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Complexités écosystémiques

Complexités écosystémiques

Contributeurs : Olivier Barreteau (Cemagref), Paul Bourgine (École polytechnique), David Chavalarias Institut des systèmes complexes de Paris Île-de-France/CNRS), Cédric Gaucherel (INRA), François Houllier (INRA), Ioan Negrutiu (ENS Lyon), Nadine Peyrieras (Institut de neurobiologie CNRS).

Mots clés : dynamiques écologiques, adaptation et évolution, services écologiques, multifonctionnalités des écosystèmes, intégration de données, couplage de modèles, dynamiques spatio-temporelles, modèles multi-échelles, perturbations et résilience, stabilité et transition dynamique, comportement émergent, réaction et rétroaction, organisation fonctionnelle.

Introduction
Défini comme l’association étroite de l’environnement abiotique et d’un groupe d’organismes vivants, un écosystème est caractérisé par un grand nombre de facteurs physico-chimiques et biologiques, tous des entités qui interagissent les unes avec les autres. La multiplicité ainsi que la diversité de ces interactions, et la participation d’une vaste gamme de niveaux d’organisation et d’un large spectre d’échelles spatiales et temporelles permettent de justifier l’expression de la « complexité écosystémique ».

De plus, les écosystèmes, qu’ils soient naturels, gérés ou artificiels, sont soumis à des « perturbations » (par exemple, les catastrophes naturelles ou les stress biotiques et abiotiques) et fournissent de nombreux produits et « services » commerciaux et non commerciaux. Afin de tenir compte de la complexité des écosystèmes, de comprendre la résilience des processus écologiques et d’espérer l’ouverture vers une possible gestion des écosystèmes, nous avons besoin d’articuler les différentes stratégies pour la reconstruction de la dynamique spatiale et temporelle à partir d’observations et d’expériences de plus en plus instrumentalisées pour identifier les mécanismes rétroactifs et les phénomènes émergents ainsi que pour modéliser et valider ces modèles.

Grands défis

  • Développer des systèmes d’observation et d’expérimentation pour la reconstruction des dynamiques à long terme des écosystèmes
  • Modéliser les relations entre biodiversité, fonction et dynamiques des écosystèmes
  • Associer la biologie intégrative et l’écologie pour décoder les mécanismes évolutifs
  • Simuler des paysages virtuels (intégration et couplage des modèles biogéochimiques et écologiques aux maquettes de paysages dynamiques)
  • Concevoir des systèmes d’aide à la prise de décision pour des écosystèmes multi-fonctionnels

 


2.4.1. Développer des systèmes d’observation et d’expérimentation pour la reconstruction des dynamiques à long terme des écosystèmes

Le développement rapide des dispositifs de mesure in situ (par métrologie et par capteurs) permet aujourd’hui d’intégrer les données collectées à partir des réseaux d’observation (stratégies d’échantillonnage spatial et temporel, observatoires de recherche environnementale) ou d’expérimentation (microcosmes, mésocosmes) dans les modèles d’écosystèmes. Les systèmes d’information fondés d’une part sur la modélisation conceptuelle d’écosystèmes étudiés et, d’autre part, sur les outils d’analyses multidimensionnelles des données issues de sources différentes (« métaanalyses »), doivent en revanche être améliorés.


2.4.2. Modéliser les relations entre biodiversité, fonction et dynamiques des écosystèmes

Ces relations, qui jouent un rôle central dans le vaste domaine des études sur la biodiversité, décrivent des fonctions très variées (production, transfert de matière et d’énergie, résistance et résilience aux perturbations, etc.) couvrant différentes échelles d’espace (stations, paysages, zones, continents) et de temps. Les chercheurs ont toujours abordé l’étude de ces relations soit en s’interrogeant sur la manière dont l’environnement et le fonctionnement des organismes vivants et leurs interactions déterminent le regroupement d’espèces, soit, plus récemment, et réciproquement, en étudiant le rôle de la richesse et de la diversité spécifique sur le fonctionnement d’un écosystème.


2.4.3. Associer la biologie intégrative et l’écologie pour décoder les mécanismes évolutifs

Pour comprendre et modéliser la réponse des communautés écologiques (dans leur structure, leur fonctionnement et leurs dynamiques) aux changements de leur environnement (changements climatiques, pollution, invasions biologiques, etc.), nous devons mieux appréhender leurs mécanismes d’adaptation. Aujourd’hui, ce travail peut être accompli grâce aux avancées conceptuelles, méthodologiques et technologiques de la biologie intégrative (calcul des fonctions génomiques, biologie moléculaire, génétique, physiologique et écophysiologie) et à la convergence des approches de la génétique des populations, la génétique moléculaire et la génétique quantitative.


2.4.4. Simuler des paysages virtuels (intégration et couplage des modèles biogéochimiques et écologiques aux maquettes de paysages dynamiques)

Le concept de maquette virtuelle, fondé sur la représentation catégorielle d’une mosaïque de paysages, pourrait servir à construire une typologie des paysages représentatifs (bocage, champs ouverts, paysages mixtes, forêts, zones périurbaines, etc.). La première étape consiste à modéliser le fonctionnement du paysage (c’est-à-dire les cycles biogéochimiques, les transferts et échanges : transport particulaire aérien, déterminisme du microclimat, transport hydrique et de polluants associés dans le sol et la nappe phréatique). Les sorties concernent la production de relations fonctionnelles entre topologie du paysage et structure des échanges. Ensuite, il est également important de modéliser les dynamiques du paysage (l’évolution de son organisation spatiale) sous l’effet de l’activité humaine et de certains processus écologiques (la colonisation de l’espace par la végétation, par exemple). Un tel outil pourrait constituer un support déterminant pour des recherches en agronomie, en écologie ou en épidémiologie, notamment pour la gestion locale des terres et leur exploitation.


2.4.5. Concevoir des systèmes d’aide à la prise de décision pour des écosystèmes multi-fonctionnels

Toute prise de décision concernant la gestion des écosystèmes serait grandement facilitée par la qualification et la quantification des produits et services fournis par les écosystèmes, et par l’intégration de ces produits et services dans les systèmes d’indicateurs relatifs aux politiques pertinentes (tableau de bord, outils d’aide à la prise de décision, analyses du cycle de vie et analyses d’écobilan, etc.). La formulation et la mise en œuvre de ces politiques exigent en outre des modélisations et des quantifications bien plus sophistiquées des pratiques et techniques humaines, ou des systèmes de gestion des écosystèmes, ainsi que des modèles entièrement intégrés prenant en compte les composantes stochastiques (intrinsèques ou liées au manque de connaissance des éléments de ces systèmes, de leurs interactions, et les facteurs extrinsèques susceptibles de les perturber).