Dynamique éco-évolutive de la biodiversité : Comprendre et prédire l’impact des fluctuations environnementales à de multiples échelles spatio-temporelles

Eco-evolutionary biodiversity dynamics : understanding and predicting the influence of environmental heterogeneity at multiple temporal and spatial scales

• Auteur / Autrice : Elizabeth Barthelemy
• Direction : François Julien Munoz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biodiversité écologie environnement
• Date : Soutenance le 07/03/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble, Isère, France ; 1966-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivier François
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Choler, Nicolas Mouquet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hélène Morlon, François Massol

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biogéographie

Forêts tropophiles

Biodiversité

Mots clés libres

Dynamique de la biodiversité

Forêts tropicales

Assemblage des communautés

Coalescent

Biogéographie

Biodiversity dynamics

Tropical forests

Coalescent

Biogeography

Community assembly

Résumé

L'occurrence locale et la fréquence régionale des espèces dépendent de processus écologiques fondamentaux tels que les processus de niche, la migration, et la stochasticité démographique, mais aussi de la diversification des espèces et des changements de leurs caractères au cours du temps. De plus, la dynamique d'assemblage dans un environnement fini et hétérogène (perspective écologique) affecte la dynamique de spéciation et d'extinction sur le long terme (perspective évolutive), en fonction des changements environnementaux. Cette combinaison complexe de processus opérant à différentes échelles spatiales et temporelles implique d'intégrer les processus écologiques, biogéographiques et évolutifs dans de nouveaux modèles éco-évolutifs, pour une meilleure compréhension de la dynamique de la biodiversité. La thèse propose une nouvelle approche de modélisation de telles dynamiques, basées sur la théorie du coalescent, pour explicitement représenter, sous la forme d’une généalogie, l’effet d’un environnement fluctuant sur la démographie des individus sur le long terme. Le couplage entre démographie des individus et diversification des espèces est permis par un modèle de spéciation prolongée, et permet d’obtenir des prédictions sur différentes facettes de la biodiversité actuelle en fonction de changements anciens. L’utilisation de simulations à partir de ce modèle permet d’évaluer la signature sur le long terme de processus historiques sur la biodiversité actuelle. Dans une perspective où les communautés d'espèces ne sont pas à l’équilibre avec les conditions environnementales actuelles, mais restent influencées par des événements historiques anciens, du fait de dynamiques internes lentes, l'émergence de dynamiques transitoires permet de détecter l’influence de tels événements. De même, l’utilisation d’une approche par simulation explicite des processus permet d’inférer par Calcul Bayésien Approché (ABC), la contribution relative de processus combinés, tels que les processus de niche et les processus neutres, à partir de l’observation des patrons de diversité. Ainsi, la thèse propose des formalisations originales de la dynamique écologique et éco-évolutive de la biodiversité, et clarifie comment les processus fondamentaux peuvent être représentés et inférés au moyen de modèles dynamiques.

Both the local occurrence and regional frequencies of species depend on basic ecological processes such as niche dynamics, migration, and demographic stochasticity, as well as on the diversification of species and on changes in their traits over time. In addition, assembly dynamics in a finite and heterogeneous environment (ecological perspective) affect speciation and extinction dynamics in the long-term (evolutionary perspective), depending on environmental fluctuations. This complex combination of processes operating at different spatial and temporal scales implies that the ecological, biogeographical and evolutionary processes be integrated in new eco-evolutionary models, to better understand biodiversity dynamics. This thesis proposes a new approach for modeling such dynamics, based on coalescent theory, which explicitly represents, in the form of a genealogy, the effect of a fluctuating environment on the demography of individuals over time. The coupling between the demography of individuals and the diversification of species is achieved by a model of protracted speciation, and yields predictions regarding different components of current diversity patterns depending on past changes. The use of simulations from this model can be used to assess the long-term signature of historical events on current biodiversity. In a perspective where communities of species are not in equilibrium with current environmental conditions, but continue to be impacted by ancient historical events, as a result of slow internal dynamics, the emergence of transient dynamics will reveal the influence of such events. Similarly, the use of an explicit process-based simulation approach can be applied to infer by Approximate Bayesian Computation (ABC), the relative contribution of compound processes, such as niche-based and neutral processes, from the observation of diversity patterns. Thus, the thesis proposes new ways to formalize ecological and eco-evolutionary biodiversity dynamics, and clarifies how fundamental processes can be depicted and inferred using dynamic models.