Essayer de déchiffrer tous les facteurs qui influencent le comportement de communautés écologiques complexes peut être une tâche ardue. Cependant, les chercheurs du MIT ont maintenant montré que le comportement de ces écosystèmes peut être prédit sur la base de seulement deux informations :le nombre d'espèces dans la communauté et la force avec laquelle elles interagissent les unes avec les autres.

Dans des études sur des bactéries cultivées en laboratoire, les chercheurs ont pu définir trois états de communautés écologiques et calculer les conditions nécessaires pour qu'elles passent d'un état à un autre. Ces découvertes ont permis aux chercheurs de créer un "diagramme de phases" pour les écosystèmes, similaire aux diagrammes que les physiciens utilisent pour décrire les conditions qui contrôlent la transition de l'eau du solide au liquide puis au gaz.

"Ce qui est étonnant et merveilleux avec un diagramme de phase, c'est qu'il résume une grande quantité d'informations sous une forme très simple", déclare Jeff Gore, professeur de physique au MIT. "Nous pouvons tracer une frontière qui prédit la perte de stabilité et le début des fluctuations d'une population."

Gore est l'auteur principal de l'étude, qui paraît aujourd'hui dans Science . Jiliang Hu, un étudiant diplômé du MIT, est l'auteur principal de l'article. D'autres auteurs incluent Daniel Amor, un ancien post-doctorant du MIT; Matthieu Barbier, chercheur à l'Institut de la santé des végétaux de l'Université de Montpellier, France; et Guy Bunin, professeur de physique à l'Israel Institute of Technology.

Dynamique démographique

La dynamique des écosystèmes naturels est difficile à étudier car si les scientifiques peuvent faire des observations sur la façon dont les espèces interagissent les unes avec les autres, ils ne peuvent généralement pas faire d'expériences contrôlées dans la nature. Le laboratoire de Gore est spécialisé dans l'utilisation de microbes tels que les bactéries et les levures pour analyser les interactions interspécifiques de manière contrôlée, dans l'espoir d'en savoir plus sur le comportement des écosystèmes naturels.

Au cours des dernières années, son laboratoire a démontré comment les comportements compétitifs et coopératifs affectent les populations et a identifié les signes avant-coureurs d'un effondrement de la population. Pendant ce temps, son laboratoire s'est progressivement développé, passant de l'étude d'une ou deux espèces à la fois à des écosystèmes à plus grande échelle.

Alors qu'ils travaillaient à l'étude de communautés plus vastes, Gore s'est intéressé à essayer de tester certaines des prédictions que les physiciens théoriciens ont faites concernant la dynamique de grands écosystèmes complexes. L'une de ces prédictions était que les écosystèmes traversent des phases de stabilité variable en fonction du nombre d'espèces dans la communauté et du degré d'interaction entre les espèces. Dans ce cadre, le type d'interaction (prédatrice, compétitive ou coopérative) n'a pas d'importance. Seule la force de l'interaction compte.

Pour tester cette prédiction, les chercheurs ont créé des communautés allant de deux à 48 espèces de bactéries. Pour chaque communauté, les chercheurs ont contrôlé le nombre d'espèces en formant différentes communautés synthétiques avec différents ensembles d'espèces. Ils ont également pu renforcer les interactions entre les espèces en augmentant la quantité de nourriture disponible, ce qui entraîne une croissance plus importante des populations et peut également entraîner des changements environnementaux tels qu'une acidification accrue.

"Afin de voir les transitions de phase en laboratoire, il est vraiment nécessaire d'avoir des communautés expérimentales où vous pouvez tourner les boutons vous-même et faire des mesures quantitatives de ce qui se passe", explique Gore.

Les résultats de ces manipulations expérimentales ont confirmé que les théories avaient correctement prédit ce qui se passerait. Initialement, chaque communauté existait dans une phase appelée "existence complète stable", dans laquelle toutes les espèces coexistent sans interférer les unes avec les autres.

Au fur et à mesure que le nombre d'espèces ou les interactions entre elles augmentaient, les communautés entraient dans une deuxième phase, connue sous le nom de "coexistence partielle stable". Dans cette phase, les populations restent stables, mais certaines espèces ont disparu. La communauté globale est restée dans un état stable, ce qui signifie que la population revient à un état d'équilibre après l'extinction de certaines espèces.

Enfin, à mesure que le nombre d'espèces ou la force des interactions augmentaient encore, les communautés entrèrent dans une troisième phase, caractérisée par des fluctuations plus importantes de la population. Les écosystèmes sont devenus instables, ce qui signifie que les populations fluctuent constamment au fil du temps. Bien que certaines extinctions se soient produites, ces écosystèmes avaient tendance à avoir une fraction globale plus importante d'espèces survivantes.

Prédire le comportement

À l'aide de ces données, les chercheurs ont pu dessiner un diagramme de phase qui décrit comment les écosystèmes changent en fonction de seulement deux facteurs :le nombre d'espèces et la force des interactions entre elles. Ceci est analogue à la façon dont les physiciens sont capables de décrire les changements dans le comportement de l'eau en se basant uniquement sur deux conditions :la température et la pression. Detailed knowledge of the exact speed and position of each molecule of water is not needed.

"While we cannot access all biological mechanisms and parameters in a complex ecosystem, we demonstrate that its diversity and dynamics may be emergent phenomena that can be predicted from just a few aggregate properties of the ecological community:species pool size and statistics of interspecies interactions," Hu says.

The creation of this kind of phase diagram could help ecologists make predictions about what might be happening in natural ecosystems such as forests, even with very little information, because all they need to know is the number of species and how much they interact.

"We can make predictions or statements about what the community is going to do, even in the absence of detailed knowledge of what's going on," Gore says. "We don't even know which species are helping or hurting which other species. These predictions are based purely on the statistical distribution of the interactions within this complex community."

The researchers are now studying how the flow of new species between otherwise isolated populations (similar to island ecosystems) affects the dynamics of those populations. This could help to shed light on how islands are able to maintain species diversity even when extinctions occur. + Explorer plus loin

Changes in marine ecosystems are going undetected

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