Dynamics and stability of spatially structured ecosystems

Dynamique et stabilité des écosytèmes structurés spatialement Dans un contexte de changements globaux, il est crucial de comprendre comment les écosystèmes réagissent aux pressions anthropiques. L'écologie théorique a déjà beaucoup étudié comment les systèmes écologiques se régénèrent suite à des perturbations, mais elle s'appuie encore sur des systèmes relativement simples, qui sont typiquement isolés dans l'espace et comportent peu d'espèces.Cette thèse aborde cette problématique en étudiant si la prise en compte de l'espace de manière explicite affecte notre compréhension actuelle de la stabilité des écosystèmes. Plus précisément, nous explorons l'interaction entre la structure spatiale des perturbations et la structure spatiale du paysage, et leurs effets sur la réponse des méta-populations et des méta-communautés aux perturbations.Dans le premier chapitre, nous utilisons des expériences en microcosmes couplées à un modèle mathématique pour étudier comment le nombre et l'organisation spatiale d'extinctions locales affectent la dynamique des métacommunautés. En particulier, nous nous concentrons sur les patrons de diversité des espèces et montrons que les extinctions locales peuvent augmenter à la fois la diversité locale et inter-patch, mais que la contribution à chaque niveau de diversité dépend largement de la structure spatiale des extinctions. Dans le deuxième chapitre, nous étudions l'impact de la structure spatiale d'une métapopulation sur sa stabilité. Nous nous concentrons sur des métapopulations structurées spatialement dans lesquelles les dynamiques locales sont bistables et nous explorons la stabilité qui en résulte à l'échelle du paysage. Nous montrons que des transitions catastrophiques locales peuvent se propager dans l'espace jusqu'à affecter l'ensemble de la métapopulation, et que la bistabilité locale entraîne une bistabilité à l'échelle du paysage avec une forte hystérèse. Nous soulignons que l'ampleur de l'hystérèse dépend fortement de la structure spatiale de la métapopulation et que les études précédentes qui étudient le cas d'une structure spatiale unidimensionnelle simple sous-estiment l'hystérèse qui peut être observée dans des paysages plus réalistes. Dans le troisième chapitre, nous discutons des aspects de la complexité qui devraient être pris en compte pour mieux comprendre les transitions catastrophiques. Nous passons en revue les travaux existants et soulignons des approches prometteuses pour de futurs développements. Dans le quatrième chapitre, nous présentons une telle approche qui permet de réduire la dynamique d'une métapopulation spatialement structurée à une seule dimension. Nous étudions l'efficacité de cette réduction dans des métapopulations avec différentes structures spatiales, et nous montrons que les équilibres à l'échelle du paysage et la variabilité temporelle de réseaux spatiaux complexes peuvent effectivement être prédits par une équation unidimensionnelle.