Des prévisions fiables et robustes pour l’avenir des écosystèmes - Résultats de la recherche de Prof Colin Prentice

Climate & Environment

05.05.2020 7mins | Article

Les modèles du système terrestre ont contribué de façon considérable à l’évolution de notre compréhension et de notre sensibilisation au changement climatique. Ces outils mathématiques ont cependant des limites, et leur tendance à produire des résultats contradictoires en est une majeure. En pointant leur complexité inutile, le prof. Iain Colin Prentice et un certain nombre d'autres scientifiques de renommée internationale ont entrepris de produire une nouvelle génération de modèles de la surface terrestre à l’échelle mondiale, reposant sur des bases théoriques et empiriques sûres. L'objectif de cette démarche est de développer des connaissances quantitatives solides sur les impacts de la variabilité et des changements environnementaux sur les écosystèmes terrestres, ainsi que leurs interactions avec l'atmosphère. Prof. Iain Colin Prentice revient avec nous sur les accomplissements de sa chaire, le rôle d’AXA et sur les retentissements qu’ont déjà connus ses travaux.

Quels progrès avez-vous réalisé dans le cadre de la chaire et en quoi peuvent-ils contribuer à l’amélioration des modèles du système terrestre ?

Si nous voulons comprendre et anticiper l’évolution à venir de notre planète, être capable de mesurer et de prévoir l'absorption du carbone par les plantes est une condition préalable majeure. Cependant, nous manquons de connaissances solides sur ce sujet. Pour cette raison, notre principale réalisation, selon moi, est le développement d'un modèle satellitaire qui fait un bon travail de prédiction de l'absorption totale du carbone via la photosynthèse (la « production primaire brute » ou PPB) réalisée par les écosystèmes au niveau mondial. Le modèle est remarquablement simple, mais il fonctionne bien mieux que de nombreux modèles beaucoup plus compliqués. Fondamentalement, il analyse simplement les données et nécessite un minimum de paramètres supplémentaires. Une partie du développement du modèle était de la théorie : j'ai montré que la formulation « efficacité d'utilisation de la lumière » (ce qui signifie que le PPB est proportionnel à la quantité de lumière absorbée par les feuilles) a une base solide quand elle tient compte de la façon dont les propriétés des feuilles changent avec le temps. J'ai établi également comment la température des feuilles (sous réserve que les plantes aient suffisamment d'eau) varie en fonction du climat, de sorte que les feuilles des climats froids ont tendance à être plus chaudes que l'air alors que celles des climats chauds ont tendance à être plus fraîches que l'air. J'ai montré comment cela peut être prédit, et que c’est vrai, sur la base d'une analyse des observations par satellite de la température de la surface terrestre. Ces informations sont cruciales en ce qui concerne le changement climatique et la prévision de la réaction de la végétation aux changements de température. De plus, j'ai développé un modèle qui prédit correctement comment l'épaisseur des feuilles (masse foliaire par surface) est liée à leur durée de vie, et comment cette relation change en fonction de l'intensité lumineuse, de la durée de la saison de croissance favorable et d’autres aspects climatiques. Ces mécanismes sont autant de rouages dans la machine des écosystèmes, et ce que nous faisons, c'est les réévaluer, trouver des moyens simples de les expliquer et de les prévoir, pour nous assurer que nos modèles de végétation sont basés sur des informations solides. J'ai également montré comment le nouveau modèle PPB peut être adapté avec des ajouts mineurs pour prédire les récoltes des cultures de blé, comment elles varient d'une année à l'autre et comment elles peuvent changer selon différents scénarios d’évolution des émissions de CO2 et du climat.

Avez-vous découvert quelque chose auquel vous ne vous attendiez pas ?

En 2017, j'ai publié un article sur la prévisibilité de l'azote dans les feuilles des plantes sauvages. L'une des implications est que l'azote foliaire ne détermine pas la capacité photosynthétique, comme le supposent de nombreux modèles, mais plutôt que la photosynthèse est optimisée au niveau foliaire et que la composante métabolique de l'azote foliaire en découle simplement. En d'autres termes, les plantes sont intelligentes ! Il s'agit d'un document très controversé, car il va à l'encontre d'un principe communément admis. Au total, j'ai publié près de 100 articles de journaux évalués par des pairs depuis le début de ma Chaire AXA.

Vos travaux vont-ils avoir un impact sur le statu quo en matière d’écologie végétale et de modélisation des écosystèmes terrestres ?

