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 phase » 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 La 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.

Les dynamiques de population

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 – prédateur, compétitif ou coopératif – 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 pleine et 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. Une connaissance détaillée de la vitesse et de la position exactes de chaque molécule d’eau n’est pas nécessaire.

« Bien que nous ne puissions pas accéder à tous les mécanismes et paramètres biologiques d’un écosystème complexe, nous démontrons que sa diversité et sa dynamique peuvent être des phénomènes émergents qui peuvent être prédits à partir de quelques propriétés agrégées de la communauté écologique : taille du pool d’espèces et statistiques des interactions interspécifiques,  » dit Hu.

La création de ce type de diagramme de phase pourrait aider les écologistes à faire des prédictions sur ce qui pourrait se passer dans les écosystèmes naturels tels que les forêts, même avec très peu d’informations, car tout ce qu’ils ont besoin de savoir, c’est le nombre d’espèces et leur degré d’interaction.

« Nous pouvons faire des prédictions ou des déclarations sur ce que la communauté va faire, même en l’absence de connaissances détaillées sur ce qui se passe », a déclaré Gore. « Nous ne savons même pas quelles espèces aident ou blessent quelles autres espèces. Ces prédictions sont basées uniquement sur la distribution statistique des interactions au sein de cette communauté complexe. »

Les chercheurs étudient maintenant comment le flux de nouvelles espèces entre des populations autrement isolées (similaires aux écosystèmes insulaires) affecte la dynamique de ces populations. Cela pourrait aider à faire la lumière sur la façon dont les îles sont capables de maintenir la diversité des espèces même en cas d’extinction.

La recherche a été financée, en partie, par la Fondation Alfred P. Sloan, le Schmidt Polymath Award et la Israel Science Foundation.