Modèle d'écosystème - Ecosystem model

Un diagramme structurel du modèle d'écosystème de plancton en haute mer de Fasham , Ducklow & McKelvie (1990).

Un modèle d'écosystème est une représentation abstraite , généralement mathématique , d'un système écologique (allant à l'échelle d'une population individuelle , à une communauté écologique , ou même à un biome entier ), qui est étudiée pour mieux comprendre le système réel.

À l'aide des données recueillies sur le terrain, des relations écologiques, telles que la relation entre la lumière du soleil et la disponibilité de l'eau et le taux de photosynthèse , ou celle entre les populations de prédateurs et de proies, sont dérivées et combinées pour former des modèles d' écosystème . Ces systèmes modèles sont ensuite étudiés afin de faire des prédictions sur la dynamique du système réel. Souvent, l'étude des inexactitudes dans le modèle (par rapport aux observations empiriques) conduira à la génération d'hypothèses sur d'éventuelles relations écologiques qui ne sont pas encore connues ou bien comprises. Les modèles permettent aux chercheurs de simuler des expériences à grande échelle qui seraient trop coûteuses ou contraires à l'éthique à réaliser sur un écosystème réel. Ils permettent également de simuler des processus écologiques sur de très longues périodes de temps (c'est-à-dire simuler un processus qui prend des siècles en réalité, peut se faire en quelques minutes dans un modèle informatique).

Les modèles écosystémiques ont des applications dans une grande variété de disciplines, telles que la gestion des ressources naturelles , l' écotoxicologie et la santé environnementale , l' agriculture et la conservation de la faune . La modélisation écologique a même été appliquée à l'archéologie avec plus ou moins de succès, par exemple en se combinant avec des modèles archéologiques pour expliquer la diversité et la mobilité des outils en pierre.

Types de modèles

Il existe deux grands types de modèles écologiques, qui sont généralement appliqués à différents types de problèmes : (1) les modèles analytiques et (2) les modèles de simulation / calcul . Les modèles analytiques sont généralement des systèmes relativement simples (souvent linéaires), qui peuvent être décrits avec précision par un ensemble d'équations mathématiques dont le comportement est bien connu. Les modèles de simulation, quant à eux, utilisent des techniques numériques pour résoudre des problèmes pour lesquels les solutions analytiques sont impraticables ou impossibles. Les modèles de simulation ont tendance à être plus largement utilisés et sont généralement considérés comme plus réalistes sur le plan écologique, tandis que les modèles analytiques sont appréciés pour leur élégance mathématique et leur pouvoir explicatif. Ecopath est un système logiciel puissant qui utilise des méthodes de simulation et de calcul pour modéliser les écosystèmes marins . Il est largement utilisé par les scientifiques marins et halieutiques comme outil de modélisation et de visualisation des relations complexes qui existent dans les écosystèmes marins du monde réel.

Conception de modèle

Schéma du modèle de Silver Springs (Odum, 1971). Notez l'agrégation en groupes fonctionnels tels que « herbivores » ou « décomposeurs ».

Le processus de conception du modèle commence par une spécification du problème à résoudre et des objectifs du modèle.

Les systèmes écologiques sont composés d'un nombre énorme de facteurs biotiques et abiotiques qui interagissent les uns avec les autres de manière souvent imprévisible ou si complexe qu'il est impossible de les intégrer dans un modèle calculable. En raison de cette complexité , les modèles écosystémiques simplifient généralement les systèmes qu'ils étudient à un nombre limité de composants qui sont bien compris et jugés pertinents pour le problème que le modèle est censé résoudre.

Le processus de simplification réduit généralement un écosystème à un petit nombre de variables d'état et de fonctions mathématiques qui décrivent la nature des relations entre elles. Le nombre de composants de l'écosystème qui sont incorporés dans le modèle est limité par l'agrégation de processus et d'entités similaires en groupes fonctionnels qui sont traités comme une unité.

Après avoir établi les composants à modéliser et les relations entre eux, un autre facteur important dans la structure du modèle d'écosystème est la représentation de l' espace utilisé. Historiquement, les modèles ont souvent ignoré la question confondante de l'espace. Cependant, pour de nombreux problèmes écologiques, la dynamique spatiale est une partie importante du problème, avec des environnements spatiaux différents conduisant à des résultats très différents. Les modèles spatialement explicites (également appelés modèles « spatialement distribués » ou « paysagers ») tentent d'intégrer un environnement spatial hétérogène dans le modèle. Un modèle spatial est un modèle qui a une ou plusieurs variables d'état qui sont fonction de l'espace, ou qui peuvent être liées à d'autres variables spatiales.

