Structure et dynamique des communautés multi-espèces : le rôle de l’espace

Cette thèse porte sur le rôle de l’espace dans l’organisation et dans la dynamique des communautés écologiques multi-espèces. Deux carences peuvent être identifiées dans les études théoriques actuelles portant sur la dimension spatiale des communautés écologiques : l’insuffisance de modèles multi-espèces représentant la dimension spatiale explicitement, et le manque d’attention portée aux interactions positives, tel le mutualisme, en dépit de la reconnaissance de leur ubiquité dans les systèmes écologiques. Cette thèse explore cette problématique propre à l’écologie des communautés, en utilisant une approche théorique s’inspirant de la théorie des systèmes complexes et de la mécanique statistique. Selon cette approche, les communautés d’espèces sont considérées comme des systèmes complexes dont les propriétés globales émergent des interactions locales entre les organismes qui les composent, et des interactions locales entre ces organismes et leur environnement. Le premier objectif de cette thèse est de développer un modèle de métacommunauté multi-espèces, explicitement spatial, orienté à l’échelle des individus et basé sur un réseau d’interactions interspécifiques générales comprenant à la fois des interactions d’exploitation, de compétition et de mutualisme. Dans ce modèle, les communautés locales sont formées par un processus d’assemblage des espèces à partir d’un réservoir régional. La croissance des populations est restreinte par une capacité limite et leur dynamique évolue suivant des mécanismes simples de reproduction et de dispersion des individus. Ces mécanismes sont dépendants des conditions biotiques et abiotiques des communautés locales et leur effet varie en fonction des espèces, du temps et de l’espace. Dans un deuxième temps, cette thèse a pour objectif de déterminer l’impact d’une connectivité spatiale croissante sur la dynamique spatiotemporelle et sur les propriétés structurelles et fonctionnelles de cette métacommunauté. Plus précisément, nous évaluons différentes propriétés des communautés en fonction du niveau de dispersion des espèces : i) la similarité dans la composition des communautés locales et ses patrons de corrélations spatiales; ii) la biodiversité locale et régionale, et la distribution locale de l’abondance des espèces; iii) la biomasse, la productivité et la stabilité dynamique aux échelles locale et régionale; et iv) la structure locale des interactions entre les espèces. Ces propriétés sont examinées selon deux schémas spatiaux. D’abord nous employons un environnement homogène et ensuite nous employons un environnement hétérogène où la capacité limite des communautés locales évoluent suivant un gradient. De façon générale, nos résultats révèlent que les communautés écologiques spatialement distribuées sont extrêmement sensibles aux modes et aux niveaux de dispersion des organismes. Leur dynamique spatiotemporelle et leurs propriétés structurelles et fonctionnelles peuvent subir des changements profonds sous forme de transitions significatives suivant une faible variation du niveau de dispersion. Ces changements apparaissent aussi par l’émergence de patrons spatiotemporels dans la distribution spatiale des populations qui sont typiques des transitions de phases observées généralement dans les systèmes physiques. La dynamique de la métacommunauté présente deux régimes. Dans le premier régime, correspondant aux niveaux faibles de dispersion des espèces, la dynamique d’assemblage favorise l’émergence de communautés stables, peu diverses et formées d’espèces abondantes et fortement mutualistes. La métacommunauté possède une forte diversité régionale puisque les communautés locales sont faiblement connectées et que leur composition demeure ainsi distincte. Par ailleurs dans le second régime, correspondant aux niveaux élevés de dispersion, la diversité régionale diminue au profit d’une augmentation de la diversité locale. Les communautés locales sont plus productives mais leur stabilité dynamique est réduite suite à la migration importante d’individus. Ce régime est aussi caractérisé par des assemblages incluant une plus grande diversité d’interactions interspécifiques. Ces résultats suggèrent qu’une augmentation du niveau de dispersion des organismes permet de coupler les communautés locales entre elles ce qui accroît la coexistence locale et favorise la formation de communautés écologiques plus riches et plus complexes. Finalement, notre étude suggère que le mutualisme est fondamentale à l’organisation et au maintient des communautés écologiques. Les espèces mutualistes dominent dans les habitats caractérisés par une capacité limite restreinte et servent d’ingénieurs écologiques en facilitant l’établissement de compétiteurs, prédateurs et opportunistes qui bénéficient de leur présence.

Modelling tree population dynamics at the alpine and boreal tree-line ecotones in response to climate and land-use change

