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Les mille et une vie d’un atome de carbone

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Le   par
illustration auto-hétérotrophe

Cette semaine je suis en formation de statistique un peu poussée juste à côté du Mont-blanc, et comme le sous-entend l’expression « statistique un peu poussé », il n’y a que des matheux ou physiciens à mes côtés. J’ai besoin qu’on me parle de biologie !!!! Et la grosse question qui me revient quand je parle de mon sujet de thèse, c’est «  mais pourquoi tu travailles sur le carbone ? ». Et donc je me suis dit que ça pouvait peut-être vous intéresser, vous aussi, de savoir en quoi c’est important d’étudier le carbone dans les écosystèmes. Le carbone, c’est une des clés des cycles de vie à la surface de notre planète. C’est vrai que c’est intéressant de parler des êtres vivants mais savoir ce que la matière devient après est tout aussi important.
Pour un peu que vous ayez suivi vos cours de biologie au collège, vous devez savoir que la matière vivante (les plantes, les animaux, les micro-organismes de toutes sortes) est essentiellement constituée de 3 éléments : le carbone C, l’oxygène O et l’hydrogène H. Ces 3 éléments sont les constituants des sucres dont le glucose C6H12O6 fait partie. Les sucres sont la source d’énergie de tous les organismes hétérotrophes. Etre hétérotrophe signifie qu’on a besoin d’une source d’énergie organique. On parle de substances organiques quand la substance essentiellement est constituée de carbone.
Pour avoir de l’énergie, les organismes hétérotrophes se nourrissent des organismes autotrophes. Ces derniers sont capables de synthétiser de la matière organique à partir de la matière minérale (c’est-à-dire les éléments simples comme le carbone, l’oxygène, l’hydrogène, l’azote, et les différents sels minéraux) en utilisant soit de l’énergie lumineuse, soit de l’énergie chimique. 


L’énergie permet aux organismes de créer de la matière à partir du moment où ils naissent et jusqu’à leur mort. Savez-vous ce que devient cette matière à la mort des organismes ?
Lorsqu’un animal meurt, son corps reste généralement à l’endroit même où il a donné son dernier souffle. Par la suite soit il est consommé par d’autres animaux appelés nécrophages (organismes qui se nourrissent de cadavres comme des diptères ou des coléoptères) ou saprophytes (organismes qui se nourrissent de matière en décomposition comme la mouche domestique Musca domestica), soit il est dégradé par les micro-organismes. Le plus souvent ces différents acteurs interviennent en synergie lors de la décomposition. Pour les plantes, les organismes morts restent sur place et sont dégradés soit par des forces mécaniques (le broyage et la fragmentation sous l’effet du passage des animaux, de la pluie, du vent,….), soit par l’action biologique et chimique des organismes (production d’enzymes dans le milieu par la méso-faune, la micro-faune et les micro-organismes).
La dégradation des organismes morts est appelée décomposition de la matière organique et consiste en un retour des structures organiques complexes à l’état le plus simple de particules (matière organique particulaire) puis de molécules à base de carbone (matière organique dissoute). Les matières organiques particulaire et dissoute vont être à nouveau transformées soit par des bactéries pour la matière organique dissoute, soit par les champignons pour la matière organique particulaire en éléments minéraux assimilables par les organismes autotrophes. Cependant, les bactéries et les champignons ne sont pas les seuls décomposeurs de la matière particulaire et dissoute, mais cela dépend essentiellement du type d’écosystème et des organismes présents dans le milieu.

(Source)
Il faut noter que certains organismes qui rentrent dans le groupe paraphylétique des protozoaires (par exemple les amibes constituent un groupe biologiquement hétérogène) sont aussi capables d’effectuer cette transformation ultime de la matière organique particulaire en éléments minéraux. Ainsi lorsque la matière a atteint le dernier stade de sa dégradation, le carbone est prêt à intégrer un nouveau cycle de vie.
Ce recyclage du carbone au sein des cycles de vie des organismes constitue une petite partie du cycle du carbone. En effet le carbone passe beaucoup de temps hors des organismes, comme par exemple lorsqu’il est sous forme de CO2 ou encore lorsqu’il est sous forme dissoute dans l’eau et dans le sol (voir l’illustration ci-dessous).
Le cycle du carbone complet selon la NASA: dans l’eau, le sol et l’atmosphère
 
