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Derrière la belle façade d’une forêt tropicale, une savane ou un lac est un monde grouillant de concours et de partenariats. Les espèces sont en concurrence pour cet espace, se consommant les unes les autres pour obtenir des ressources, profitant des talents les uns des autres et négociant les échanges de nutriments.

Défié les modèles mathématiques

Mais il y a quelque chose de drôle dans cette représentation; lorsque les écologistes essaient de modéliser les écosystèmes à l’aide des mathématiques, ils ont tendance à constater que plus il y a d’interactions entre les espèces, plus le système est instable.
Pour qu’un modèle d’écosystème soit stable, toutes les interactions entre ses espèces doivent être en parfaite harmonie. Le maintien de cet équilibre devient toutefois beaucoup plus difficile, car le nombre d’espèces couplées et les forces de leurs interactions augmentent: toute perturbation ou déséquilibre pour un couple se répercute vers l’extérieur et sème le chaos dans tout le réseau.
Introduire des mutualismes; des relations dans lesquelles les espèces contribuent directement à la survie de l’autre, et les choses peuvent vraiment prendre un autre aspect. Des couples d’organismes qui vivent les uns sur les autres font parfois si bien dans les simulations mathématiques — florissant exponentiellement dans les cas extrêmes, dans ce que Robert May, le pionnier de l’écologie théorique, appelait “une orgie de bénéfice mutuel” — que tout le reste peut s’éteindre.
Il semble peu probable que les véritables écosystèmes soient aussi fragiles. Dans un nouvel article paru dans Nature Communications, deux écologistes théoriciens de l’Université de l’Illinois ont exploré plus précisément comment le mutualisme affectait la stabilité de l’écosystème et comment, dans les bonnes conditions, il pouvait y contribuer. Leur résultat rejoint les travaux antérieurs en suggérant comment les communautés du monde réel parviennent à être plus résilientes que les modèles mathématiques l’expliquent.

Le mutualisme a pris de l’importance

Alors que les chercheurs ont appris à contourner les incohérences pour obtenir des résultats plus réalistes dans leurs études de modélisation, dernièrement le problème du mutualisme a pris une nouvelle place, selon James O’Dwyer, un écologiste théoricien et professeur agrégé à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, qui a coécrit l’article avec Stacey Butler; l’un de ses étudiants au doctorat. La connaissance croissante de la façon dont les communautés de microbes sont communes et de leur importance pour la santé rend plus pressant de trouver comment les modéliser.
“Les grandes communautés microbiennes avec beaucoup d’interactions alimentaires croisées où il y a échange de ressources devraient avoir plusieurs interactions mutualistes fortes”, a-t-il déclaré. Dans les modèles traditionnels, cela rendrait le système très instable, et pourtant la stabilité est considérée comme une caractéristique de ces communautés. Les microbiomes intestinaux sont particulièrement stables pendant qu’une personne est en santé, et les fluctuations coïncident avec les maladies.
Pour leur étude, O’Dwyer et Butler ont d’abord construit un modèle dans lequel les organismes naissaient, se reproduisaient et mouraient, tout en consommant et en rivalisant pour des ressources qui arrivaient d’ailleurs, dans une représentation de l’écoulement des nutriments dans un écosystème microbien. Les chercheurs ont précisé les préférences des organismes pour différents types de ressources.

Un écosystème stable est apparu

” Vous pouvez imaginer que cette bactérie se développera mieux sur cette source de carbone, mais un peu moins sur une autre source de carbone, de sorte qu’elle préférerait la première », a expliqué Stefano Allesina, un écologiste théoricien à l’Université de Chicago qui n’a pas été impliqué dans cette recherche. Pour certaines valeurs des apports d’éléments nutritifs et des taux de mortalité, un écosystème stable est apparu.
Puis O’Dwyer et Butler ont introduit le mutualisme en indiquant que les organismes ne se nourrissaient pas seulement de ressources externes, mais aussi des sous-produits de l’autre, et ils étaient très précis quant à savoir qui obtenait quoi de qui. Comme prévu, les mutualités ont eu un effet déstabilisateur sur le système. Mais une exception importante a été si les chercheurs avaient précisé que le mutualisme devait être symétrique. Dans ce cas, le système est revenu à la stabilité.
Ce qui rend ce résultat intéressant, selon Allesina, c’est que dans les précédentes études, les mutualismes dans lesquels les deux parties n’ont pas bénéficié de façon égale ont été généralement considérés comme plus stabilisateurs parce qu’ils ne conduiraient pas l’expansion des deux espèces tout à fait sauvagement.
Ils trouvent un cas spécial où ils peuvent maintenir une communauté stable et diversifiée qui est le mutualiste. Mais il a des exigences très strictes.