Summary Ecotones are sensitive to change because they contain high numbers of species living at the margin of their environmental tolerance. This is equally true of tree-lines, which are determined by attitudinal or latitudinal temperature gradients. In the current context of climate change, they are expected to undergo modifications in position, tree biomass and possibly species composition. Attitudinal and latitudinal tree-lines differ mainly in the steepness of the underlying temperature gradient: distances are larger at latitudinal tree-lines, which could have an impact on the ability of tree species to migrate in response to climate change. Aside from temperature, tree-lines are also affected on a more local level by pressure from human activities. These are also changing as a consequence of modifications in our societies and may interact with the effects of climate change. Forest dynamics models are often used for climate change simulations because of their mechanistic processes. The spatially-explicit model TreeMig was used as a base to develop a model specifically tuned for the northern European and Alpine tree-line ecotones. For the latter, a module for land-use change processes was also added. The temperature response parameters for the species in the model were first calibrated by means of tree-ring data from various species and sites at both tree-lines. This improved the growth response function in the model, but also lead to the conclusion that regeneration is probably more important than growth for controlling tree-line position and species' distributions. The second step was to implement the module for abandonment of agricultural land in the Alps, based on an existing spatial statistical model. The sensitivity of its most important variables was tested and the model's performance compared to other modelling approaches. The probability that agricultural land would be abandoned was strongly influenced by the distance from the nearest forest and the slope, bath of which are proxies for cultivation costs. When applied to a case study area, the resulting model, named TreeMig-LAb, gave the most realistic results. These were consistent with observed consequences of land-abandonment such as the expansion of the existing forest and closing up of gaps. This new model was then applied in two case study areas, one in the Swiss Alps and one in Finnish Lapland, under a variety of climate change scenarios. These were based on forecasts of temperature change over the next century by the IPCC and the HadCM3 climate model (ΔT: +1.3, +3.5 and +5.6 °C) and included a post-change stabilisation period of 300 years. The results showed radical disruptions at both tree-lines. With the most conservative climate change scenario, species' distributions simply shifted, but it took several centuries reach a new equilibrium. With the more extreme scenarios, some species disappeared from our study areas (e.g. Pinus cembra in the Alps) or dwindled to very low numbers, as they ran out of land into which they could migrate. The most striking result was the lag in the response of most species, independently from the climate change scenario or tree-line type considered. Finally, a statistical model of the effect of reindeer (Rangifer tarandus) browsing on the growth of Pinus sylvestris was developed, as a first step towards implementing human impacts at the boreal tree-line. The expected effect was an indirect one, as reindeer deplete the ground lichen cover, thought to protect the trees against adverse climate conditions. The model showed a small but significant effect of browsing, but as the link with the underlying climate variables was unclear and the model was not spatial, it was not usable as such. Developing the TreeMig-LAb model allowed to: a) establish a method for deriving species' parameters for the growth equation from tree-rings, b) highlight the importance of regeneration in determining tree-line position and species' distributions and c) improve the integration of social sciences into landscape modelling. Applying the model at the Alpine and northern European tree-lines under different climate change scenarios showed that with most forecasted levels of temperature increase, tree-lines would suffer major disruptions, with shifts in distributions and potential extinction of some tree-line species. However, these responses showed strong lags, so these effects would not become apparent before decades and could take centuries to stabilise. Résumé Les écotones son sensibles au changement en raison du nombre élevé d'espèces qui y vivent à la limite de leur tolérance environnementale. Ceci s'applique également aux limites des arbres définies par les gradients de température altitudinaux et latitudinaux. Dans le contexte actuel de changement climatique, on s'attend à ce qu'elles subissent des modifications de leur position, de la biomasse des arbres et éventuellement des essences qui les composent. Les limites altitudinales et latitudinales diffèrent essentiellement au niveau de la pente des gradients de température qui les sous-tendent les distance sont plus grandes pour les limites latitudinales, ce qui pourrait avoir un impact sur la capacité des espèces à migrer en réponse au changement climatique. En sus de la température, la limite des arbres est aussi influencée à un niveau plus local par les pressions dues aux activités humaines. Celles-ci sont aussi en mutation suite aux changements dans nos sociétés et peuvent interagir avec les effets du changement climatique. Les modèles de dynamique forestière sont souvent utilisés pour simuler les effets du changement climatique, car ils sont basés sur la modélisation de processus. Le modèle spatialement explicite TreeMig a été utilisé comme base pour développer un modèle spécialement adapté pour la limite des arbres en Europe du Nord et dans les Alpes. Pour cette dernière, un module servant à simuler des changements d'utilisation du sol a également été ajouté. Tout d'abord, les paramètres de la courbe de réponse à la température pour les espèces inclues dans le modèle ont été calibrées au moyen de données dendrochronologiques pour diverses espèces et divers sites des deux écotones. Ceci a permis d'améliorer la courbe de croissance du modèle, mais a également permis de conclure que la régénération est probablement plus déterminante que la croissance en ce qui concerne la position de la limite des arbres et la distribution des espèces. La seconde étape consistait à implémenter le module d'abandon du terrain agricole dans les Alpes, basé sur un modèle statistique spatial existant. La sensibilité des variables les plus importantes du modèle a été testée et la performance de ce dernier comparée à d'autres approches de modélisation. La probabilité qu'un terrain soit abandonné était fortement influencée par la distance à la forêt la plus proche et par la pente, qui sont tous deux des substituts pour les coûts liés à la mise en culture. Lors de l'application en situation réelle, le nouveau modèle, baptisé TreeMig-LAb, a donné les résultats les plus réalistes. Ceux-ci étaient comparables aux conséquences déjà observées de l'abandon de terrains agricoles, telles que l'expansion des forêts existantes et la fermeture des clairières. Ce nouveau modèle a ensuite été mis en application dans deux zones d'étude, l'une dans les Alpes suisses et l'autre en Laponie finlandaise, avec divers scénarios de changement climatique. Ces derniers étaient basés sur les prévisions de changement de température pour le siècle prochain établies par l'IPCC et le modèle climatique HadCM3 (ΔT: +1.3, +3.5 et +5.6 °C) et comprenaient une période de stabilisation post-changement climatique de 300 ans. Les résultats ont montré des perturbations majeures dans les deux types de limites de arbres. Avec le scénario de changement climatique le moins extrême, les distributions respectives des espèces ont subi un simple glissement, mais il a fallu plusieurs siècles pour qu'elles atteignent un nouvel équilibre. Avec les autres scénarios, certaines espèces ont disparu de la zone d'étude (p. ex. Pinus cembra dans les Alpes) ou ont vu leur population diminuer parce qu'il n'y avait plus assez de terrains disponibles dans lesquels elles puissent migrer. Le résultat le plus frappant a été le temps de latence dans la réponse de la plupart des espèces, indépendamment du scénario de changement climatique utilisé ou du type de limite des arbres. Finalement, un modèle statistique de l'effet de l'abroutissement par les rennes (Rangifer tarandus) sur la croissance de Pinus sylvestris a été développé, comme première étape en vue de l'implémentation des impacts humains sur la limite boréale des arbres. L'effet attendu était indirect, puisque les rennes réduisent la couverture de lichen sur le sol, dont on attend un effet protecteur contre les rigueurs climatiques. Le modèle a mis en évidence un effet modeste mais significatif, mais étant donné que le lien avec les variables climatiques sous jacentes était peu clair et que le modèle n'était pas appliqué dans l'espace, il n'était pas utilisable tel quel. Le développement du modèle TreeMig-LAb a permis : a) d'établir une méthode pour déduire les paramètres spécifiques de l'équation de croissance ä partir de données dendrochronologiques, b) de mettre en évidence l'importance de la régénération dans la position de la limite des arbres et la distribution des espèces et c) d'améliorer l'intégration des sciences sociales dans les modèles de paysage. L'application du modèle aux limites alpines et nord-européennes des arbres sous différents scénarios de changement climatique a montré qu'avec la plupart des niveaux d'augmentation de température prévus, la limite des arbres subirait des perturbations majeures, avec des glissements d'aires de répartition et l'extinction potentielle de certaines espèces. Cependant, ces réponses ont montré des temps de latence importants, si bien que ces effets ne seraient pas visibles avant des décennies et pourraient mettre plusieurs siècles à se stabiliser.

