Il est reconnu que la structure spatiale des paysages joue un rôle crucial dans la dynamique écologique et évolutive. Les organismes interagissent entre eux et avec leur environnement local, avec des schémas à l'échelle régionale. Notre compréhension des mécanismes à l'origine de ces interactions à l'échelle locale est essentielle à notre compréhension de la dynamique des populations, des communautés et des écosystèmes. Cependant, si ces connaissances peuvent être étendues à des modèles régionaux et mondiaux, ou si d'autres mécanismes sont importants à ces échelles supérieures, il faut de nouvelles recherches.

L'objectif de cet axe transversal est de rassembler des chercheurs travaillant à différentes échelles (des individus aux écosystèmes et à la macro écologie) pour identifier les éléments méconnus dans notre compréhension de cette problématique, et contribuer à combler ces connaissances par le développement d'un projet commun.

Pour aborder ce sujet, nous réunissons plusieurs approches et des expertises pour intégrer la théorie, les expériences et les analyses de ‘big data’ à plusieurs échelles.

Les thèmes comprennent :

(1) le passage des populations aux méta-écosystèmes,

(2) l'intensification de la recherche sur la biodiversité locale, la structure, la fonction et la stabilité du réseau à des étendues spatiales plus vastes, et

(3) l'étude des modèles mondiaux de la biodiversité et du fonctionnement des écosystèmes.

Responsables :

Jose Montoya et Staffan Jacob

L'utilisation d'expériences en écologie et évolution a augmenté de façon spectaculaire au cours des deux ou trois dernières décennies, comme en témoigne la construction récente de nombreuses installations expérimentales hautement contrôlées et la multiplication d'expériences à long terme dans les écosystèmes naturels. Bien que certaines revues aient déjà discuté de l'utilisation des installations expérimentales et des connaissances scientifiques qui peuvent en être tirées, il n'y a eu aucune tentative complète de revoir le rôle des expériences en écologie, leurs contraintes et limites, et la façon de surmonter ces dernières (temps, espace, environnements extrêmes, facteurs de stress multiples, nouvelles perspectives d'expérimentation, combinaison d'expériences, d'observations et de modèles, etc.).

La SETE est bien placée pour lancer une réflexion sur ces questions. Ainsi nous abordons les problématiques suivantes :

• l'utilisation de systèmes modèles dans les expériences écologiques et leurs limites ;
• reproductibilité et validité des expériences écologiques ;
• statistiques et causalité ;
• rétroactions entre expériences écologiques, théorie écologique et modélisation écologique;
• rétroactions entre expériences et observations dans les systèmes naturels ;
• expériences et échelle : combien de temps est assez ? Quelle taille est assez grande ?
• dynamique évolutive des écosystèmes complexes ;
• expérimentation des rétroactions entre l'écosystème et l’homme ;
• expériences sur les mosaïques des écosystèmes ;
• limites des expériences /facteurs multiples et étude des événements extrêmes.

Responsable :

Jean Clobert

Les rétroactions entre les dynamiques écologiques et évolutives sont de plus en plus reconnues comme importantes. Elles sont étudiées à la SETE en utilisant différents systèmes de modèles (protistes, microbiote, papillons, poissons, écrevisses, libellules) et une combinaison d'approches (observationnelles, expérimentales, modélisation). L’une des priorités est la dispersion, un trait-clé de la réponse d’un organisme aux changements globaux, avec de forts effets sur la dynamique écologique et évolutive. La dispersion évolue rapidement, montre une variation génétique au sein des métapopulations et module les relations entre les paramètres évolutifs et écologiques. La fragmentation naturelle et anthropique de l'habitat affecte l'évolution de la dispersion, dont l'influence sur la dynamique des populations peut se répercuter vers le haut sur la dynamique des communautés et le fonctionnement des écosystèmes. A la SETE, la dispersion est étudiée en identifiant et en mesurant plusieurs traits potentiellement corrélés qui forment des syndromes de dispersion héréditaires. Ce processus permet à la modélisation de faire des prédictions qui peuvent être testées par la libération expérimentale d'animaux dans des microcosmes et des métatrons terrestres et aquatiques.

Un deuxième axe de recherche sur les dynamiques éco-évolutives à la SETE concerne la diversité intraspécifique.