Validation

Après la construction, les modèles sont validés pour s'assurer que les résultats sont suffisamment précis ou réalistes. Une méthode consiste à tester le modèle avec plusieurs ensembles de données qui sont indépendants du système réel étudié. Ceci est important car certaines entrées peuvent amener un modèle défectueux à produire des résultats corrects. Une autre méthode de validation consiste à comparer la sortie du modèle avec les données recueillies à partir d'observations sur le terrain. Les chercheurs précisent fréquemment à l'avance l'écart qu'ils sont prêts à accepter entre les paramètres produits par un modèle et ceux calculés à partir des données de terrain.

Exemples

Les équations de Lotka-Volterra

Un exemple de série chronologique du modèle Lotka-Volterra . Notez que les deux populations présentent un comportement cyclique et que le cycle des prédateurs est en retard par rapport à celui de la proie.

L'un des modèles écologiques les plus anciens et les plus connus est le modèle prédateur-proie d' Alfred J. Lotka (1925) et de Vito Volterra (1926). Ce modèle prend la forme d'une paire d' équations différentielles ordinaires , l'une représentant une espèce proie , l'autre son prédateur.

${\displaystyle {\frac {dX}{dt}}=\alpha .X-\beta .XY}$

${\displaystyle {\frac {dY}{dt}}=\gamma .\beta .XY-\delta .Y}$

où,

Volterra a initialement conçu le modèle pour expliquer les fluctuations des populations de poissons et de requins observées dans la mer Adriatique après la Première Guerre mondiale (lorsque la pêche a été réduite). Cependant, les équations ont par la suite été appliquées de manière plus générale. Bien que simples, ils illustrent certaines des caractéristiques saillantes des modèles écologiques : les populations biologiques modélisées connaissent une croissance , interagissent avec d'autres populations (en tant que prédateurs, proies ou compétitrices ) et subissent une mortalité .

Une alternative crédible et simple au modèle prédateur-proie de Lotka-Volterra et à ses généralisations courantes dépendantes des proies est le modèle dépendant du rapport ou Arditi-Ginzburg . Les deux sont les extrêmes du spectre des modèles d'interférence des prédateurs. Selon les auteurs du point de vue alternatif, les données montrent que les véritables interactions dans la nature sont si éloignées de l'extrême Lotka-Volterra sur le spectre d'interférence que le modèle peut simplement être considéré comme erroné. Ils sont beaucoup plus proches de l'extrême dépendant du rapport, donc si un modèle simple est nécessaire, on peut utiliser le modèle Arditi-Ginzburg comme première approximation.

Autres

L' écologiste théoricien Robert Ulanowicz a utilisé des outils de la théorie de l' information pour décrire la structure des écosystèmes, en mettant l' accent sur l'information mutuelle (corrélations) dans les systèmes étudiés. S'appuyant sur cette méthodologie et des observations antérieures d'écosystèmes complexes, Ulanowicz décrit des approches pour déterminer les niveaux de stress sur les écosystèmes et prédire les réactions du système à des types définis d'altération de leurs paramètres (tels que l'augmentation ou la réduction du flux d'énergie et l' eutrophisation .

Le jeu de la vie de Conway et ses variantes modélisent des écosystèmes où la proximité des membres d'une population est un facteur de croissance démographique.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

• Khan, MF ; Preetha, P.; Sharma, AP (2015). « Modélisation du réseau trophique pour l'évaluation de l'impact de la supplémentation des stocks dans un écosystème de réservoir en Inde ». Gestion des pêches et écologie . 22 (5) : 359-370. doi : 10.1111/fme.12134 .
• Panikkar, Preetha; Khan, M. Feroz; Desai, réalité virtuelle ; Shrivastava, NP ; Sharma, AP (2014). « Caractériser les interactions trophiques d'un écosystème réservoir tropical dominé par le poisson-chat pour évaluer les effets des pratiques de gestion ». Biologie environnementale des poissons . 98 : 237-247. doi : 10.1007/s10641-014-0255-6 . S2CID  16992082 .
• Panikkar, Preetha; Khan, M. Feroz (2008). « Modèles trophiques à bilan massique comparatif pour évaluer l'impact des mesures de gestion de l'environnement dans un écosystème réservoir tropical ». Modélisation écologique . 212 (3-4): 280-291. doi : 10.1016/j.ecolmodel.2007.10.029 .
• Feroz Khan, M. ; Panikkar, Preetha (2009). « Évaluation des impacts des poissons envahissants sur la structure du réseau trophique et les propriétés de l'écosystème d'un réservoir tropical en Inde ». Modélisation écologique . 220 (18) : 2281-2290. doi : 10.1016/j.ecolmodel.2009.05.020 .

Liens externes

• Ressources de modélisation écologique (ecobas.org)
• Modèles d'évaluation de l'exposition Agence de protection de l'environnement des États-Unis
• Écotoxicologie et modèles (ecotoxmodels.org)