Selon le type d’écosystème (terrestre, marin, aquatique, humide ou sec), la matière organique décomposée peut prendre différentes formes. Par exemple, en milieu terrestre relativement sec, l’humus constitue une matière organique stable qui est déjà fortement dégradée. Il peut être utilisé sous forme de compost pour fertiliser les sols de culture. Vous en avez peut-être déjà utilisé lorsque vous avez planté des arbres dans votre jardin ou lors d’un éventuel rempotage de plantes ?!
L’humus est la couche superficielle du sol, la plus sombre, cette couleur étant due à la richesse en carbone de cette partie du sol.(Source)
Dans les zones terrestres humides, situées à l’interface entre écosystème terrestre et aquatique, la tourbe des tourbières constitue un puits de carbone composé essentiellement de matière organique végétale morte. La tourbe est fréquemment employée comme combustible et, en horticulture et en agriculture, elle est utilisée pour limiter le stress hydrique (la tourbe a forte capacité de rétention de l’eau).  
A droite, une photo de tourbière humide (Source) et à gauche, les amas de bûche de tourbes (Source)… ça c’est du carbone en barre!

En milieu aquatique, la matière organique décomposée n’est pas visible à l’œil nu, mais dans les cas où l’écosystème se trouve fortement enrichi en éléments nutritifs accessibles pour les organismes autotrophes du milieu, les algues et les cyanobactéries peuvent se développer sans limite si les conditions de température sont favorables. C’est le cas par exemple d’un enrichissement des eaux en carbone et en azote dû aux activités (agricoles et industrielles) humaines. Cela peut alors donner lieu à des cas d’eutrophisation des cours d’eau et des lacs.
Du vert dans un lac? Les algues et cyanobactéries sont en plein développement (Source)
Ainsi, que ça soit dans les organismes vivants ou dans le milieu, le carbone se recycle partout.
Après ce petit tour de cycle, on peut se demander combien de fois un atome de carbone intègre-t-il un être vivant ? Et quelles vies ont vécu les atomes de carbone qui constituent nos cellules ? Un de vos carbones aurait-il appartenu à Cléopâtre ? ou à un ptérodactyle ? On pourrait même tout imaginer …

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Les réseaux neuronaux: le cerveau, une source d’inspiration