Il a été démontré que les changements dans la diversité intraspécifique génèrent des rétroactions évolutives agissant sur la dynamique écologique, y compris les effets au niveau de l'écosystème. Par exemple, l'évolution de la diversité fonctionnelle intraspécifique au sein des populations d'écrevisses influence le taux de décomposition des litières dans leur habitat lacustre.

Les recherches à la SETE montrent également comment les dynamiques écologiques et évolutives se combinent pour influencer des processus aussi divers que l'assemblage du microbiome des éponges, les probabilités d'extinction des populations de papillons et l'imbrication, la diversité et la résilience des réseaux mutualistes.

Responsables :

Claire de Mazancourt and Michael Singer

L'augmentation globale de la taille de la population humaine, la conversion des terres indigènes en agriculture et l'étalement urbain ont tous conduit à une fréquence et une intensité plus élevées des interactions entre l'homme et la nature. Les recherches menées à la SETE nous éclairent sur les problèmes qui affectent différents secteurs de la société. Il s'agit notamment de la planification de la conservation, de l'amélioration des services écosystémiques par une meilleure compréhension des rétroactions entre les activités humaines et le fonctionnement de l'écosystème, élucider la psychologie sous-jacente du comportement social et informer les politiques au niveau international sur la réponse à l'évolution de la biodiversité et du changement climatique. Les conséquences inattendues d'une augmentation des interactions homme-nature, telles que le transfert du virus VIH de l'animal aux populations humaines, peuvent avoir des effets dévastateurs. Bien que les effets négatifs de la production alimentaire intensive génèrent des pressions sociales pour la durabilité, les recherches à la SETE ont montré comment les retards de réponse à ces pressions peuvent, par leur influence sur les services écosystémiques, augmenter la vulnérabilité des systèmes socio-écologiques et entraîner plus probablement l'effondrement des populations humaines. Les recherches à la SETE ont mis en évidence l'importance de coordonner les études sur la dépendance humaine à la biodiversité avec les études des influences humaines sur la biodiversité.

La SETE est bien placée pour approfondir ces thèmes. Une question primordiale que nous développons est : quelles sont les implications de la pression croissante des moteurs du changement global sur les interactions entre les populations humaines et les systèmes naturels, et pour les processus de rétroaction? Des exemples de types de projets sur le thème général des interactions homme-nature :

(1) À l'échelle mondiale, le changement climatique anthropique et le transport humain de plantes et d'animaux exotiques entraînent des mouvements d'espèces sauvages et humaines à travers le monde. Ces changements dans les emplacements géographiques engendrent de nouvelles interactions au sein des communautés naturelles et humaines, et entre les humains et les espèces sauvages. Les questions émergentes que les chercheurs de SETE commencent à aborder sont : quels sont les impacts actuels et futurs de ces nouvelles interactions sur la biodiversité locale, la santé humaine, l'accès et la production alimentaire et le bien-être humain ? Comment une meilleure compréhension de la base génétique vs plastique du comportement coopératif, et de son évolution culturelle et génétique, peut-elle éclairer les actions politiques visant à modifier le comportement du public, par ex. réduire les émissions de gaz à effet de serre ou protéger la biodiversité ?

(2) À l'échelle régionale, les humains empiètent de plus en plus sur les zones naturelles environnantes, créant des habitats fragmentés et dégradés qui résistent moins aux perturbations naturelles ou à l'augmentation de l'intensité des perturbations humaines. À leur tour, les paysages fragmentés et dégradés sont moins adaptés pour accueillir à la fois les espèces sauvages et les humains qui sont chassés de leurs terres natales. Comment une meilleure compréhension des processus se produisant lors de la formation de nouvelles communautés sauvages et humaines peut-elle aider à améliorer la résilience et la stabilité des systèmes humains-naturels couplés ?

Responsable :

Camille Parmesan

Les traits phénotypiques et les gènes sont au cœur des études éco-évolutives. Cependant, il est bien connu que la sélection peut opérer simultanément sur les gènes et les traits dans des directions différentes et avec des forces variables au sein d'une population, ce qui limite notre capacité à interpréter correctement les modèles évolutifs.

Notre équipe développe une vision inclusive des phénomes et des génomes pour mieux comprendre les schémas adaptatifs. D'une part, nous décrivons la structure des traits phénotypiques dans divers taxons et leur potentielle organisation dans des syndromes, c'est-à-dire des suites de traits corrélés. Nous relions ces stratégies phénotypiques aux avantages ou aux coûts potentiels sur le fitness des organismes. La comparaison d'espèces étroitement apparentées nous aide à aborder ces questions aux niveaux intra- et interspécifique.

