19 avril 2024• Physique 17, 68
La disposition spatiale des plantes dans une forêt tropicale correspond à un état « critique » particulier qui pourrait être vital pour la robustesse des écosystèmes.
M. Guerra/STRI
Grappe critique. La forêt tropicale de l’île Barro Colorado abrite de nombreuses espèces de plantes. Une étude du regroupement de plantes révèle des corrélations sur une large gamme d’échelles de distance, une signature d’un état critique.
M. Guerra/STRI
Grappe critique. La forêt tropicale de l’île Barro Colorado abrite de nombreuses espèces de plantes. Une étude du regroupement de plantes révèle des corrélations sur une large gamme d’échelles de distance, une signature d’un état critique.×
La résilience d’un écosystème aux changements environnementaux et induits par l’homme peut dépendre de la manière dont les plantes du système sont disposées. Forment-ils des touffes éparses ou des réseaux s’étendant sur l’ensemble du terrain ? Une équipe de chercheurs italiens a montré que, dans une forêt tropicale humide du Panama, les espèces végétales dominantes sont disposées dans des distributions dites sans écailles contenant des grappes de tailles très variées. [1]. Cette distribution est caractéristique d’un système proche d’un état critique, dans lequel les effets des perturbations peuvent être rapidement ressentis dans l’ensemble du système. Les observations pourraient aider à orienter les stratégies de protection des forêts tropicales et d’autres écosystèmes contre l’effondrement face au changement environnemental.
Il a été suggéré que de nombreux phénomènes naturels présentent un comportement ou une structure rappelant un état critique sans échelle, depuis la taille des avalanches et des incendies de forêt jusqu’aux fluctuations des signaux neuronaux dans le cerveau et de l’activité des gènes. [2]. Dans tous ces systèmes, aucune taille particulière d’événements n’est favorisée par rapport aux autres. Un tel comportement sans échelle reflète le fait que les corrélations entre les composants du système rendent chacun d’eux sensible à ce que font tous les autres. Cette sensibilité signifie qu’une perturbation dans une partie du système peut être rapidement ressentie dans d’autres parties, favorisant une réponse rapide à l’échelle du système qui peut être catastrophique dans le cas d’un tremblement de terre ou d’une avalanche mais qui peut être bénéfique pour une entité vivante comme un cerveau. ou un écosystème.
L’idée selon laquelle certains écosystèmes végétaux pourraient présenter des regroupements sans échelle n’est pas nouvelle. Il a été proposé il y a près de 30 ans [3] basé sur des données de la canopée de la forêt tropicale de l’île de Barro Colorado (BCI) au Panama et a également été signalé pour les régions arides du désert du Kalahari en Afrique australe [4]. D’autres écosystèmes, en revanche, présentent des schémas réguliers [5] ou des fonctionnalités avec une échelle de longueur particulière [6]. En général, cependant, il est difficile de déterminer le comportement de regroupement dans un écosystème, en partie parce qu’il n’existe aucun moyen évident de décider si une plante donnée appartient au même groupe que celles voisines.
Le physicien théoricien Pablo Villegas du Centre de recherche Enrico Fermi en Italie et ses collègues ont utilisé les méthodes de la physique statistique pour résoudre ce problème. Ils ont appliqué leur analyse aux données de la station de recherche BCI, où 300 espèces végétales réparties sur un terrain de 50 hectares ont été suivies en continu pendant 40 ans. En utilisant l’emplacement de plus de 400 000 arbres et arbustes, les chercheurs ont cartographié les réseaux de grappes, où une grappe est formée en connectant toutes les plantes d’une région séparées par moins d’une distance r donnée.
Pour un r petit, le réseau est constitué de petits clusters, chacun avec quelques plantes serrées, mais pour un r plus grand, la taille du cluster s’étend jusqu’à ce que, à une certaine valeur seuil rc, un seul « cluster géant » comprenne presque toute la population végétale. Ce passage soudain de clusters discrets à un cluster couvrant l’ensemble du système est appelé transition de percolation. On l’observe dans de nombreux systèmes physiques, depuis les réseaux de pores des roches jusqu’à l’agrégation de petites particules.
Centre de recherche P. Villegas/Enrico Fermi
Étaler. La répartition des plants de H. prunifolius sur la parcelle BCI, mesurant 1 000 m sur 500 m. Les différentes couleurs montrent les grappes qui émergent si les plantes situées à environ 5 m les unes des autres sont considérées comme faisant partie de la même grappe. La large gamme de tailles de clusters est caractéristique d’un état critique.
Centre de recherche P. Villegas/Enrico Fermi
Étaler. La répartition des plants de H. prunifolius sur la parcelle BCI, mesurant 1 000 m sur 500 m. Les différentes couleurs montrent les grappes qui émergent si les plantes situées à environ 5 m les unes des autres sont considérées comme faisant partie de la même grappe. La large gamme de tailles de clusters est caractéristique d’un état critique.×
Lorsque les chercheurs ont examiné toutes les plantes ensemble, ils ont constaté que la transition de percolation se produisait pour un RC d’environ 5 m. Cependant, lorsque les chercheurs ont examiné la répartition de l’espèce la plus abondante (l’arbuste Hybanthus prunifolius), une tendance différente est apparue. Pour cet arbuste, il n’y a pas de transition abrupte, mais plutôt une plage de valeurs r qui produisent une « grappe percolante » qui s’étend sur la zone échantillonnée et comprend une grande fraction de la population. En d’autres termes, la distribution d’une seule espèce n’a pas d’échelle de longueur « spéciale », mais présente un regroupement à l’échelle du système sur de nombreuses échelles différentes : la marque d’un état critique.
Villegas affirme que cette structure pourrait offrir un compromis entre différents besoins biologiques, car elle permet aux espèces de se propager sur toute la zone tout en conservant la résilience provenant de groupes locaux connectés par pollinisation ou d’autres interactions à courte distance. Ce réseau sans échelle « pourrait être un mécanisme d’auto-organisation très intelligent pour accroître la robustesse d’un écosystème », dit-il. D’un autre côté, interférer avec ce comportement naturel de percolation par la déforestation peut rendre les forêts tropicales vulnérables à une perte catastrophique de plantes. [7].
“L’analyse est magnifiquement réalisée avec une technique qui permet une extraction judicieuse d’autant de données que possible”, déclare Ricard Solé, expert en systèmes complexes de l’Université de Pompeu Fabra en Espagne, qui a été le premier à suggérer que les forêts tropicales pourraient se trouver dans un environnement naturel. état critique [3]. Villegas dit qu’il espère que la recherche sera utile pour surveiller la santé des écosystèmes riches en espèces.
–Philippe Ball
Philip Ball est un écrivain scientifique indépendant à Londres. Son dernier livre est Comment fonctionne la vie (Picador, 2024).
Les références
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Systèmes complexesPhysique biologique
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