Le   par
neurone formel

Cette semaine le café des sciences nous propose de parler du cerveau. Comme je vous ai récemment parlé de réseaux écologiques, j’ai décidé de rester dans la thématique des réseaux et de vous expliquer avec des mots simples ce que sont les réseaux neuronaux. Parce qu’en fait l’expression « réseau neuronal » est loin d’être explicite. Alors effectivement elle a des fondements biologiques en lien avec les neurones, mais en fait, ça n’a plus grand-chose à voir avec notre matière grise à proprement parler.
 Historiquement, les réseaux de neurones ont été mis en évidence par 4 chercheurs américains au cours des années 60. En 1968, ils publient « What the frog’s eye tells to the frog’s brain », un article qui décrit la structure neuronal chez la grenouille. Ils y expliquent aussi l’organisation du neurone et sa fonction au sein d’une structure complexe, les réseaux de neurones. A la suite de ces observations biologiques, les scientifiques ont schématisé un neurone en trois parties : les dendrites qui constituent les entrées de l’information créée par un stimulus, un corps où l’information est traitée, et l’axone qui représente la voie de sortie de l’information vers d’autres unités neuronales.
Représentation schématique d’un neurone formel
Ce schéma correspond à celle d’un neurone formel. A ce stade, on est tout juste à la jonction entre les réseaux neuronaux biologiques et les réseaux neuronaux mathématiques.
En effet, un neurone formel, c’est une représentation informatique et mathématique du neurone biologique. Un neurone formel, comme les neurones biologiques, ne traîne jamais seul. Les neurones formels sont regroupés en réseaux de neurones artificiels (voir la figure ci-dessous). Ces modèles mathématiques peuvent réaliser des fonctions complexes logiques ou arithmétiques comme en sont capables nos propres réseaux de neurones.  
Un réseau neuronal constitué d’enchaînements de neurones formels, branchés en parallèle. Et encore celui là est simple comparé à ceux qu’on peut trouver!
Alors vous allez me demandez pourquoi je vous ai dit un peu plus tôt que l’expression « réseaux neuronaux » n’était pas explicite ?
C’est parce que les réseaux neuronaux, au sens courant des scientifiques, sont un modèle de calcul qui sont à la fois utilisés comme applications statistiques et comme méthode d’intelligence artificielle (quoi de plus logique pour des neurones !).
Sans vouloir vous assommer avec des explications mathématiques bien trop complexes pour la biologiste que je suis, il est pourtant essentiel de préciser que l’élément révolutionnaire du modèle mathématique neuronal est l’apprentissage. C’est-à-dire que les paramètres du modèle vont s’adapter en fonction des différentes expériences auquel le modèle a à faire face au cours d’une application. En gros, le modèle mathématique va apprendre de ces expériences.
Trêve de maths ! Pour concrétiser un peu les choses voilà quelques applications possibles des réseaux neuronaux. Dans des domaines très variés, on peut les utiliser pour la classification automatique des codes postaux,  la prise de décision pour un achat boursier en fonction de l’évolution des cours, les paris pour les jeux de courses, le décodage de signaux de télédétection émis par les satellites, l’estimation de la valeur d’une entreprise, la modélisation de l’apprentissage et amélioration des techniques d’enseignement ou encore les prévisions météorologiques…
Concernant la biologie et l’écologie, les applications peuvent être aussi diversifiées :
- on peut utiliser les modèles de réseaux neuronaux pour connaître les doses de radioéléments à prescrire et le protocole d’administration au patient dans les traitements contre le cancer. Pour cela on utilisera les données sur des patients antérieurs de même morphologie et avec les mêmes caractéristiques vitales.
- pour prédire le comportement d’une espèce invasive à son introduction dans un milieu, on peut fournir au modèle de réseaux neuronaux les informations obtenues sur les cas précédents d’invasion par cette espèce, comme les paramètres d’extension de l’espèce (reproduction, survie, consommation…) et les caractéristiques du milieu d’accueil.
- les réseaux neuronaux pourront aussi permettre de connaître l’impact de la disparition d’une espèce au sein d’un habitat bien connu et décrit en termes de biodiversité, d’abondance d’espèces et de paramètres physico-chimiques.
- un exemple d’utilisation des réseaux neuronaux est la classification de taxon sur la base d’analyse ADN ou de caractères morphologiques.
Vu qu’on est justement sur un blog de biologie des organismes, je vais vous détailler un peu ce dernier exemple : Les  informations d’entrées dans le modèle de réseau neuronal doivent être numériques. C’est-à-dire qu’on va attribuer une valeur à tous les caractères comparés (morphologiques ou moléculaires) pour chaque taxon qui doit être classé. Le nombre de valeurs d’entrées n’est pas limitée, et plus il y en a, plus l’algorithme donnera un résultat robuste. Sur la base des similarités rencontrées entre chaque couple de taxon (duo, triplet, quadruplet….) le modèle statistique va être capable de produire en sortie, une classification unique dépendant des données d’entrée. En d’autres termes, ça veut dire que si on modifie une de ces données d’entrée ou alors qu’on apporte une information de plus, il réexaminera les relations entre les taxons pour confirmer ou invalider la classification précédemment proposée. La différence avec les autres méthodes de classification, c’est qu’elle garde en mémoire les relations entre tous les couples de taxon pour chaque caractère déjà exploré lorsqu’elle examine un nouveau caractère. Au final elle aura estimé toutes les relations inter-taxons pour chaque caractère et chaque interaction entre caractère. Cette méthode statistique permet également de savoir de quel taxon se rapproche le plus un organisme X sans nécessairement l’inclure dans la classification.
Je ne vous cache pas que les réseaux, et encore plus les réseaux neuronaux, c’est quelque chose d’assez ardu, mais ils ne sont qu’une pâle image de ce qu’on peut trouver dans la nature.
Pour les plus téméraires d’entre vous, voilà un article  sur MSDN Magasine, bien plus technique que le mien, et qui aborde les dessous maths/info des réseaux neuronaux.
Références:
- Lettvin, J.Y., Maturana, H.R., McCulloch, W.S., & Pitts, W.H. (1959) What the Frog’s Eye Tells the Frog’s Brain, Proceedings of the IRE, Vol. 47, No. 11, pp. 1940-51.
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Plus imposant que Facebook et surtout incontournable, les réseaux écologiques!

