[PDF] Principes écologiques et modélisation en écologie

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Principes écologiques et modélisation en Principes écologiques et modélisation en

écologieécologie

thDDL![9 thDDL![9

Master 1 Master 1 -- UE BEM 221(UE BEM 221(

MODMOD

élisationélisation

EEn écologie n écologie

MMarine)arine)

http://www.com.univ-mrs.fr/~poggiale Généralités en écologieLa démarche générale en modélisation

Plan du coursPlan du cours

Objectifs et apports de la modélisation mathématique en écologieEcologie

Objectifs

Démarche

Processus

Expérience

Contenu

Echelles

Contenu et objectifs du cours - Acquisitions envisagéesNiveaux d"organisation et changements d"échellesExpérimentation et modélisation

Modélisation = formulation de processus

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élisationélisation

EEn écologie n écologie

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Définitions de l"écologieDéfinitions de l"écologie • Ecologie ( grec oikos" maison », " habitat » et logos (" science », " connaissance »): science de la maison, de l"habitat. Le terme a été inventé en 1866 par Ernst Haeckel (biologiste et philosophe allemand, 1834 - 1919).

Ecologie

Objectifs

Démarche

Processus

Expérience

Contenu

Echelles

• relation organismes - environnement • étude des mécanismes et des processus permettant d "expliquer la distribution et l "abondance des organismes • étude de la biosphèrebiosphère

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élisationélisation

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Écologie

Écologie des

écosystèmes et des

paysagesÉcologie des populations et des peuplements ou communautés

Ecologie

Objectifs

Démarche

Processus

Expérience

Contenu

Echelles

• Cycles biogéochimiques • Flux d"énergie• Processus démographiques• Forçages environnementaux

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élisationélisation

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Structure hiérarchique d "une

communauté

Communauté

Environnement

Ecologie

Objectifs

Démarche

Processus

Expérience

Contenu

Echelles

Sous- populationsPopulations

Individus

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• Croissance• Fertilité• MobilitéCaractérisation des individus

Ecologie

Objectifs

Démarche

Processus

Expérience

Contenu

Echelles

• Comportement • Adaptations à l"environnement • Génétique

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élisationélisation

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• Densité de la population• Structure en âge•Distribution pondérale

Caractérisation des

populations

Ecologie

Objectifs

Démarche

Processus

Expérience

Contenu

Echelles

•Distribution pondérale• Distribution spatiale• Distribution génétique

Sous-population

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• Composition spécifique• Structure spécifique•Disponibilité des niches écologiques

Caractérisation des

communautés

Ecologie

Objectifs

Démarche

Processus

Expérience

Contenu

Echelles

•Disponibilité des niches écologiques• Chevauchements de niches• Composition et structure fonctionnelle

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élisationélisation

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• Biotope• Communautés•Processus physiques et chimiques

Caractérisation d"un

écosystème

Ecologie

Objectifs

Démarche

Processus

Expérience

Contenu

Echelles

•Processus physiques et chimiques• Structure spatiale• Cycles biogéochimiques

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élisationélisation

EEn écologie n écologie

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Forçage environnemental

• Conditions climatiques • Propriétés physico-chimiques • Espace • Sels nutritifs

ABIOTIQUES

Ecologie

Objectifs

Démarche

Processus

Expérience

Contenu

Echelles

• Ressources - Nourriture disponible • Prédateurs • Compétiteurs

BIOTIQUES

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élisationélisation

EEn écologie n écologie

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Exemples de questions scientifiques

•Individu: • Quels sont les facteurs qui déterminent la vitesse de croissance, de développement et de reproduction des organismes ? • Quelles sont les causes de mortalité ?

Ecologie

Objectifs

Démarche

Processus

Expérience

Contenu

Echelles

•Population: • Qu"est ce qui détermine si une population croît ou décroît ? • Pourquoi certaines populations sont stables pendant plusieurs générations alors que d"autres explosent ou s"écroulent régulièrement ? • Quels sont les facteurs d"extinction ?

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Exemples de questions scientifiques

•Communauté: • Qu"est ce qui détermine si des populations peuvent coexister ? • Est-ce que les détails des relations prédateur - proie ont une importance ?

Qui mange qui ?

•Écosystème

Ecologie

Objectifs

Démarche

Processus

Expérience

Contenu

Echelles

•Écosystème • Comment l"énergie chimique et les éléments biogènes stockés circulent dans un écosystème ? • Qu"est-ce qui contrôle ces flux ? • Comment les flux d"énergie et de matière affectent les dynamiques des différentes populations qui composent l"écosystème ?

