Projet H2020 SCALE : projection des réponses de la biodiversité mondiale à partir des principes biologiques fondamentaux

Les organismes sont thermodynamiquement connectés à leur environnement par des échanges de chaleur, d'eau et/ou d'oxygène. Ces interactions peuvent être capturées grâce à des « modèles biophysiques » qui intègrent des informations sur les conditions environnementales et les caractéristiques des organismes afin de prédire le comportement des individus dans un environnement donné. Cependant, ces modèles rencontrent des difficultés, et il est nécessaire de les calibrer et de les valider en combinant leurs prédictions théoriques avec des observations empiriques.

C'est là qu'intervient le projet SCALE, financé par l'UE et soutenu par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie. « Notre objectif était de contribuer à un nouveau cadre de modélisation permettant de prédire les réponses animales aux changements environnementaux », explique Juan Rubalcaba, coordinateur du projet. Pour y parvenir, SCALE a combiné des données interspécifiques, disponibles en écophysiologie, avec des prédictions théoriques générées par des modèles biophysiques. Il a ensuite utilisé ces modèles pour prédire l'évolution des caractéristiques physiologiques, comme le métabolisme, en fonction des conditions climatiques, et a examiné si les prédictions du projet correspondaient aux observations empiriques.

L'impact du climat sur les lézards Il existe un débat considérable sur la question de savoir si le climat module directement des caractéristiques telles que la taille du corps, la couleur de la peau et la tolérance thermique. Pour mieux comprendre cela, SCALE a utilisé un modèle biophysique pour prédire la température corporelle et les performances physiologiques de lézards théoriques sous différents climats. « Nous avons ensuite utilisé le modèle pour étudier quels phénotypes maximiseraient les performances physiologiques dans chaque région en simulant l'effet de la sélection naturelle sur la taille du corps, la couleur de la peau, la tolérance thermique et le comportement thermorégulateur », explique Rubalcaba. Le projet a révélé que les schémas géographiques observés pour la masse corporelle, la tolérance au froid et la température corporelle optimale étaient significativement liés à leurs prédictions. « Par conséquent, nos résultats (ouvre dans une nouvelle fenêtre) suggèrent que le climat module directement ces caractéristiques par son effet sur les performances thermiques », ajoute Rubalcaba. Demande et offre en oxygène chez les ectothermes aquatiques SCALE a développé un modèle biophysique pour étudier l'offre et la demande en oxygène chez les poissons, en tenant compte des mécanismes physico-chimiques qui régissent le transfert d'oxygène à la surface des branchies. « Nous avons utilisé ce modèle pour étudier l'interaction entre la température de l'eau, la disponibilité en oxygène, la taille et le niveau d'activité sur le métabolisme et les performances physiologiques des poissons », souligne Rubalcaba. Le modèle prédit que les grands animaux actifs auront une capacité limitée à obtenir l'oxygène nécessaire à leurs besoins physiologiques dans des eaux plus chaudes.

Français Par conséquent, les résultats de SCALE (ouvre dans une nouvelle fenêtre) suggèrent que le réchauffement climatique altérera les performances physiologiques, imposant une charge métabolique plus importante aux individus de grande taille à l'avenir. L'évolution de la taille et de la forme du corps chez les chauves-souris « Nous avons également étudié comment la taille du corps, la taille des ailes et la température interagissent pour déterminer les coûts du vol et les coûts de la thermorégulation. Le modèle montre que les grandes ailes réduisent les coûts du vol mais augmentent les taux de dissipation de chaleur, ce qui augmente les coûts de la thermorégulation, en particulier dans les climats froids », confirme Rubalcaba. En utilisant des données morphologiques d'espèces de chauves-souris, SCALE a constaté que le rapport surface/masse des ailes évolue vers une forme optimale et que la force de sélection est plus grande parmi les espèces qui vivent dans les climats froids, ce qui est conforme aux prédictions théoriques. Les résultats du projet (ouvre dans une nouvelle fenêtre) suggèrent donc que le climat influence l'évolution de la taille du corps chez les chauves-souris par son effet sur la demande énergétique. Ces résultats démontrent que le climat a une influence directe sur la demande énergétique et la performance physiologique, qui, à leur tour, affectent en fin de compte l'évolution des traits phénotypiques. « De plus, les modèles biophysiques peuvent capturer les mécanismes clés qui régissent les interactions entre les organismes et le climat et peuvent donc être utilisés pour prédire les réponses des organismes au changement climatique », conclut Rubalcaba.