Le   par
ResTroMarin
Ça fait quelques temps que je n’ai pas publié d’articles sur le blog, et pour cause, depuis un peu plus de 3 mois, j’ai commencé une thèse dans un super laboratoire de la Franche-Comté (le comté, la cancoillote, le mont d’or et la saucisse sont devenus mon quotidien ;) ). Lorsque mes amis me demandent sur quoi je travaille, ils restent bloqués quelques secondes quand je leur énonce le titre de ma thèse…. Ils ne comprennent pas tout. Faisons un petit essai: « Modélisation du réseau trophique microbiens des tourbières à Sphaignes »…. Alors? Sur quels mots avez-vous coincés? A mon grand étonnement, ce n’est pas le mot « modélisation » qui pose problème le plus souvent, mais l’expression « réseau trophique ». En fait, ça fait tellement longtemps que je fais de l’écologie qu’elle me parait pleine de sens et j’en ai vite oublié que ça n’était pas le cas pour tout le monde. 
Donc voilà une petite explication de ce que sont les réseaux trophiques, et les réseaux écologiques de façon générale.
 
Les relations entre l’ensemble des être vivants de la planète sont structurées au sein de réseaux écologiques.  Vous vous demandez ce qu’est un réseau écologique ? 
Un réseau, vous savez ce que c’est… Facebook, tweeter sont des réseaux sociaux, Viadeo, LinkedIn des réseaux socio-professionnels, votre club de foot, de rugby, de yoga ou de tennis constitue votre réseau sportif, et votre famille et vos amis appartiennent à votre réseau proche. Avec tous ces exemples, vous aurez compris qu’un réseau c’est une toile constituée d’éléments (dans mes exemples, les éléments sont des personnes) reliés entre eux.
Le réseau Facebook mondial par Paul Butler
 
Mais alors un réseau écologique c’est quoi ? 
Un réseau écologique repose sur les relations écologiques. Les relations écologiques sont toutes les interactions positives, négatives ou neutres qu’il existe entre les espèces d’une communauté au sein d’un environnement donné. Les interactions positives peuvent être par exemple des symbioses ou du mutualisme et les interactions négatives sont la plupart du temps de la prédation, du parasitisme et de la compétition. Ainsi trois types de réseaux font plus particulièrement l’objet de recherche : les réseaux mutualistes (1% des recherches), les réseaux parasites (4% des recherches) et les réseaux trophiques (94% des recherches).
 
Illustration proposée par Elisa Thébault, Alix Sauve et Collin Fontaine pour la Chaire Modélisation mathématique et Biodiversité
 
De très récents travaux mêlent les deux types d’interactions positive et négative que sont respectivement le mutualisme et la prédation. Elisa Thébault et Colin Fontaine ont initié des travaux dans ce domaine en montrant en 2010 que le type d’interaction avait un impact sur la stabilité de la communauté.  (Pour en savoir plus, le blog Naked Science nous fait un point sur l’article publié dans Science).
Mais comme je l’ai précédemment mentionné, la plupart des réseaux écologiques étudiés sont des réseaux trophiques. Mais pourquoi ? Un réseau trophique est ce que le commun des mortels appelle une chaine alimentaire. Sauf que la notion de chaine suppose un schéma linéaire : Une ressource (une plante ou de la matière morte) mangé par un consommateur primaire, lui-même chassé et mangé par un prédateur plus gros. C’est ce que pensaient aussi les scientifiques au début des recherches dans ce domaine avant de se rendre compte de la complexité des communautés biologiques.
Un réseau trophique constitue un schéma plus complexe où chaque élément du réseau peut manger, être mangé par, et être en compétition avec plusieurs autres éléments.
D’autre part les réseaux trophiques sont présents dans tous les types de milieux, dans tous les environnements possible et imaginable, à partir du moment où il y a de la vie.. Ils concernent tous les organismes donc peuvent être observés à différentes échelles d’observation, de l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique.
Représentation d’un réseau trophique marin (source: Ifremer)
 
En milieu marin, le réseau est constitué d’algues, de micro-organismes comme le phytoplancton et le zooplancton, d’invertébrés divers, de poissons au régime alimentaire varié ainsi que d’espèces de niveau trophique élevé, c’est-à-dire qu’ils sont les consommateurs terminaux. Ils constituent une impasse pour les flux de matières à l’exception de leur prédation par l’homme. A leur mort, ils se décomposeront et se transformeront en particules pour être à nouveau en partie disponible à la consommation par d’autres organismes.  
Schéma d’un réseau trophique présent à la surface du sol
 
Le réseau trophique du sol est étudié à l’échelle des micro-organismes (les bactéries et les champignons) et de la méiofaune (la faune de l’ordre de 1 à 100 mm) mais inclue également certaines espèces de rongeurs ou de petits mammifères (comme la taupe !). La source initiale de matière dans ces écosystèmes est les végétaux et leur débris qui forment la litière ainsi que l’humus, couche superficielle du sol constituée à la fois de débris végétaux, de matière organique (c’est-à-dire composée de carbone) morte et de particules minérales très fines.