Aspects spatial et temporel de l'intégration visuelle au niveau de la voie dorsale du système visuel du chat : le cortex suprasylvien latéral comme modèle

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Predicting spatial patterns of plant biodiversity : from species to communities

Understanding the distribution and composition of species assemblages and being able to predict them in space and time are highly important tasks io investigate the fate of biodiversity in the current global changes context. Species distribution models are tools that have proven useful to predict the potential distribution of species by relating their occurrences to environmental variables. Species assemblages can then be predicted by combining the prediction of individual species models. In the first part of my thesis, I tested the importance of new environmental predictors to improve species distribution prediction. I showed that edaphic variables, above all soil pH and nitrogen content could be important in species distribution models. In a second chapter, I tested the influence of different resolution of predictors on the predictive ability of species distribution models. I showed that fine resolution predictors could ameliorate the models for some species by giving a better estimation of the micro-topographic condition that species tolerate, but that fine resolution predictors for climatic factors still need to be ameliorated. The second goal of my thesis was to test the ability of empirical models to predict species assemblages' characteristics such as species richness or functional attributes. I showed that species richness could be modelled efficiently and that the resulting prediction gave a more realistic estimate of the number of species than when obtaining it by stacking outputs of single species distribution models. Regarding the prediction of functional characteristics (plant height, leaf surface, seed mass) of plant assemblages, mean and extreme values of functional traits were better predictable than indices reflecting the diversity of traits in the community. This approach proved interesting to understand which environmental conditions influence particular aspects of the vegetation functioning. It could also be useful to predict climate change impacts on the vegetation. In the last part of my thesis, I studied the capacity of stacked species distribution models to predict the plant assemblages. I showed that this method tended to over-predict the number of species and that the composition of the community was not predicted exactly either. Finally, I combined the results of macro- ecological models obtained in the preceding chapters with stacked species distribution models and showed that this approach reduced significantly the number of species predicted and that the prediction of the composition is also ameliorated in some cases. These results showed that this method is promising. It needs now to be tested on further data sets. - Comprendre la manière dont les plantes se répartissent dans l'environnement et s'organisent en communauté est une question primordiale dans le contexte actuel de changements globaux. Cette connaissance peut nous aider à sauvegarder la diversité des espèces et les écosystèmes. Des méthodes statistiques nous permettent de prédire la distribution des espèces de plantes dans l'espace géographique et dans le temps. Ces modèles de distribution d'espèces, relient les occurrences d'une espèce avec des variables environnementales pour décrire sa distribution potentielle. Cette méthode a fait ses preuves pour ce qui est de la prédiction d'espèces individuelles. Plus récemment plusieurs tentatives de cumul de modèles d'espèces individuelles ont été réalisées afin de prédire la composition des communautés végétales. Le premier objectif de mon travail est d'améliorer les modèles de distribution en testant l'importance de nouvelles variables prédictives. Parmi différentes variables édaphiques, le pH et la teneur en azote du sol se sont avérés des facteurs non négligeables pour prédire la distribution des plantes. Je démontre aussi dans un second chapitre que les prédicteurs environnementaux à fine résolution permettent de refléter les conditions micro-topographiques subies par les plantes mais qu'ils doivent encore être améliorés avant de pouvoir être employés de manière efficace dans les modèles. Le deuxième objectif de ce travail consistait à étudier le développement de modèles prédictifs pour des attributs des communautés végétales tels que, par exemple, la richesse en espèces rencontrée à chaque point. Je démontre qu'il est possible de prédire par ce biais des valeurs de richesse spécifiques plus réalistes qu'en sommant les prédictions obtenues précédemment pour des espèces individuelles. J'ai également prédit dans l'espace et dans le temps des caractéristiques de la végétation telles que sa hauteur moyenne, minimale et maximale. Cette approche peut être utile pour comprendre quels facteurs environnementaux promeuvent différents types de végétation ainsi que pour évaluer les changements à attendre au niveau de la végétation dans le futur sous différents régimes de changements climatiques. Dans une troisième partie de ma thèse, j'ai exploré la possibilité de prédire les assemblages de plantes premièrement en cumulant les prédictions obtenues à partir de modèles individuels pour chaque espèce. Cette méthode a le défaut de prédire trop d'espèces par rapport à ce qui est observé en réalité. J'ai finalement employé le modèle de richesse en espèce développé précédemment pour contraindre les résultats du modèle d'assemblage de plantes. Cela a permis l'amélioration des modèles en réduisant la sur-prédiction et en améliorant la prédiction de la composition en espèces. Cette méthode semble prometteuse mais de nouveaux tests sont nécessaires pour bien évaluer ses capacités.

