Prévoir les interactions organisme-environnement dans le cadre de scénarios climatiques
Les organismes sont thermodynamiquement connectés à leur environnement par l’échange de chaleur, d’eau et/ou d’oxygène. Ces interactions peuvent être saisies à l’aide de «modèles biophysiques» qui intègrent des informations sur les conditions environnementales et les caractéristiques de l’organisme afin de prévoir le comportement des individus dans n’importe quel environnement. Cependant, ces modèles sont confrontés à des difficultés et il convient de les calibrer et de les valider en combinant leurs prédictions théoriques avec des observations empiriques. C’est là qu’intervient le projet SCALE(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) financé par l’UE, avec le soutien du programme Actions Marie Skłodowska-Curie(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). «Nous voulions contribuer à un nouveau cadre de modélisation permettant de prévoir les réponses des animaux aux changements environnementaux», explique Juan Rubalcaba, coordinateur du projet. Pour ce faire, SCALE a combiné des données interspécifiques, disponibles en écophysiologie, avec des prédictions théoriques générées à l’aide de modèles biophysiques. Il a ensuite utilisé ces modèles pour prédire comment les caractéristiques physiologiques telles que le taux métabolique devraient changer en réponse aux conditions climatiques et a examiné si les prévisions du projet correspondaient aux observations empiriques.
L’impact du climat sur les lézards
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 fait l’objet d’un débat de taille. Pour mieux comprendre cela, SCALE a fait appel à 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 déterminer quels phénotypes optimiseraient 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 Juan Rubalcaba. Le projet a révélé que les modèles géographiques observés pour la masse corporelle, la tolérance au froid et la température corporelle optimale étaient étroitement liés à leurs prédictions. «C’est pourquoi nos résultats(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) donnent à penser que le climat module directement ces caractéristiques par son effet sur la performance thermique», ajoute Juan Rubalcaba.
Demande et apport d’oxygène chez les ectothermes aquatiques
SCALE a élaboré un modèle biophysique pour étudier l’apport et la demande en oxygène chez les poissons tout en tenant compte des mécanismes physico-chimiques qui régissent le transfert d’oxygène à travers la surface des branchies. «Nous avons utilisé ce modèle pour étudier l’interaction entre la température de l’eau, la disponibilité de l’oxygène, la taille du corps et le niveau d’activité sur le taux métabolique et la performance physiologique des poissons», souligne Juan Rubalcaba. Le modèle prévoit que les grands animaux actifs disposeront d’une capacité limitée à obtenir l’oxygène nécessaire pour répondre à leur demande physiologique dans des eaux plus chaudes. Par conséquent, les résultats(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) de SCALE indiquent que le réchauffement climatique nuira aux performances physiologiques, en imposant à l’avenir une charge métabolique plus importante aux individus de grande taille.
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 en vue de déterminer les coûts énergétiques du vol et de la thermorégulation. Le modèle montre que les grandes ailes réduisent les dépenses énergétiques du vol, mais augmentent les taux de dissipation de la chaleur, ce qui accroît les coûts de la thermorégulation, en particulier dans les climats froids», confirme Juan Rubalcaba. En se fondant sur les données morphologiques des espèces de chauves-souris, SCALE a constaté que le rapport surface/masse des ailes évolue vers une forme optimale et que la force de la sélection est plus élevée chez les espèces vivant dans des climats froids, ce qui correspond aux prévisions théoriques. Les résultats(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) du projet suggèrent donc que le climat influence l’évolution de la taille corporelle des chauves-souris par le biais de son effet sur la demande d’énergie. Ces résultats ont donc démontré que le climat a une influence directe sur la demande d’énergie et les performances physiologiques qui, à leur tour, affectent l’évolution des traits phénotypiques. «De plus, les modèles biophysiques peuvent saisir les mécanismes clés qui régissent les interactions organisme-climat et peuvent donc être utilisés pour prévoir les réponses des organismes au changement climatique», conclut Juan Rubalcaba.