Représentation schématique du réseau trophique au sein de la communauté des micro-organismes de la tourbière (Source: Karimi)
 
Dans les zones humides telles que les tourbières, on peut trouver des communautés particulières et donc des réseaux trophiques associant des organismes habituellement aquatiques comme du microphytoplancton, des cyanobactéries ou des rotifères (une sorte de microzooplancton assez mignon … mais pour en savoir un peu plus, je vous renvoie au blog de Nicobola) et des organismes terrestres comme les plantes vasculaires et les champignons. Ils mêlent des espèces de tous les groupes du vivant, les bactéries, les protozoaires, les métazoaires et les plantes. On peut voir que les relations trophiques sont très nombreuses et ne permettent pas d’établir un schéma linéaire.
 
Tous ces réseaux sont étudiés de différentes manières par les chercheurs. Ils sont observés sur le terrain, c’est ce qu’on appelle le travail in situ. Ce type d’approche permet d’avoir une idée des principales relations trophiques liant les organismes d’une communauté. Suite à des échantillonnages, ils sont étudiés en laboratoire ou ex situ.Ces expériences permettent de quantifier plus précisément les relations, par exemple par des mesures d’ingestion et de taux de prédation ou des techniques d’isotopie (qui utilisent une version radioactive de certaines molécules pour pouvoir les suivre et les doser), ou d’identifier des interactions trophiques difficiles à observer in situ en utilisant des méthodologies de pointe telles que la méta-génomique, c’est-à-dire le séquençage de l’ADN du contenu du tube digestif (on peut ainsi identifier toutes les espèces consommées par un organisme). Enfin la dernière approche consiste à modéliser les réseaux trophiques grâce à toutes les informations qui ont été accumulées à leur sujet. Ce type de travail permet d’avoir une idée des flux de matières entre les espèces, du taux de recyclage des molécules dans le réseau, du nombre de chemins différents qu’une molécule peut emprunter dès son entrée, de connaitre l’efficacité de transfert de molécule d’un consommateur à son prédateur et plein d’autres renseignements sur le fonctionnement de la communauté. D’autres informations obtenues à partir du travail de modélisation concernent la stabilité de l’écosystème (c’est-à-dire si une perturbation le modifiera facilement ou alors s’il sera résistant aux perturbations) ou la redondance au sein de la communauté (en d’autres termes, est-ce que certaines espèces exercent la même fonction ?). On peut aussi mettre en évidence certains organismes à fonctions particulières qui peuvent fortement dépendre ou fortement modifier les autres organismes du réseau trophique ; ces organismes peuvent être appelés des organismes ingénieurs dans certains cas et des bio-intégrateurs dans d’autres cas. Mais quelque soit le rôle de chaque organisme, sa participation à un réseau trophique fait de lui un élément structurant de la communauté et un rouage du fonctionnement de l’écosystème.
Vous aurez compris que pour connaître ces structures complexes que sont les réseaux trophiques, des méthodes presque aussi complexes sont utilisées, mais rien n’est trop bien pour comprendre ce qui se passe sur notre petite planète !
Tout comme les réseaux trophiques, les réseaux mutualistes ou parasites sont complexes à étudier et à comprendre. Les flux étudiés ne sont plus des molécules fournissant de l’énergie mais d’autres types (par exemple, le pollen dans le cas de réseaux mutualistes plante-pollinisateur). Tous ces types de réseaux sont indispensables au bon fonctionnement des écosystèmes et à tous les services qu’ils peuvent nous rendre.
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Pris pour des pigeons? Telle est la question!

Le   par
Si je vous dis que je vais vous raconter une histoire de pigeons, avec Darwin comme héros, la sélection comme énigme et la couleur comme indice…Vous ne comprenez rien à ce que je veux dire? Alors lisez ce qui suit.Un jour Darwin nous a parlé de …
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