Recherche translationnelle: de l'animal modèle de schizophrénie à la forme humaine de difficulté cognitive. Evaluation des performances de navigation spatiale et des stratégies utilisées

Un protocole de tests sur labyrinthe radial permettant d'évaluer la navigation spatial chez l'homme a été réalisé. Ces tests sur labyrinthe radial sont basés sur le protocole utilisé sur l'animal modèle de schizophrénie dans le CNP (Centre de neuroscience psychiatrique) de Lausanne. Les recherches actuelles du CNP ont montré un déficit dans les capacités d'orientation spatiale de ces animaux [13]. Ainsi notre méthodologie consistera à tester des sujets humains dans des tâches de labyrinthe afin d'étudier de la manière la plus équivalente les différents déficits observés dans la pathologie humaine et dans le rat modèle. Cette démarche est à la base d'une approche translationnelle qui combine recherches cliniques et expérimentales. Le travail expérimental a été mené sur deux dispositifs analogues. a) «radial au doigt», ensemble de petits canaux qui peuvent être explorés par le doigt, yeux ouverts ou fermés et dans lesquels des textures différentes tapissent chaque bras. b) «radial sur écran tactile», deux labyrinthes qui comparent deux types d'indice locale, couleurs différentes ou patrons noir-blanc. Dans les deux dispositifs a été prévu une série de tests permettant d'évaluer la mémorisation des indices utilisés en les supprimant temporairement où en les mettant en contradiction. La première perturbation a pour but de tester l'importance du référentiel locale par une rotation de 90° du labyrinthe. La permutation des bras lors d'un dernier essai permet d'induire une situation ou les informations ont été soit correctes spatialement mais incorrectes localement (texture) soit inversement. Ces perturbations des informations sensorielles qui sont fournies au sujet, permettent d'observer les systèmes de repérage et leur poids relatif dans la construction d'un système de référence durant la navigation spatiale. Les résultats du labyrinthe radial au doigt montrent que dans les conditions utilisant les informations visuelles les participants sont sensiblement plus performants. Il est apparu que les informations visuelles prédominent sur les informations proprioceptives et tactiles. Ainsi dans la condition intégrant informations visuospatiales, proprioceptives et tactiles, les sujets basent plus fortement leur navigation spatiale sur les indices visuelles soit locale soit spatiale. Dans cette condition une différence significative de stratégie entre hommes et femmes est apparue. Les hommes se basent majoritairement sur des indices spatiaux tandis que les femmes préfèrent les indices locaux. En présence d'informations tactiles et proprioceptives mais en absence de la vision, les participants utilisent les références spatiale et locale complémentairement sans avoir un système prédominant. Alors que si uniquement les informations proprioceptives sont présentes, les sujets utilisent un système de référence spatiale (globale). Le labyrinthe radial sur écran tactile indique une différence de système de référence selon l'indice local employé. Les couleurs, étant des forts indices locaux, vont favoriser un système de référence local. Au contraire les patrons noirs-blancs sont des indices visiblement très complexes et difficiles à mémoriser qui vont pousser les sujets à utiliser une stratégie de référence spatiale.

