Présentation
EnglishRÉSUMÉ
Les études de la biodiversité, qui recoupent l’ensemble de l’écologie scientifique, font largement appel à des approches quantitatives très variées, souvent complètement intégrées aux problématiques de recherche, tant fondamentale qu’appliquée. La bioinformatique et la biomathématique de la biodiversité s’insèrent donc dans une ingénierie de l’écologie en plein développement. Cet article propose un tour d’horizon de ces approches quantitatives à l’intention des ingénieurs, en s’appuyant sur les niveaux traditionnels d’organisation des systèmes écologiques: populations, communautés, écosystèmes.
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Jean-Dominique LEBRETON : Directeur de recherche émérite au CNRS Centre d’écologie fonctionnelle et évolutive (CEFE), CNRS, Montpellier, France
INTRODUCTION
Le terme « biodiversité », apparu dans les années 1980, désigne simplement la diversité du monde vivant. Souvent comptabilisée en nombre d’espèces, la biodiversité n’est pourtant pas qu’affaire de nombres et le terme doit être pris dans une acception très large : diversité génétique au sein d’une population, diversité des interactions (par exemple entre plantes et herbivores), diversité des fonctions (assimilation d’azote, utilisation de l’eau…) au sein des écosystèmes… L’étude de la biodiversité recouvre donc l’ensemble de l’écologie scientifique, mais le terme, comme le note J. Clavel, a certainement « donné une légitimité scientifique à la préservation de la nature auprès des politiques ». Si l’on parle beaucoup de biodiversité, c’est en effet largement par la prise de conscience de son érosion sous l’effet des activités humaines et des conséquences de cette érosion.
Les interactions de tous ordres entre l’homme et la biodiversité font donc de celle-ci un sujet brûlant : sujet d’actualité pour le public, à propos par exemple de la raréfaction des abeilles et d’autres insectes pollinisateurs ; sujet de recherche fondamentale pour les scientifiques, qui explorent les mécanismes de diversification qui nous ont fait passer en près de 4 milliards d’années des premières bactéries à des organismes géants tels que séquoias et baleines ; sujet d’attention de la part de gestionnaires et décideurs de toute nature, par exemple pour la négociation de quotas de pêche ou lors d’aménagements d’infrastructures de transport.
La recherche contribue à éclairer les questions évoquées ci-dessus, dans un continuum qui va du plus fondamental au plus finalisé, et qui fait largement appel à une ingénierie écologique au sens large. Comme tous les autres domaines scientifiques, l’étude de la biodiversité est devenue, avec l’essor des ordinateurs, fortement quantitative : du recueil automatisé de données à la modélisation, en passant par de multiples types d’analyses statistiques.
L’objet de cet article est donc de passer en revue à l’intention des ingénieurs les principaux champs d‘intervention de la bioinformatique et biomathématique dans l’étude de la biodiversité. Après quelques exemples de questions appliquées typiques dans l’étude de la biodiversité, la présentation suivra les niveaux d’organisation du vivant que sont les populations (individus d’une même espèce en interaction), les communautés (ensembles d’espèces en interaction), puis les écosystèmes, c’est-à-dire des portions d’espaces incluant les êtres vivants et les éléments physiques et soumises à des flux de matière et d’énergie. Nous conclurons en développant l’intervention des mathématiques et de l’informatique dans quelques thèmes transversaux. La bibliographie mélange librement textes de référence et exemples illustratifs, mais peut servir de point de départ à des investigations plus approfondies.
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2. Biologie des populations
Que ce soit avec des objectifs appliqués ou fondamentaux, la biologie des populations a littéralement explosé au cours des trente dernières années sous l’effet du développement des approches de biologie moléculaire et de modélisation. On peut distinguer deux grands champs en interaction : la dynamique et la génétique des populations.
2.1 Génétique des populations et marqueurs moléculaires
Le séquençage de segments d’ADN est utilisé en biologie des populations dans une perspective résolument comparative en s’appuyant sur des modèles de génétique des populations en plein renouveau . Les utilisations principales concernent l’estimation de la diversité génétique au sein d’une ou plusieurs populations animales ou végétales, pour en déduire les mécanismes de leur évolution.
À une échelle un peu plus large, la phylogénétique s’intéresse à la reconstruction de portions de l’arbre de la vie, souvent en relation avec la distribution géographique . Il s’agit de reconstruire des arbres généalogiques des formes vivantes considérées à partir de mesures de distances entre des séquences génétiques. Les approches les plus performantes utilisent des modèles probabilistes de mutations.
On construit les arbres phylogénétiques en appliquant à ces modèles la méthode du maximum de vraisemblance. Mais l’espace des arbres possibles est discontinu et ne se prête pas aux approches numériques les plus usuelles de maximisation de la vraisemblance qui utilisent les dérivées de la vraisemblance par rapport aux paramètres. L’énumération de tous les arbres possibles est également...
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Biologie des populations
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - VAN DER REE (R.), SMITH (D.J.), GRILO (C.) - The ecological effects of linear infrastructure and traffic. - In Handbook of Road Ecology. John Wiley et Sons, Ltd., p. 1-9 (2015).
-
(2) - SMITH (K.F.), GUÉGAN (J.-F.) - Changing geographic distributions of human pathogens. - Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics, 41(1), p. 231-250 (2010).
-
(3) - GOSSELIN (M.), GOSSELIN (F.), JULLIARD (R.) - L’essor des sciences participatives pour le suivi de la biodiversité : intérêts et limites. - Sciences Eaux et Territoires, la revue d’IRSTEA, (3), p. 76-83 (2010).
-
(4) - * - http://www.oncfs.gouv.fr/IMG/file/ enquete9899/resultat_nationaux.pdf.
-
(5) - ROUSSET (F.) - Genetic structure and selection in subdivided populations. - Princeton, NJ : Princeton University Press, p. 288 (2004).
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
R en écologie http://ecology.msu.montana.edu/labdsv/R/labs/R_ecology.html
E-SURGE et U-CARE, logiciels polyvalents d’analyses de données de capture-marquage-recapture http://www.cefe.cnrs.fr/fr/recherche/bc/bbp/1045-desc/264-logiciels
ULM, logiciel puissant d’étude numérique de modèles de dynamique des populations http://www.biologie.ens.fr/~legendre/ulm/ulm.html
Ade4, logiciel polyvalent d’analyse multivariée, avec un accent sur l’écologie, développé en R http://pbil.univ-lyon1.fr/ade4/
HAUT DE PAGE
Projet « Tree of life », visant à rassembler des informations cohérentes sur l’ensemble de la biodiversité http://tolweb.org/tree/home.pages/abouttol.html
Un tour d’horizon de la bioinformatique de la biodiversité https://en.wikipedia.org/wiki/Biodiversity_informatics
Société française de biologie théorique http://sfbt.math.cnrs.fr/fr/sfbt/org/index.html
Blog scientifique de discussion autour de l’écologie des communautés et de ses méthodes quantitatives https://methodsblog.wordpress.com/2015/04/29/traits-community-ecology-and-demented-accountants/
Base...
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