processus démographiques, les dynamiques de type transitoire de certains paysages (désert (Rietkerk), ville…) et la paléo-écologie ou la compréhension des motifs phylogéographiques (Avise). Bien que l’on se heurte ici aux données disponibles, il peut être pertinent de développer des approches spécifiques pour appréhender la complexité des écosystèmes aux grandes échelles. Le défi est ici de développer une(des) approche(s) intégratrive(s) pour décrire les écosystèmes aux grandes échelles temporelles (des millénaires aux temps géologiques). En corollaire, on est en droit de se demander sur quelles composantes (trophique, génétique ou inertes) de l’écosystème doit porter cet effort. De même, les récentes théories neutralistes (Hubbel, Brown) insistent sur le rôle possible du hasard dans les évolutions des composantes vivantes de ces écosystèmes complexes.

2.3 Ecosystèmes pilotés: valider la reconstruction d'un paysage pour la prédiction et le pilotage (contrôle).

  • Reconstruction d'un paysage réaliste ou non
    • Le paysage est typiquement un objet à l’interface entre les écosystèmes et la société, le pilotage d’un écosystème est souvent réalisé sur les éléments paysagers (agronomie, sylviculture…) de natures variées (Forman & Godron). Mieux comprendre le fonctionnement et les dynamiques d’un paysage contribuerait à un meilleur contrôle des écosystèmes. Or, c’est encore un défi de les modéliser, en particulier lorsque ces paysages sont catégoriels (faits de polygones) et non raster (faits de pixels autonomes). On les modélise habituellement à l’aide de modèles dits explicites (les règles d’évolution sont explicitement prises en compte) ou à l’aide de modèles neutres (dans le sens « hypothèse nulle », With et al.). La reconstruction d’un paysage et de sa complexité reste donc un défi.

  • Conséquences des interventions humaines (changements climatiques)
  • Possibilités d'intervention (dans une approcahe systèmes complexes...)
    • Contrôle en données incomplète en contexte incertain
  • Buts de l'intervention (objectifs)
    • Prise en compte des risques
  • Empreinte écologique, bilan environnementale
    • question de l'observation et des mesures de la pollution par exemple
    • question de la représentation des systèmes
  • Regeneration des ecosystemes (ressources)
    • Comprendre mecanismes degradation et epuisement des ressources des ecosystemes pilotes
    • Definir, par rapport au potentiel et de l'etat courant, les conditions / solutions de regeneration des ressources des ecosystemes


Défi:
Penser et construire l'outile en question...

Exemples:
Biogéochimie, OGM, épidémies, biodiversité

3. Quel liens entre les écosystèmes et les lois physiques ?


Toute biocenose, y compris le monde vivant dans son ensemble, peut se penser comme un système dissipatif d'énergie libre, en cascade, le long des chaines trophiques et au sein des organismes. Ces processus thermodynamiques dépendent des propriétés du biotope dans lequel prend place cette biocénose.

méthodes : thermodynamique des systèmes dissipatifs, hors équilibre (cf : Hoelzer, Kay & Schneider) ; thermodynamique des systèmes complexes (cf : Grégoire Nicolis)

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