Characterization of gravitational rock slope deformations at different spatial scales based on field, remote sensing and numerical approaches

Rock slope instabilities such as rock slides, rock avalanche or deep-seated gravitational slope deformations are widespread in Alpine valleys. These phenomena represent at the same time a main factor that control the mountain belts erosion and also a significant natural hazard that creates important losses to the mountain communities. However, the potential geometrical and dynamic connections linking outcrop and slope-scale instabilities are often unknown. A more detailed definition of the potential links will be essential to improve the comprehension of the destabilization processes and to dispose of a more complete hazard characterization of the rock instabilities at different spatial scales. In order to propose an integrated approach in the study of the rock slope instabilities, three main themes were analysed in this PhD thesis: (1) the inventory and the spatial distribution of rock slope deformations at regional scale and their influence on the landscape evolution, (2) the influence of brittle and ductile tectonic structures on rock slope instabilities development and (3) the characterization of hazard posed by potential rock slope instabilities through the development of conceptual instability models. To prose and integrated approach for the analyses of these topics, several techniques were adopted. In particular, high resolution digital elevation models revealed to be fundamental tools that were employed during the different stages of the rock slope instability assessment. A special attention was spent in the application of digital elevation model for detailed geometrical modelling of past and potential instabilities and for the rock slope monitoring at different spatial scales. Detailed field analyses and numerical models were performed to complete and verify the remote sensing approach. In the first part of this thesis, large slope instabilities in Rhone valley (Switzerland) were mapped in order to dispose of a first overview of tectonic and climatic factors influencing their distribution and their characteristics. Our analyses demonstrate the key influence of neotectonic activity and the glacial conditioning on the spatial distribution of the rock slope deformations. Besides, the volumes of rock instabilities identified along the main Rhone valley, were then used to propose the first estimate of the postglacial denudation and filling of the Rhone valley associated to large gravitational movements. In the second part of the thesis, detailed structural analyses of the Frank slide and the Sierre rock avalanche were performed to characterize the influence of brittle and ductile tectonic structures on the geometry and on the failure mechanism of large instabilities. Our observations indicated that the geometric characteristics and the variation of the rock mass quality associated to ductile tectonic structures, that are often ignored landslide study, represent important factors that can drastically influence the extension and the failure mechanism of rock slope instabilities. In the last part of the thesis, the failure mechanisms and the hazard associated to five potential instabilities were analysed in detail. These case studies clearly highlighted the importance to incorporate different analyses and monitoring techniques to dispose of reliable and hazard scenarios. This information associated to the development of a conceptual instability model represents the primary data for an integrated risk management of rock slope instabilities. - Les mouvements de versant tels que les chutes de blocs, les éboulements ou encore les phénomènes plus lents comme les déformations gravitaires profondes de versant représentent des manifestations courantes en régions montagneuses. Les mouvements de versant sont à la fois un des facteurs principaux contrôlant la destruction progressive des chaines orogéniques mais aussi un danger naturel concret qui peut provoquer des dommages importants. Pourtant, les phénomènes gravitaires sont rarement analysés dans leur globalité et les rapports géométriques et mécaniques qui lient les instabilités à l'échelle du versant aux instabilités locales restent encore mal définis. Une meilleure caractérisation de ces liens pourrait pourtant représenter un apport substantiel dans la compréhension des processus de déstabilisation des versants et améliorer la caractérisation des dangers gravitaires à toutes les échelles spatiales. Dans le but de proposer un approche plus globale à la problématique des mouvements gravitaires, ce travail de thèse propose trois axes de recherche principaux: (1) l'inventaire et l'analyse de la distribution spatiale des grandes instabilités rocheuses à l'échelle régionale, (2) l'analyse des structures tectoniques cassantes et ductiles en relation avec les mécanismes de rupture des grandes instabilités rocheuses et (3) la caractérisation des aléas rocheux par une approche multidisciplinaire visant à développer un modèle conceptuel de l'instabilité et une meilleure appréciation du danger . Pour analyser les différentes problématiques traitées dans cette thèse, différentes techniques ont été utilisées. En particulier, le modèle numérique de terrain s'est révélé être un outil indispensable pour la majorité des analyses effectuées, en partant de l'identification de l'instabilité jusqu'au suivi des mouvements. Les analyses de terrain et des modélisations numériques ont ensuite permis de compléter les informations issues du modèle numérique de terrain. Dans la première partie de cette thèse, les mouvements gravitaires rocheux dans la vallée du Rhône (Suisse) ont été cartographiés pour étudier leur répartition en fonction des variables géologiques et morphologiques régionales. En particulier, les analyses ont mis en évidence l'influence de l'activité néotectonique et des phases glaciaires sur la distribution des zones à forte densité d'instabilités rocheuses. Les volumes des instabilités rocheuses identifiées le long de la vallée principale ont été ensuite utilisés pour estimer le taux de dénudations postglaciaire et le remplissage de la vallée du Rhône lié aux grands mouvements gravitaires. Dans la deuxième partie, l'étude de l'agencement structural des avalanches rocheuses de Sierre (Suisse) et de Frank (Canada) a permis de mieux caractériser l'influence passive des structures tectoniques sur la géométrie des instabilités. En particulier, les structures issues d'une tectonique ductile, souvent ignorées dans l'étude des instabilités gravitaires, ont été identifiées comme des structures très importantes qui contrôlent les mécanismes de rupture des instabilités à différentes échelles. Dans la dernière partie de la thèse, cinq instabilités rocheuses différentes ont été étudiées par une approche multidisciplinaire visant à mieux caractériser l'aléa et à développer un modèle conceptuel trois dimensionnel de ces instabilités. A l'aide de ces analyses on a pu mettre en évidence la nécessité d'incorporer différentes techniques d'analyses et de surveillance pour une gestion plus objective du risque associée aux grandes instabilités rocheuses.