Notre équipe étudie notamment les syndromes de pollinisation chez les orchidées, les syndromes de prédation chez les serpents et les syndromes de dispersion chez les lézards et les protistes. Nous étudions également une série de traits complexes à travers toutes nos espèces modèles comme la socialité, la coopération, la communication, le mouvement, la capacité cognitive, la sénescence, la préférence d'habitat et l'organisation cellulaire. D'un autre côté, nous étudions l'impact de la structure du génome sur les corrélations entre caractères phénotypiques et sur le fitness. Deux systèmes modèles sont particulièrement utilisés étudiés : les éléments transposables chez les orchidées et la structure singulière du macronoyau des Ciliés (par exemple, nombre élevé et variable des copies chromosomiques). Notre objectif à long terme est d'établir des cartes multidimensionnelles des génomes et des phénomes, mettant en lumière les corrélations entre un certain nombre de leurs dimensions.

La réponse de la biodiversité aux changements environnementaux est une question scientifique et sociétale majeure en raison du changement global. Cependant, nous sommes loin d’être capables de prédire avec précision l’impact des changements environnementaux sur la persistance des organismes, car il nous manque une vision globale des interactions entre les divers processus à l’œuvre.

L’équipe évalue comment la sélection sur des variations préexistantes ou nouvelles, la plasticité phénotypique et/ou la dispersion permettent aux organismes de s’adapter aux changements environnementaux à court (d’une à quelques générations) et à long terme (des dizaines à des milliers de générations). Nous mesurons l'aptitude des organismes dans un ensemble de conditions naturelles ou expérimentales bien contrastées. En particulier, nous nous concentrons sur les réponses aux gradients environnementaux dans des études de terrain à long terme dans les Pyrénées et les Cévennes pour analyser, par exemple, la variation naturelle de la réponse des organismes à l'altitude, à l'hypoxie, à la température et à l'utilisation des terres. Nous étudions également la fragmentation de l'habitat, le changement climatique, la pollution et leurs interactions en réalisant des expériences dans la nature et dans les installations expérimentales de la SETE (métatron terrestre, microcosmes).

La capacité des organismes à exprimer des phénotypes correspondant à des environnements changeants est directement liée aux mécanismes moléculaires sous-jacents.

Les modifications génétiques, mais aussi non génétiques, peuvent entraîner des changements phénotypiques qui permettent aux organismes de suivre les changements environnementaux. Lier l'évolution des phénotypes complexes à leurs bases moléculaires fournit ainsi des informations clés sur le temps de réponse et la stabilité de l'adaptation des organismes. Nous utilisons des approches fondées sur les génomes complets, les transcriptomes et/ou les épigénomes pour relier les modifications phénotypiques, fixes ou plastiques, à leurs mécanismes moléculaires sous-jacents.

Des modifications épigénétiques ou des changements de ploïdie (dans le macronoyau des ciliés) pourraient notamment permettre aux génotypes sous-optimaux d'atteindre rapidement un optimum de fitness par des changements plastiques, étape possiblement suivie par de l'assimilation génétique. Nous nous concentrons sur les déterminants moléculaires des traits influençant fortement le fitness, par exemple, la cognition chez les oiseaux ou l'organisation ciliaire chez les ciliés. Nous utilisons l'évolution expérimentale pour étudier la dynamique des modifications génétiques et non génétiques. Nous recherchons notamment l'existence de contraintes (épi)génétiques responsables de l'évolution des syndromes phénotypiques chez les serpents, les orchidées et les ciliés.

Le fonctionnement et la dynamique des systèmes biologiques peuvent être très différents selon les assemblages de phénomes et de génomes. De plus, certaines stratégies telles que la croissance rapide, les interactions strictes entre espèces et de fréquentes insertions génomiques peuvent assurer un succès à court terme, mais une vulnérabilité à long terme en fonction de la dynamique globale des populations, des communautés ou des écosystèmes.

Nous étudions l'impact de la variabilité intra- et inter-spécifique sur la dynamique des systèmes biologiques à travers des échelles de temps écologiques et évolutives. Nous relions la démographie, la productivité de l'écosystème et la diversification des espèces à la variabilité du phénome et/ou du génome. Nous développons notamment des expériences concertées sur de multiples taxons entre laboratoires et pays pour que les réponses obtenues gagnent en généralité.