La révolution numérique inspire une nouvelle direction de recherche sur la diversité structurelle des écosystèmes

Un numéro spécial de la revue Frontières de l’écologie et de l’environnement jette les bases de la poursuite de la diversité structurelle en tant que nouvelle direction de recherche en écologie. Le numéro décrit également les méthodes de collecte de données numériques qui permettent la nouvelle orientation de la recherche et les applications des travaux dans divers écosystèmes.

“La diversité structurelle consiste à réfléchir aux éléments qui occupent un espace et à la manière dont ils ont été disposés dans l’espace”, a déclaré le rédacteur en chef du numéro spécial, Songlin Fei, professeur de foresterie et de ressources naturelles et titulaire de la chaire du doyen de la télédétection à Purdue. “L’espoir est que nous fournissons un cadre qui peut être appliqué quel que soit le système dans lequel vous travaillez, du terrestre au aquatique.”

Comme Fei et trois coéditeurs l’ont écrit dans leur aperçu, les contributions du numéro spécial “fournissent un nouveau cadre pour la diversité structurelle, de nouvelles applications à la théorie écologique et des études de cas”.

Les coéditeurs étaient Brady Hardiman de Purdue, professeur agrégé d’écologie urbaine au Département des forêts et des ressources naturelles de Purdue ; Elizabeth LaRue, professeure adjointe de sciences biologiques à l’Université du Texas à El Paso ; et Kyla Dahlin, professeure agrégée de géographie, environnement et sciences spatiales à la Michigan State University.

Six des sept auteurs principaux du numéro spécial sont des scientifiques en début de carrière qui développent des applications pour les technologies 3D qui pourraient aboutir à de nouvelles théories écologiques. Ces technologies comprennent la détection et la télémétrie de la lumière (lidar) et des capteurs de données montés sur des drones et des satellites.

“L’adoption de ces outils et technologies numériques émergents permettra à la prochaine génération d’écologistes d’exploiter avec grâce une flotte de capteurs pour mesurer les écosystèmes et nager librement dans l’océan de données qui en résulte”, ont écrit les éditeurs.

De telles méthodes forment la base du nouveau centre de Purdue pour la foresterie numérique, que Fei dirige. En tant que l’un des cinq investissements stratégiques de Purdue’s Next Moves, le centre s’appuie sur la technologie numérique et l’expertise multidisciplinaire pour mesurer, surveiller et gérer les forêts urbaines et rurales afin de maximiser les avantages sociaux, économiques et écologiques.

“Dans le passé, en tant que scientifiques, nous mesurions la Terre comme une entité plate”, a déclaré LaRue, un ancien chercheur postdoctoral encadré par Fei et Hardiman. “C’est en partie parce que nous n’avions pas une bonne technologie pour mesurer les aspects 3D de la planète.”

Ces aspects comprennent les différences d’élévation et les caractéristiques à petite échelle telles que les modèles de ramification des arbres. Auparavant, les chercheurs devaient effectuer ces mesures à la main.

“La technologie progresse rapidement. Nous devons rattraper la science et la théorie rendues possibles par ces technologies 3D”, a-t-elle déclaré.

Le numéro spécial note que malgré des travaux clés déjà commencés dans le domaine de la foresterie, il reste encore beaucoup à faire dans les types d’écosystèmes tels que les zones humides, les prairies et les écosystèmes marins.

“Nos connaissances sont encore assez limitées sur la diversité structurelle dans différents types d’écosystèmes”, a déclaré LaRue.

Traditionnellement, les scientifiques ont cherché à mesurer la biodiversité en comptant les espèces et en évaluant leur diversité génétique.

“Ces mesures existantes reviennent à cette question fondamentale : quelle part de l’espace écologique disponible a été occupée par différents organismes ?” dit Hardiman. “Plus l’espace écologique occupé par différentes espèces est important, plus le système pourrait être stable, car le fait de manquer une espèce ne provoquerait pas l’effondrement du système.”

Mais avec les nouvelles technologies numériques 3D, les chercheurs peuvent désormais déterminer rapidement la disposition en couches des espèces dans un environnement, ainsi que leur taille et leur nombre. De telles capacités profitent aux gestionnaires des terres ainsi qu’aux chercheurs. Les gestionnaires peuvent désormais souvent collecter des données de meilleure qualité beaucoup plus rapidement et à moindre coût pour aider leur prise de décision. Parfois, ils peuvent simplement utiliser une application pour téléphone portable pour effectuer des mesures qui nécessitaient auparavant un ruban à mesurer.

Les éditeurs et auteurs du numéro spécial mettent en évidence quatre défis que les chercheurs doivent relever pour réaliser le plein potentiel de ces avancées numériques en écologie.

Le premier défi consiste pour les écologistes et les scientifiques de l’environnement à collaborer plus largement avec des collègues d’autres spécialités. L’expertise nécessaire va de la technologie aéronautique, de l’ingénierie et de l’informatique à la conception graphique, aux sciences de l’information et aux sciences sociales.

Le deuxième défi consiste à appliquer les superordinateurs, le cloud computing, l’apprentissage automatique et l’intelligence artificielle pour traiter les énormes ensembles de données 3D que la technologie numérique génère désormais.

“Une grande partie des données avec lesquelles nous travaillons sont accessibles au public et disponibles”, a déclaré Fei. Mais les chercheurs manquent parfois d’expertise pour en tirer parti. “Ils n’ont pas la capacité de calcul ni les bons outils pour le gérer”, a-t-il déclaré.

Le troisième défi est d’adopter de nouvelles approches pour mieux évaluer les centaines de variables dans la structure de l’écosystème que les ensembles de données 3D présentent maintenant souvent. Au lieu de dépendre des tests d’hypothèse traditionnels, l’équipe éditoriale a recommandé aux chercheurs d’adopter des approches axées sur les données ou de combiner les deux.

Enfin, les éditeurs ont souligné l’importance cruciale de former la prochaine génération d’écologistes au numérique.

“De nouvelles compétences axées sur les données telles que l’acquisition, la visualisation, l’analyse et la gestion de grands ensembles de données doivent devenir des éléments essentiels de la formation écologique”, ont-ils écrit.