Katherine Z. Coyte

L’équilibre parfait dans les mutualismes semble être une solution exigeante et peu probable quant à son influence déstabilisatrice du mutualisme. “Ils trouvent un cas spécial où ils peuvent maintenir une communauté stable et diversifiée qui est le mutualiste. Mais il a des exigences très strictes sur la nature des interactions”, a déclaré Katharine Z. Coyte, un écologiste théoricien maintenant à l’hôpital pour enfants de Boston. Il peut y avoir des façons plus plausibles pour les écosystèmes réels de faire face.
Dans un article de 2015 dans Science, Coyte et ses collègues ont rapporté qu’une compétition intense entre les bactéries du microbiome pourrait être en soi une force stabilisatrice, en contrôlant toutes les espèces qui pourraient autrement défaire le système. Néanmoins, Coyte n’exclut pas la possibilité des mutualismes équilibrés qu’ O’Dwyer et Butler ont modélisé. “Il serait intéressant de voir si il y a biologiques des scénarios qui sont comme ça,” dit-elle.
En effet, O’Dwyer et ses collègues veulent utiliser des données réelles pour ajuster leurs modèles. Des aperçus de l’espèce dans le microbiome intestinal, obtenus à partir d’échantillons fécaux prélevés sur des mois ou des années, pourraient être utiles à examiner, selon O’Dwyer, ainsi que des renseignements détaillés sur les choix alimentaires des microbes. Cela permettrait d’affiner les paramètres pour lesquels leur modèle pourrait fonctionner de façon réaliste.
Entre-temps, la modélisation de grandes communautés microbiennes continue de susciter l’intérêt de nombreux chercheurs. À quoi les biologistes devraient-ils s’attendre lorsqu’ils mènent des expériences où de nombreuses bactéries vivent ensemble, se font concurrence et, probablement, échangent des ressources?

Un écosystème stable finit souvent par naître

Actuellement, il n’y a pas beaucoup d’hypothèse qui est nulle, selon Allesina. Dans un récent article dans Nature Ecology & Evolution, lui et ses collaborateurs se sont demandé ce qui arriverait si, par exemple, ils jetaient une centaine d’échantillons bactériens variés sur le plan luxuriant et bien approvisionné d’une boîte de Pétri et regardaient pour voir qui survivait. Ils ont découvert que lorsque vous modélisez un tel scénario, de nombreuses espèces meurent, mais qu’un écosystème stable finit souvent par naître, et qu’il demeure stable, peu importe la façon dont les espèces sont reliées les unes aux autres.
Ils espèrent que ces travaux théoriques pourront éventuellement contribuer à faire progresser les recherche en laboratoire. “Les gens ont fait beaucoup de progrès en génétique en étudiant les organismes modélisés”, explique-t-il. “Ce serait amusant d’avoir des écosystèmes modélisés que nous pourrions reproduire plusieurs fois en laboratoire.”

Une théorie plus nuancée

Si les chercheurs comprenaient mieux comment les communautés de bactéries intestinales se comportent en laboratoire, cela pourrait conduire à une théorie plus nuancée et également plus utile, sachant que ce qui se voit dans la nature ne se produit jamais sous les formes classiques les plus simples de la modélisation des écosystèmes – les chercheurs pourraient se demander lequel de ces nouveaux modèles se rapproche le plus de la réalité ?
Source : Quanta Magazine