Une grande nouvelle idée introduite avec l’aide d’un minuscule plancton

Reportage dans le journal Science Le 16 février, l’équipe a montré comment les relations microscopiques au sein du plancton – par exemple entre la taille d’un organisme et la consommation de nutriments – s’étendent pour affecter de manière prévisible les réseaux alimentaires.

« En utilisant les données que d’autres chercheurs ont mesurées à l’échelle microscopique sur ces organismes, notre modèle peut prédire ce qui se passe à l’échelle d’écosystèmes entiers », a déclaré Jonas Wickman, chercheur postdoctoral associé au Collège des sciences naturelles de MSU et premier auteur du nouvel article. .

« Nous pouvons maintenant montrer comment les règles de vie de niveau inférieur alimentent ces niveaux supérieurs sur la base d’interactions écologiques et de considérations évolutives », a déclaré Elena Litchman, scientifique principale à la division Sciences et ingénierie de la biosphère de Carnegie. « Jusqu’à présent, les gens considéraient ces niveaux de manière isolée. »

Ce nouveau rapport permettra à l’équipe et à ses pairs de concevoir de nouvelles expériences pour tester, affiner et étendre le modèle en l’étendant à d’autres espèces et écosystèmes. Cela pourrait à terme permettre au modèle d’éclairer les stratégies de gestion des écosystèmes dans divers environnements à travers le monde.

Petits organismes, impact mondial

L’équipe souhaite également savoir ce qu’elle peut apprendre de plus de son modèle et du plancton qu’elle étudie.

« Nous les avons choisis comme système modèle pour plusieurs raisons », a déclaré Christopher Klausmeier, professeur à la MSU Research Foundation à la station biologique WK Kellogg. Il est également membre du corps professoral du Département de biologie végétale, du Département de biologie intégrative et du programme d’écologie, d’évolution et de comportement, ou EEB, de MSU.

L’une des raisons est que le plancton constitue le principal objectif de recherche du groupe de recherche dirigé par Litchman et Klausmeier.

« Ce sont des organismes relativement simples. Si quelque chose doit suivre les règles, le plancton est un bon candidat », a déclaré Klausmeier. « Mais ils sont également importants à l’échelle mondiale. Ils sont responsables d’environ la moitié de la production primaire sur Terre et constituent la base de la plupart des réseaux trophiques aquatiques. »

Les producteurs primaires utilisent des processus biochimiques tels que la photosynthèse pour transformer le carbone et les nutriments bruts de la Terre en composés utiles aux organismes eux-mêmes et à leurs prédateurs. Cela signifie que le plancton est un rouage essentiel de la machinerie naturelle qui cycle les éléments essentiels à la vie de la planète, notamment le carbone, l’azote et l’oxygène.

Disposer de ce modèle à l’échelle qui décrit le plancton peut donc être utile pour mieux comprendre ces processus clés, ainsi que si et comment ceux-ci évoluent avec le climat de la planète.

L’équipe n’a pas inclus les variables associées au climat comme la température dans cette étude, mais les chercheurs planifient déjà leurs prochaines étapes dans cette direction.

« Les effets du réchauffement climatique pourraient altérer les processus physiologiques de niveau inférieur », a déclaré Litchman. « Nous pourrions ensuite utiliser ce cadre pour voir comment ces effets se propagent à différents niveaux d’organisation. »

Une simplicité époustouflante

Wickman n’a pas toujours été un écologiste du plancton. Son diplôme de premier cycle était en physique, mais il s’est orienté vers l’écologie lors de ses études doctorales en Suède avant de rejoindre le laboratoire Klausmeier-Litchman en 2020.

L’équipe a déclaré que sa formation en physique avait façonné son approche du développement de ce modèle, que Litchman a décrit comme « beau – supprimant tout sauf les processus essentiels ».

Pour commencer, Wickman s’est construit à partir de théories fondamentales décrivant son système d’intérêt. Seulement dans ce cas, le système n’était pas, disons, des particules de mécanique quantique. Il s’agissait de minuscules organismes reliés par un simple réseau alimentaire.

Au sein de ce réseau, le phytoplancton en est le principal producteur et le zooplancton en est le prédateur.

« Eh bien, vraiment des brouteurs », a déclaré Wickman à propos du zooplancton. « Nous n’avons pas l’habitude de qualifier les vaches de prédatrices d’herbe. »

Pour apprécier pleinement le fonctionnement de cette relation importante et ses implications mondiales, les chercheurs l’ont décomposée en ses composantes régies par l’écologie et l’évolution.

Par exemple, des considérations microscopiques telles que la taille d’un phytoplancton affectent sa capacité à rivaliser pour les nutriments, ce qui à son tour influence la taille des cellules et la probabilité qu’elles deviennent la nourriture du zooplancton.

Ces facteurs microscopiques sont donc liés à des variables macroscopiques, notamment la répartition des nutriments et la densité ou la rareté des planctons différents qui peuplent leurs environnements.

Au cours des dernières décennies, les scientifiques ont formulé des mathématiques qui décrivent individuellement des relations importantes à l’échelle micro et macro. Les tentatives visant à combler les différences ont toutefois laissé les chercheurs sur leur faim, a déclaré Wickman.

C’est parce que les tentatives précédentes pour établir ce lien ont dû faire des compromis. Certains modèles précédents ont choisi la simplicité au détriment de la précision et du réalisme. D’autres ont affronté cette complexité avec une force de calcul brute, les rendant moins accessibles et plus difficiles à utiliser.

« Notre modèle inclut des mécanismes écologiques et évolutifs réels, mais il est assez simple à utiliser », a déclaré Wickman.

Le travail a commencé comme une pure théorie, mais Litchman a suggéré qu’il devrait être possible de tester ses prédictions en utilisant les données existantes. « Quand j’ai vu à quel point le modèle correspondait aux observations, mes yeux se sont écarquillés », a-t-elle déclaré.

Avec le soutien de la National Science Foundation des États-Unis, ou NSF, l’équipe travaillait sur ce problème depuis plusieurs années et avait publié un article antérieur développant les techniques de modélisation éco-évolutive sur lesquelles elles s’appuyaient.

Aujourd’hui, l’équipe a démontré le potentiel de son modèle en l’unissant à des données du monde réel.

« La révélation selon laquelle les modèles émergents à l’échelle macroécologique peuvent être expliqués par les propriétés d’organismes individuels à l’échelle microécologique est aussi convaincante qu’élégante », a déclaré Steve Dudgeon, directeur de programme à la Direction des sciences biologiques de la NSF, qui a contribué au financement des travaux.

« L’étude ouvre de nouvelles voies de recherche qui pourraient améliorer la prédiction de la façon dont les écosystèmes et les relations entre les organismes qui les composent changeront avec la dynamique éco-évolutive interagissant dans des environnements changeants. »

En raison de la variation naturelle des systèmes biologiques, le modèle et ses résultats peuvent sembler compliqués à quelqu’un habitué à la précision de la physique, mais Wickman les considère avec enthousiasme.

« Nous avons en fait atteint une assez bonne précision en matière d’écologie », a-t-il déclaré. « Nous n’avons peut-être pas le même niveau d’élégance théorique que la physique, mais cela signifie simplement que nous avons beaucoup plus de territoire à explorer. »