Modèle de prédiction d'événements extrêmes inspiré des écosystèmes

Innovation : milieu universitaire

Stanford

2020

Image: Sergueï Akulich / Unsplash / CC BY SA - Attribution Creative Commons + Partage dans les mêmes conditions

Gérer les perturbations dans une communauté

Lorsque les conditions environnementales changent, elles peuvent perturber l'équilibre d'un écosystème. Des pluies excessives peuvent provoquer des inondations et la sécheresse peut provoquer des incendies de forêt. Un écosystème doit être résilient à de telles perturbations. Les perturbations sont imprévisibles en termes d'emplacement, de taille et d'intensité, de sorte que les écosystèmes doivent pouvoir se régénérer et doivent avoir une variété de formes, de processus ou de systèmes en double qui sont dispersés en un lieu. Par exemple, un écosystème forestier peut se remettre d'un incendie parce que divers organismes jouent des rôles différents de différentes manières et à différents endroits. De nombreux organismes peuvent repousser ou se développer à partir de graines déclenchées par le feu, et leur distribution dispersée garantit qu'une population entière n'est pas décimée. Bien que l'écosystème récupéré puisse sembler totalement différent de celui d'avant l'incendie, l'écosystème dans son ensemble reste sain.

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Coopérer au sein d'un écosystème

Un écosystème est une communauté d'organismes (plantes, animaux et microbes) interagissant entre eux et avec les composants non vivants de leur environnement (tels que l'air, l'eau et le sol minéral). Cette interaction peut être passive ou active et peut, de manière coopérative, améliorer le fonctionnement de l'écosystème dans son ensemble. Pour que la coopération contribue au maintien des communautés au sein d'un écosystème, elle doit bénéficier au moins à certains membres de la communauté. La coopération consiste en des relations symbiotiques, telles que le mutualisme (dans lequel deux espèces ou plus dans un écosystème bénéficient) et le commensalisme (dans lequel une espèce bénéficie et l'effet sur les autres est neutre). Un exemple de relation commensale est celle entre les plantes broméliacées et les arbres : les broméliacées vivent sur les arbres sans leur faire de mal. Les broméliacées ont des relations mutualistes avec d'autres espèces, notamment les insectes, les grenouilles et les vers. Les plantes captent l'eau à leur base, formant un bassin que ces organismes rejoignent. Les nutriments que ces organismes excrètent dans leurs déjections nourrissent la broméliacée.

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Maintenir l'homéostasie

Lorsqu'un système vivant est en homéostasie, cela signifie que les conditions internes sont stables et relativement constantes. Par exemple, la température interne d'un être humain est d'environ 37 degrés Celsius (98.6 degrés Fahrenheit), sauf en cas de maladie. Le corps humain maintient cette température malgré la température ambiante extérieure. Cependant, comme pour tous les processus physiologiques, le maintien de l'homéostasie nécessite communication et coordination. Ainsi, les systèmes vivants ont des moyens de détecter les changements par rapport à la norme, des mécanismes pour provoquer un ajustement et des connexions de rétroaction négatives entre les deux. Un lézard du désert appelé le monstre de Gila offre un bon exemple de maintien de l'homéostasie. Le lézard passe de gros repas à jeûner pendant de longues périodes. Pour maintenir son taux de sucre dans le sang à un niveau stable, lorsque la nourriture se fait rare, son système endocrinien libère une hormone qui augmente son taux de sucre dans le sang.

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Le modèle de prédiction d'événements « cygne noir » de l'Université de Stanford utilise des données provenant de divers écosystèmes pour atténuer les catastrophes.

Avantages

Précision accrue
Prévisibilité accrue

Applications

Catastrophes naturelles
Économie

Objectifs de développement durable des Nations Unies abordés

Objectif 8 : Travail décent et croissance économique
Objectif 11 : Villes et communautés durables

Le projet

Une épidémie ou une crise économique peut entraîner des décès, des souffrances à long terme, une dévastation généralisée et des dommages environnementaux. Les événements « cygne noir » sont ceux qui sont hautement improbables, mais s'ils se produisent, ils peuvent avoir un impact énorme. Un modèle de prédiction précis pourrait alerter les gens pour qu'ils se préparent au pire avant qu'un tel événement ne se produise, et potentiellement atténuer les dégâts.

Détails de l'innovation

Le modèle de prédiction utilise une combinaison de modélisation dynamique empirique et de connaissances biologiques antérieures. Le modèle utilise des données à long terme de trois écosystèmes : une étude de huit ans sur le plancton de la mer Baltique avec des niveaux d'espèces mesurés deux fois par semaine ; mesures nettes de carbone d'une forêt de feuillus à feuilles caduques à l'Université de Harvard, recueillies toutes les 30 minutes depuis 1991 ; et des mesures de balanes, d'algues et de moules sur la côte de la Nouvelle-Zélande, prises mensuellement pendant plus de 20 ans. Les résultats indiquent que les fluctuations des différentes espèces biologiques sont statistiquement les mêmes dans les différents écosystèmes. Cela suggère qu'il existe certains processus universels sous-jacents qui peuvent être utilisés pour prévoir les événements extrêmes.

Modèle biologique

Divers écosystèmes semblent prévoir une catastrophe avant qu'elle ne se produise. L'abondance et la résistance d'un écosystème sont constamment surveillées et contrôlées par les individus qui s'y trouvent. Lorsqu'une force externe s'exerce, l'écosystème répond par une série d'événements discrets de différentes ampleurs.

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Stratégie biologique

Les écosystèmes sont stables et résilients

Écosystème de savane

Les savanes ont une stabilité et une résilience fonctionnelles en raison des propriétés uniques des espèces et de leur interaction au niveau du système.

Références

Article de revue

Anticiper des fluctuations écologiques sans précédent

PLOS Biologie Computationnelle

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