Etude de la diversité spatiale des réseaux trophiques et ses implications pour la conservation

par Joăo Braga

Thèse de doctorat en Biodiversité écologie environnement

Sous la direction de Wilfried Thuiller.

Soutenue le 13-12-2018

à Grenoble Alpes , dans le cadre de Chimie et Sciences du Vivant , en partenariat avec Laboratoire d'écologie alpine (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était François Munoz.

Le jury était composé de Wilfried Thuiller, Camille Albouy.

Les rapporteurs étaient Catherine Graham, David Mouillot.

mots clés

• Biodiversité
• Réseaux interactions
• Changement climatique
• Environnement -- Protection -- Participation des citoyens
• Assemblage des communautés (écologie)

Résumé

Les espèces qui cooccurrent partagent plus que l'espace physique, elles partagent aussi des interactions biotiques. Les interactions trophiques sont un type particulier d'interactions antagonistes qui représentent le flux de biomasse d'une espèce proie vers son prédateur. Les réseaux trophiques, dans leur forme la plus simple, sont composés de producteurs, de consommateurs et de décomposeurs. En raison de la nature des interactions qui composent les réseaux trophiques, leur structure nous révèle les processus gouvernant l'assemblage des communautés, la distribution de la biodiversité, le fonctionnement des écosystèmes et des services qu'ils nous rendent. Bien que l'étude des réseaux trophiques à large échelle spatiale ait été, jusqu’à présent, limitée par la disponibilité des données, une nouvelle ère de recherche en biogéographie et en écologie des réseaux trophiques est en train d’émerger. Pendant mon doctorat, j'ai ainsi étudié la diversité spatiale des réseaux trophiques des espèces européennes de tétrapodes dans le but de fusionner la biogéographie, l’écologie des reseaux trophiques et la biologie de la conservation. J'ai commencé par combiner l’information sur la distribution des espèces et leurs interactions potentielles pour cartographier la diversité des réseaux trophiques européens. Cela m'a permis d’explorer comment les gradients de milieu, qu’ils soient climatiques ou d’utilisation du sol, influencent et structurante la composition et la distribution des réseaux trophiques en Europe. Ensuite, dans un effort de compréhension de la structure des réseaux, j'ai identifié les espèces jouant un rôle clé dans les réseaux via l’utilisation d’indices de centralité. En effet, la perte d'espèces dites ‘centrales’ dans un réseau trophique peut grandement perturber la structure et la dynamique des communautés, jusqu’à provoquer des extinctions secondaires. À l'aide de trois mesures de centralité (degré, betweenness et eigenvector centrality), j'ai examiné la relation entre la centralité des espèces et leurs caractéristiques fonctionnelles et leur place dans la phylogénie des espèces de tetrapods européens. J'ai découvert que la centralité était conservée au long de la phylogénie et que les espèces qui chassent activement des petites proies étaient plus susceptibles de jouer un rôle central dans un réseau trophique. Étant donné le rôle primordial des espèces centrales pour la persistance des communautés, j’ai ensuite testé l’efficacité du réseau d’aires protégées européen pour leur conservation. J'ai ainsi exploré la relation entre le risque d'extinction des espèces et leur centralité ainsi que leur niveau trophique. J'ai constaté que le lien entre le risque d'extinction et les caractéristiques trophiques des espèces était faible ou inexistant. Par une analyse des lacunes (‘gap analysis’) des espaces protégés, j’ai aussi pu montrer par une que les espèces dites centrales dans les réseaux trophiques européens étaient d’ailleurs généralement bien protégées en Europe et n’étaient donc pas forcément les plus vulnérables. Pour conclure, en combinant la biogéographie, l'écologie des réseaux trophiques et la biologie de la conservation, ma thèse offre l'une des premières études approfondies sur la distribution à grande échelle de la structure trophique des tétrapodes, ainsi que les facteurs responsable de cette distribution, sur les dépendances entre caractéristiques trophiques, fonctionnelles et phylogénétiques des espèces, et leur statut de conservation.

mots clés

• Biodiversity
• Interaction networks
• Climate change

Titre traduit

Studying the spatial diversity of European food webs, their drivers and implications for conservation

Résumé

Co-occurring species share more than just physical space, they share also biotic interactions. Trophic interactions depict the flow of biomass from a prey species to its predator. Food webs, in their simplest form, are composed by producers, consumers and decomposers. Because of the nature of the interactions that food webs depict, their structure can be informative about the underlying processes responsible for the assembly of communities, the organization of biodiversity, the functioning of ecosystems and the services they provide to humans. Although the study of food webs across large spatial scales has been limited by data availability, a new generation of biogeography and food web ecology research is rising. In my PhD, I investigated the spatial diversity of food webs of European tetrapod species with the objective of merging biogeography, food web ecology and conservation biology. I started by combining two different sources of information, species distributions and an expert-based database of species interactions, to map the diversity of European food webs. This allowed me to uncover the spatial interactions between food web diversity, composition, environmental and land-use gradients. I found that the spatial diversity of food webs was highly linked with climatic conditions. Then, I used centrality indices to identify trophic keystone species. Losing central species in a food web can affect a community disproportionally, by disrupting its trophic structure and potentially causing other extinctions. Using three measures of centrality (degree, betweenness and eigenvector centralities), I investigated how these centrality indices correlated with the traits and phylogeny of European tetrapod species. I found that centrality was highly conserved through phylogeny, and active hunters of small prey were more likely to be central within a food web. Because centrality was restricted to few species, assessing the efficiency of current protected areas for these central species is crucial to persistence of European communities. Thus, I investigated the correlation between species extinction risk, centrality and also trophic level. On a positive note, I found weak to no links between extinction risk and species trophic features. I also performed a gap analysis to search for any links between species centrality, trophic level and their spatial protection, which showed that key species are generally well protected in Europe. My thesis brings together the three fields of biogeography, food web ecology, and conservation biology into one of the first comprehensive studies on the large-scale patterns of trophic structure and its drivers, and the dependencies between species trophic, functional and phylogenetic characteristics, finally providing an option to bring trophic information into conservation applications.