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Démarche de l"étude

1 - Analyse démographique

2 - Analyse de la dynamique

Ecologie

Objectifs

Démarche

Processus

Expérience

Contenu

Echelles

3 - Analyse des pressions sélectives

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• Ecologie - Biologie : Domaines complexes (nombreuses entités interactives en environnement variable) • Contrairement à la physique actuelle, il n"y a pas de lois

générales " universelles »•Théorie : cadre général permettant de replacer les études particulières et • Etablir des relations entre grandeurs observables

Ecologie

Objectifs

Démarche

Processus

Expérience

Contenu

Echelles

•Théorie : cadre général permettant de replacer les études particulières et de donner de la substance aux connaissances (ex: théorie de l"évolution =

nouvel éclairage sur les relations entre espèces et leur devenir). • Apport des mathématiques (aide au raisonnement en se basant sur un formalisme éprouvé, peu coûteux, nombreuses expériences numériques, analyses exploratoires, expression de relations entre variables, etc.)

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• Simplifier la description des processus• Quantifier et comprendre le rôle de chacun d "eux• Tester des hypothèses• Généraliser - AnalogiesRôle de la modélisation

Ecologie

Objectifs

Démarche

Processus

Expérience

Contenu

Echelles

• Déterminer des paramètres non mesurables • Étudier les interactions d"un grand nombre de processus • Prévoir

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élisationélisation

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1. La prévision et l"aide à la décision nécessitent un modèle

opérationnel, muni de mesures d"incertitudes; • Ce modèle peut ne rien expliquer • Les configurations dans lesquelles s"appliquent la prévision ou l"aide à la décision doivent être bien définies • Ce type de modèle est souvent obtenu par couplage de différents

Ecologie

Objectifs

Démarche

Processus

Expérience

Contenu

Echelles

modules plus ou moins bien validés séparément • La complexité de ce type de modèle empêche généralement son

étude approfondie

hors simulations • La "validation » de ces modèles nécessitent une bonne expertise de leurs sorties et une bonne collaboration entre les experts " terrains » et les " modélisateurs »

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2. La quantification d"un processus ou d"une grandeur;

• Mesurer une grandeur ou l"intensité d"un processus n"est pas toujours réalisable ou peut s"avérer coûteux • Un modèle peut permettre de mettre en relation des grandeurs inconnues et des quantités mesurées

Ecologie

Objectifs

Démarche

Processus

Expérience

Contenu

Echelles

• Un tel modèle peut ne rien expliquer (modèle empirique) • La quantification n"est valable a priori que dans les limites où le modèle a été validé

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3. L"étude quantitative des interactions entre variables

• Même dans un système simplifié , l"effet de la variation d"une grandeur sur l"ensemble des variables avec laquelle elle interagit peut être difficile à établir intuitivement • Des modèles simples ont souvent mis des effets contre - intuitifs

Ecologie

Objectifs

Démarche

Processus

Expérience

Contenu

Echelles

en évidence • Cet objectif peut s"avérer très instructif dans le cas d"étude de processus (enrichissement de la connaissance • Cet objectif est le fondement de la capacité d"intégration des modèles

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4. La mise en évidence de relations indirectes entre observations

• Certaines observations sont parfois difficiles à interpréter par manque d"information sur l"origine de leur variation • Un modèle peut s"avérer efficace pour fournir les informations manquantes permettant de relier les observations de manière

Ecologie

Objectifs

Démarche

Processus

Expérience

Contenu

Echelles

indirecte • Une bonne connaissance des processus sous-jacents est nécessaire

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5. Les changements d"échelles ou de niveaux d"organisation

• L"intégration de processus se réalisant à des échelles spatio- temporelles significativement différentes peut être réalisée au moyen de la modélisation • De la même manière, des interactions à des niveaux d"organisation

Ecologie

Objectifs

Démarche

Processus

Expérience

Contenu

Echelles

différents peuvent être décrites formellement et analysées • Le couplage de modèles est souvent la méthode employée • Dans ce cas, le travail consiste à essayer de réduire les temps de simulations en s"appuyant sur les amplitudes des différences d"échelles

La prévision

Exemple de modèle:Ecologie

Objectifs

Démarche

Processus

Expérience

Contenu

Echelles

1 1 t t t N N rN K

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1 1 1 2 1 1 1 2 2 2 2 2

1a NdN NrN Pdt K b N

a N a P dP e P P C dt b N b P a PdCe C Cdt b P m m

Ecologie

Objectifs

Démarche

Processus

Expérience

Contenu

Echelles

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Ecologie

Objectifs

Démarche

Processus

Expérience

Contenu

Echelles

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élisationélisation

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Qualité d"un modèle

Ecologie

Objectifs

Démarche

Processus

Expérience

Contenu

Echelles

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