Spatial and temporal regulation of " cdc16p " in the fission yeast " Schizosaccharomyces pombe "

Abstract: The fission yeast Schizosaccharomyces pombe has proven to be an excellent model system for the study of eukaryotic cell cycle control. S. pombe cells are rod-shaped and grow mainly by elongation at their tips. They divide by the means of a centrallyplaced division septum which provides two daughter cells of equal size. S. pombe cytokinesis begins at mitotic entry, when the division site is defined by formation of the contractile acto-myosin ring (CAR). Formation of the division septum is triggered at the end of mitosis by the spindle pole body (SPB) associated septation initiation network (SIN) proteins. SIN signalling requires activation of the GTPase spg1p, whose nucleotide status is regulated by the bipartite GAP byr4pcdc16p. Removal of cdc16p from the SPB during early mitosis is thought to allow priming of the SIN by association of cdc7p with both SPBs. During anaphase cdc7p is retained on the new SPB, which also recruits the kinase sid1 p and cdc14p, while the old SP8 reassembles the byr4-cdc16p GAP and is presumed not to signal; SPB asymmetry persists throughout anaphase. The trigger for inactivation of SIN signalling at the new SPB is unknown. This study has concentrated upon cdc16p. We have undertaken the analysis of the localisation of cdc16p using time-lapse microscopy. We have observed that the localisation of cdc16p is regulated at different transitions. We have shown that cdc16p is removed from the SPB prior to the onset of spindle formation and that it reappears asymmetrically at the beginning of anaphase B. We have also demonstrated that the resetting of the SIN at the new SPB is linked to completion of CAR contraction and septum formation. We propose the existence of a mechanism that monitors cytokinesis and that couples the activity of the SI N with the presence of the CAR. During the biochemical characterization of cdc16p, We have found that it is an unstable protein and that it is subjected to polyubiquitination by the SCF and proteasomal degradation. Together, these observations help to shed new light upon the mechanisms by which cytokinesis is regulated in S. pombe. Résumé: La levure Schizosaccharomyces pombe est un excellent organisme modèle pour l'étude du cycle cellulaire eucaryote. Les cellules S. pombe ont la forme de bâtonnets et croissent par l'allongement de leurs extrémités. Elles se divisent en formant, en leur milieu une paroi cellulaire, appelé septum, permettant ainsi l'obtention de deux cellules filles de même taille. Chez S. pombe, la cytokinèse commence en début de mitose lorsque le site de division est déterminé par la formation d'un anneau d'acto-myosine. Le septum, lui, est formé uniquement en fin de mitose par la contraction de l'anneau d'actomyosine. Cette contraction est sous le contrôle d'un réseau de signalisation cellulaire appelé le «réseau d'initiation de synthèse du septum » ou « septation initiation network » (SIN), qui se situe sur les pôles du fuseau mitotique. L'activation du SIN dépend d'une GTPase appelé spg1p dont le statut nucléotidique dépend des protéines cdclóp et byr4p qui forment un complexe qui favorise l'hydrolyse du GTP en GDP. En début de mitose, cdc16p ne se situe plus sur les poles du fuseau mitotique. La GTPase spg1p se retrouve donc principalement sous sa forme couplée au GTP, ce quí va permettre son interaction avec la kinase cdc7p. Cette protéine ainsi que deux autres kinases sid2p (avec mob1p) et sid1p (avec cdc14p) permettent la transmission du signal d'initiation de la contraction de l'anneau d'acto-myosine en fin d'anaphase. Pendant l'anaphase, cdc7p, sid1 p et cdc14p localisent sur un des deux pôles du fuseau mitotique. Il en est de même pour cdc1p et by14p et le pôle contenant cdc16p et byr4p est toujours différent de celui ou les régulateurs positifs du SIN se situent. En fin de cytokinèse, cdc16 et byr4p se retrouvent à nouveau sur chaque pôle des deux cellules filles. Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur l'analyse de la localisation de cdc16p pendant la mitose en utilisant une technique de microscopie en temps réel. Nous avons été en mesure de déterminer que le départ de cdc16p du pole s'effectue juste avant la formation du fuseau mitotique. Nous avons aussi découvert que la localisation asymétrique des composants du SIN dépend fortement de l'entrée en anaphase B. Finalement, Nous avons montré que distribution asymétrique des composants du SIN sur les pôles du fuseau mitotique dépendait aussi fortement de !a présence de l'anneau d'acto-myosine. Ceci nous permet donc de proposer l'existence d'un mécanisme cellulaire qui permet de s'assurer que la cytokinèse est achevée avant de diminuer la signalisation du SIN. Par ailleurs, des études biochimiques nous ont permis de montrer que cdc16p est dégradé par le proteosome. Ces travaux ont permis la découverte de nouveaux modes de régulation du SIN.

