CID 51 Modélisation, et analyse des données et des systèmes biologiques : approches informatiques, mathématiques et physique

V. Écologie, évolution

Les domaines de l'écologie et de la biologie évolutive ont subi une transformation radicale dans les deux dernières décennies. Premièrement, l'acquisition croissante des données de génomique, métagénomique, protéomique et métabolomique a transformé notre perception de la biodiversité et notre capacité à comprendre les mécanismes évolutifs et écologiques. Deuxièmement, l'observation des (et l'expérimentation sur les) systèmes écologiques a atteint des échelles de temps, d'espace et de complexité sans précédent grâce à des avancées technologiques majeures. Troisièmement, les enjeux scientifiques et sociétaux posés par les changements globaux posent des défis cruciaux et urgents en termes de compréhension et de prédiction des phénomènes d'adaptation et de fonctionnement des écosystèmes. Ces transformations radicales appellent de plus en plus une vision pluridisciplinaire et les approches de modélisation et d'analyse de données issues des mathématiques, de l'informatique et de la physique sont devenues cruciales. Allant du gène à l'écosystème, plusieurs avancées majeures en écologie et évolution se profilent à l'interface avec les autres disciplines.

Renforcer le dialogue entre la génétique et l'écologie serait l'occasion de proposer des approches quantitatives permettant de passer de l'échelle des populations à celle des communautés. Dans ce contexte, il faudra développer le transfert vers l'écologie des méthodes mathématiques et statistiques utilisées en génétique. Réciproquement, l'écologie pourra aider à théoriser et interpréter les données génomiques et métagénomiques. Les dernières années ont vu le développement d'approches basées sur l'écologie en santé humaine, comme l'utilisation de virus pour contrôler les bactéries résistantes aux antibiotiques ou l'utilisation de commensaux pour empêcher la colonisation par des pathogènes. Les approches écologiques trouvent aussi des applications importantes dans l'agro-alimentaire.

Les études d'évolution expérimentale couplées avec des analyses génomiques connaissent actuellement de beaux succès et ouvrent la possibilité de mieux comprendre les relations génotype-phénotype ainsi que leur évolution. Elles ont permis de tester de nombreux modèles de génétique des populations et de mieux comprendre leurs limites. De plus, l'accroissement de la complexité de ces expériences permet de tester des modèles écologiques in vitro sur des communautés de microorganismes, leurs parasites et leurs prédateurs. Ces approches ouvrent encore plus le domaine de l'écologie évolutive à l'expérimentation dans un cadre contrôlé permettant la paramétrisation des modèles et la manipulation expérimentale des interactions. De plus, une liaison forte est en train de s'établir entre l'évolution expérimentale et l'évolution in silico du type vie artificielle, permettant la modélisation de phénomènes complexes pour lesquels les outils de modélisation classiques sont peu adaptés.

Un autre domaine de l'écologie faisant appel à des compétences interdisciplinaires concerne le rapprochement entre la modélisation en écologie et la phylogénie. La possibilité de reconstruire des phylogénies à grande échelle est une opportunité pour mieux comprendre comment s'est façonnée la biodiversité au cours du temps. La phylogénie peut fournir des informations importantes sur les processus écologiques passés, la co-évolution et les phénomènes de spéciation. Pour développer l'interaction entre la phylogénie et l'écologie il sera important d'intéresser la très riche communauté française développant des approches mathématiques et informatiques en reconstruction phylogénétique au développement de méthodes phylogénétiques comparatives et leurs applications en écologie et évolution. Le développement de ces approches permettrait d'améliorer notre compréhension des conséquences à long terme de l'adaptation sur la diversité phénotypique et spécifique et de mieux comprendre les processus à l'origine de l'assemblage des communautés.

Parallèlement à l'utilisation des modèles mathématiques, il y a un réel besoin de modèles couplant phénomènes physiques et biologiques pour comprendre et prédire l'impact potentiel des changements climatiques sur la biosphère. La compréhension des raisons de la crise actuelle de la biodiversité et du réchauffement climatique et la définition des mesures à prendre pour minimiser leur impact sont des problèmes dont la résolution sollicitera plusieurs disciplines. De manière plus générale, avec la complexification des processus évolutifs et écologiques à modéliser, les approches mathématiques doivent être complétées par des approches relevant de la physique ou des sciences computationnelles.