En ce qui concerne la communauté de la recherche, un autre résultat crucial des recherches que j'ai menées avec l'aide de ma Chaire AXA est la création d'un consortium international pour poursuivre le développement de modèles de végétation de « nouvelle génération », basés, en partie, sur le travail que je viens de mentionner. Le consortium comprend des membres de UC Berkeley, Texas Tech, Reading University, ETH Zurich et Tsinghua University. Il s'est également étendu pour inclure des participants des universités de Pittsburgh et d'Utrecht. Nous nous réunissons mensuellement par Skype et communiquons également via un groupe Slack. Doucement mais sûrement, mes recherches changent notre compréhension de l'écologie fonctionnelle des plantes et la modélisation des écosystèmes terrestres. Des idées autrefois considérées comme « de champ gauche » sont de plus en plus acceptées et de nouvelles orientations de recherche dans la modélisation de la surface terrestre pour les applications météorologiques, climatiques et du système terrestre sont en cours sur la base de mes récents travaux.

En quoi vos recherches peuvent-elles influencer notre futur ?

Il viendra plus lentement, grâce à l'adoption générale des modèles plus fiables pour les impacts des changements climatiques sur les écosystèmes et la façon dont les processus écosystémiques influent sur le cycle du carbone et du climat. Avec de meilleurs modèles, une nouvelle capacité scientifique permettra de fournir des informations exploitables sur l'adaptation aux changements climatiques dans le contexte des Objectifs de Développement Durable. J'espère que toute la question du changement climatique et de l'impact sur la biosphère deviendra plus claire. Lorsque vous n'avez pas de connaissances solides ou, devrais-je dire, vérifiées, il y a de la place pour toutes sortes d'opinions. Cela crée de la place pour la politisation, ce qui est très peu utile quand il s'agit de faire avancer les choses. Nous avons besoin d'un autre changement de paradigme dans la modélisation du système terrestre. Il fut un temps où nous pensions que les modèles globaux du système terrestre n'étaient même pas possibles. Maintenant, nous devons prouver que l'obtention de données plus précises et plus sûres est à notre portée, afin que nous puissions développer des modèles qui ne se contredisent pas. Nous ne pouvions pas le faire auparavant, principalement en raison de la rareté des données, mais ce n'est plus le cas. Les données sont le problème clé ici. Maintenant que nous avons accès à des mesures fines sur de nombreux paramètres, la situation a radicalement changé. Nous pouvons utiliser ces données pour valider nos modèles. C'est ce que je fais avec le consortium de modèles de végétation de nouvelle génération, et je ne doute pas que ces idées seront acceptées. Il s'agit de consolider les connaissances.

Quel rôle a joué AXA dans la réussite de votre projet et dans votre carrière ?

La Chaire AXA m'a donné la liberté de poursuivre des recherches menant à une importante reconnaissance à la fois pour moi personnellement et pour l'Imperial College. Depuis le début de ma Chaire AXA, j'ai reçu un financement de l'Agence Spatiale Européenne pour le projet TerrA-P, un système de surveillance mondial basé sur des données satellitaires, et une subvention avancée du Conseil Européen de la Recherche (ERC) pour le projet REALM (Re-inventing Ecosystem And Land-surface Models). De plus, j'ai été élu membre de la Royal Society et j'ai assumé un nouveau rôle de direction en tant que directeur du Centre de Leverhulme pour les feux de forêt, l'environnement et la société. J'ai également été nommé expert étranger de haut niveau à l'Université de Tsinghua.

Quels sont vos prochains grands projets?

Je suis en train de créer, en collaboration avec des collègues du groupe de développement de modèles de végétation de nouvelle génération, une « théorie des traits optimaux » complète reliant toutes les propriétés les plus importantes des plantes dans un cadre théorique commun. Nous visons également à améliorer notre compréhension du couplage à l'échelle mondiale entre les cycles du carbone et de l'eau, qui est en grande partie régulé par les plantes, ainsi que notre compréhension du passé, du présent et de l'avenir du cycle mondial du carbone et de l'absorption du CO2 provenant des combustibles fossiles par les écosystèmes terrestres.

Qui est Colin Prentice?

Le Professeur Iain Colin Prentice est un expert de renommée mondiale en sciences du climat, de l’écologie et de la biologie environnementale. De 2012 à 2019, il a dirigé la Chaire AXA sur la biosphère et les impacts climatiques au département des Sciences de la vie de l’Imperial College à Londres. Actuellement directeur du Centre Leverhulme pour les incendies de forêt, l'environnement et la société, il est titulaire d'une chaire universitaire en écologie et évolution à l'Université Macquarie de Sydney. Professeur Iain Colin Prentice est docteur en botanique (écologie du pollen) de l'Université de Cambridge.

Avril 2020 | Photo: @viniciusbenedit