Effect of spatial processes on the evolution of ecological niches and dispersal in metacommunity systems

RésuméLa coexistence de nombreuses espèces différentes a de tout temps intrigué les biologistes. La diversité et la composition des communautés sont influencées par les perturbations et l'hétérogénéité des conditions environnementales. Bien que dans la nature la distribution spatiale des conditions environnementales soit généralement autocorrélée, cet aspect est rarement pris en compte dans les modèles étudiant la coexistence des espèces. Dans ce travail, nous avons donc abordé, à l'aide de simulations numériques, la coexistence des espèces ainsi que leurs caractéristiques au sein d'un environnement autocorrélé.Afin de prendre en compte cet élément spatial, nous avons développé un modèle de métacommunauté (un ensemble de communautés reliées par la dispersion des espèces) spatialement explicite. Dans ce modèle, les espèces sont en compétition les unes avec les autres pour s'établir dans un nombre de places limité, dans un environnement hétérogène. Les espèces sont caractérisées par six traits: optimum de niche, largeur de niche, capacité de dispersion, compétitivité, investissement dans la reproduction et taux de survie. Nous nous sommes particulièrement intéressés à l'influence de l'autocorrélation spatiale et des perturbations sur la diversité des espèces et sur les traits favorisés dans la métacommunauté. Nous avons montré que l'autocorrélation spatiale peut avoir des effets antagonistes sur la diversité, en fonction du taux de perturbations considéré. L'influence de l'autocorrélation spatiale sur la capacité de dispersion moyenne dans la métacommunauté dépend également des taux de perturbations et survie. Nos résultats ont aussi révélé que de nombreuses espèces avec différents degrés de spécialisation (i.e. différentes largeurs de niche) peuvent coexister. Toutefois, les espèces spécialistes sont favorisées en absence de perturbations et quand la dispersion est illimitée. A l'opposé, un taux élevé de perturbations sélectionne des espèces plus généralistes, associées avec une faible compétitivité.L'autocorrélation spatiale de l'environnement, en interaction avec l'intensité des perturbations, influence donc de manière considérable la coexistence ainsi que les caractéristiques des espèces. Ces caractéristiques sont à leur tour souvent impliquées dans d'importants processus, comme le fonctionnement des écosystèmes, la capacité des espèces à réagir aux invasions, à la fragmentation de l'habitat ou aux changements climatiques. Ce travail a permis une meilleure compréhension des mécanismes responsables de la coexistence et des caractéristiques des espèces, ce qui est crucial afin de prédire le devenir des communautés naturelles dans un environnement changeant.AbstractUnderstanding how so many different species can coexist in nature is a fundamental and long-standing question in ecology. Community diversity and composition are known to be influenced by heterogeneity in environmental conditions and disturbance. Though in nature the spatial distribution of environmental conditions is frequently autocorrelated, this aspect is seldom considered in models investigating species coexistence. In this work, we thus addressed several questions pertaining to species coexistence and composition in spatially autocorrelated environments, with a numerical simulations approach.To take into account this spatial aspect, we developed a spatially explicit model of metacommunity (a set of communities linked by dispersal of species). In this model, species are trophically equivalent, and compete for space in a heterogeneous environment. Species are characterized by six life-history traits: niche optimum, niche breadth, dispersal, competitiveness, reproductive investment and survival rate. We were particularly interested in the influence of environmental spatial autocorrelation and disturbance on species diversity and on the traits of the species favoured in the metacommunity. We showed that spatial autocorrelation can have antagonistic effects on diversity depending on disturbance rate. Similarly, spatial autocorrelation interacted with disturbance rate and survival rate to shape the mean dispersal ability observed in the metacommunity. Our results also revealed that many species with various degrees of specialization (i.e. different niche breadths) can coexist together. However specialist species were favoured in the absence of disturbance, and when dispersal was unlimited. In contrast, high disturbance rate selected for more generalist species, associated with low competitive ability.The spatial structure of the environment, together with disturbance and species traits, thus strongly impacts species diversity and, more importantly, species composition. Species composition is known to affect several important metacommunity properties such as ecosystem functioning, resistance and reaction to invasion, to habitat fragmentation and to climate changes. This work allowed a better understanding of the mechanisms responsible for species composition, which is of crucial importance to predict the fate of natural metacommunities in changing environments

Impact du genre et du modèle sur les mécanismes d’épileptogénèse dans le cerveau immature

