Dynamique et stabilité des écosytèmes structurés spatialement

Dynamics and stability of spatially structured ecosystems

• Auteur / Autrice : Camille Saade
• Direction : Sonia Kéfi, Emanuel Fronhofer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ecologie et Biodiversité
• Date : Soutenance le 20/09/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de l'évolution (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Jarne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Jarne, José M. Montoya, Elisa Thébault, Juliano S. Cabral
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : José M. Montoya, Elisa Thébault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microcosme et macrocosme

Écosystèmes

Plantes anthropiques

Mots clés libres

Transitions catastrophiques

Métacommunautés

Stabilité

Dispersion

Perturbations

Catastrophic shifts

Metacommunity dynamics

Stability

Dispersal

Disturbances

Résumé

Dans un contexte de changements globaux, il est crucial de comprendre comment les écosystèmes réagissent aux pressions anthropiques. L'écologie théorique a déjà beaucoup étudié comment les systèmes écologiques se régénèrent suite à des perturbations, mais elle s'appuie encore sur des systèmes relativement simples, qui sont typiquement isolés dans l'espace et comportent peu d'espèces.Cette thèse aborde cette problématique en étudiant si la prise en compte de l'espace de manière explicite affecte notre compréhension actuelle de la stabilité des écosystèmes. Plus précisément, nous explorons l'interaction entre la structure spatiale des perturbations et la structure spatiale du paysage, et leurs effets sur la réponse des méta-populations et des méta-communautés aux perturbations.Dans le premier chapitre, nous utilisons des expériences en microcosmes couplées à un modèle mathématique pour étudier comment le nombre et l'organisation spatiale d'extinctions locales affectent la dynamique des métacommunautés. En particulier, nous nous concentrons sur les patrons de diversité des espèces et montrons que les extinctions locales peuvent augmenter à la fois la diversité locale et inter-patch, mais que la contribution à chaque niveau de diversité dépend largement de la structure spatiale des extinctions. Dans le deuxième chapitre, nous étudions l'impact de la structure spatiale d'une métapopulation sur sa stabilité. Nous nous concentrons sur des métapopulations structurées spatialement dans lesquelles les dynamiques locales sont bistables et nous explorons la stabilité qui en résulte à l'échelle du paysage. Nous montrons que des transitions catastrophiques locales peuvent se propager dans l'espace jusqu'à affecter l'ensemble de la métapopulation, et que la bistabilité locale entraîne une bistabilité à l'échelle du paysage avec une forte hystérèse. Nous soulignons que l'ampleur de l'hystérèse dépend fortement de la structure spatiale de la métapopulation et que les études précédentes qui étudient le cas d'une structure spatiale unidimensionnelle simple sous-estiment l'hystérèse qui peut être observée dans des paysages plus réalistes. Dans le troisième chapitre, nous discutons des aspects de la complexité qui devraient être pris en compte pour mieux comprendre les transitions catastrophiques. Nous passons en revue les travaux existants et soulignons des approches prometteuses pour de futurs développements. Dans le quatrième chapitre, nous présentons une telle approche qui permet de réduire la dynamique d'une métapopulation spatialement structurée à une seule dimension. Nous étudions l'efficacité de cette réduction dans des métapopulations avec différentes structures spatiales, et nous montrons que les équilibres à l'échelle du paysage et la variabilité temporelle de réseaux spatiaux complexes peuvent effectivement être prédits par une équation unidimensionnelle.

In the context of global changes, it is crucial to understand how ecosystems react to anthropic pressures. Theoretical ecology has already largely studied how populations recover from perturbations, but it still relies on relatively simple systems, which are typically isolated in space and species-poor. This thesis tackles this issue by investigating whether considering space explicitly affects our current understanding of ecosystem stability. More specifically, we explore the interplay between the spatial structure of perturbations and the spatial structure of the landscape and its effects on the response of meta-populations and meta-communities to disturbances.In the first chapter, we use laboratory microcosm experiments coupled with a mathematical model to study how the number and spatial clustering of local extinctions affects the dynamics of metacommunities. In particular, we focus on patterns of species diversity and show that local extinctions can increase both local and inter-patch diversity, but that the contribution to each level of diversity depends largely on the spatial structure of extinctions. In the second chapter, we investigate the impact of a metapopulation's spatial structure on its stability. We focus on spatially explicit metapopulations in which local dynamics are bistable and explore the resulting landscape-scale stability. We show that local catastrophic shifts can spread in space until they affect the whole metapopulation, and that local bistability results in landscape-scale bistability with a strong hysteresis. We highlight that the size of the hysteresis depends strongly on the metapopulation spatial structure and that previous studies using a simple one-dimensional spatial structure had underestimated the hysteresis than can be observed in more realistic landscapes. In the third chapter, we reflect on which layers of complexity should be considered to better understand catastrophic shifts by reviewing existing work and highlighting promising approaches for future developments. In the fourth chapter, we present such an approach that allows to reduce the dynamics of a spatially-structured metapopulation to a single dimension.We investigate how well this reduction works in metapopulations with different structures (random, modular, dendritic), and show that the landscape-scale equilibria and temporal variability of complex spatial networks can effectively be predicted by a one-dimensional equation.