Les modèles kainate et pentylènetétrazole représentent deux modèles d’épilepsie du lobe temporal dont les conséquences à long terme sont différentes. Le premier est un modèle classique d’épileptogénèse avec crises récurrentes spontanées tandis que le second se limite aux crises aigües. Nous avons d’abord caractérisé les différents changements survenant dans les circuits excitateurs et inhibiteurs de l’hippocampe adulte de rats ayant subi des crises à l’âge immature. Ensuite, ayant observé dans le modèle fébrile une différence du pronostic lié au genre, nous avons voulu savoir si cette différence était aussi présente dans des modèles utilisant des neurotoxines. L’étude électrophysiologique a démontré que les rats KA et PTZ, mâles comme femelles, présentaient une hyperactivité des récepteurs NMDA au niveau des cellules pyramidales du CA1, CA3 et DG. Les modifications anatomiques sous-tendant cette hyperexcitabilité ont été étudiées et les résultats ont montré une perte sélective des interneurones GABAergiques contenant la parvalbumine dans les couches O/A du CA1 des mâles KA et PTZ. Chez les femelles, seul le DG était légèrement affecté pour les PTZ tandis que les KA présentaient, en plus du DG, des pertes importantes au niveau de la couche O/A. Les évaluations cognitives ont démontré que seuls les rats PTZ accusaient un déficit spatial puisque les rats KA présentaient un apprentissage comparable aux rats normaux. Cependant, encore une fois, cette différence n’était présente que chez les mâles. Ainsi, nos résultats confirment qu’il y a des différences liées au genre dans les conséquences des convulsions lorsqu’elles surviennent chez l’animal immature.

Essais sur des questions internationales en économie des ressources naturelles

Cette thèse s'articule autour de trois essais portant sur des questions internationales en économie des ressources naturelles. Le premier essai examine la production et l'échange des ressources non-renouvelables dans un modèle spatial et souligne le rôle de la superficie des pays et du coût des transports dans la détermination du sens de l'échange. Le deuxième essai considère le tarif d'extraction de la rente de rareté liée aux ressources naturelles non-renouvelables avec le modèle spatial développé dans premier essai. Le cadre spatial (plus général) permet de représenter des pays qui sont à la fois importateurs et producteurs de la ressource, ce qui n'est pas possible dans les modèles traditionnels de commerce international où les pays sont traités comme des points (sans dimension). Le troisième essai aborde la question des droits de propriétés sur les zones maritimes et examine l'allocation d'une population de pêcheurs entre les activités productives et non-productives dans une communauté côtière. Le premier chapitre propose un modèle spatial de commerce international des ressources non-renouvelables. Le cadre spatial considère explicitement la différence de taille géographique (superficie) entre les pays et permet ainsi de tenir compte du fait que les gisements naturels et leurs utilisateurs soient dispersés dans l'espace, même à l'intérieur d'un pays. En utilisant un modèle spatial à la Hotelling, nous examinons l'évolution dans le temps du sens de l'échange entre deux pays (ou régions) qui diffèrent du point de vue de leur technologie de production, de leur superficie et de leur dotation en gisement d'une ressource naturelle non-renouvelable. Le chapitre met en évidence le rôle de la taille géographique dans la détermination du sens de l'échange, à côté des explications traditionnelles que sont l'avantage comparatif et les dotations des facteurs. Notre analyse est fondamentalement différente des autres contributions dans la littérature sur le commerce international des ressources naturelles parce qu'elle souligne l'importance de la taille géographique et du coût de transport par rapport à d'autres facteurs dans la détermination des flux de ressource à l'équilibre. Le coût unitaire de transport joue un rôle capital pour déterminer si la différence de superficie entre les pays influence le sens de l'échange à l'équilibre plus que les autres facteurs. Le chapitre discute aussi du caractère régional des échanges qui a été observé pour certaines ressources telles que le minerai de fer et la bauxite. Le chapitre deux aborde la question de la répartition de la rente de rareté liée aux ressources naturelles non-renouvelables entre les pays producteurs et les pays consommateurs. Cette question a été abordée dans la littérature sous une hypothèse quelque peu restrictive. En effet, dans la plupart des travaux portant sur ce sujet le pays importateur est automatiquement considéré comme dépourvu de gisement et donc non producteur de la ressource. Pourtant la réalité est qu'il existe des ressources pour lesquelles un pays est à la fois producteur et importateur. Le cadre d'analyse de ce second essai est le modèle spatial développé dans le premier essai, qui permet justement qu'un pays puisse être à la fois importateur et producteur de la ressource. Le pays importateur détermine alors simultanément le tarif optimal et le taux d'extraction de son propre stock. Nous montrons que le tarif optimal croît au taux d'intérêt et de ce fait, ne crée aucune distorsion sur le sentier d'extraction de la ressource. Le tarif optimal permet de récupérer toute la rente lorsque le pays exportateur ne consomme pas la ressource. Néanmoins, la possibilité pour le pays exportateur de consommer une partie de son stock limite la capacité du pays importateur à récupérer la rente chez le pays exportateur. La présence de gisements de la ressource dans le pays importateur réduit la rente du pays exportateur et de ce fait renforce la capacité du pays importateur à récupérer la rente chez le pays exportateur. Le tarif initial est une fonction décroissante du stock de ressource dans le pays importateur. Cet essai aborde également la question de la cohérence dynamique du tarif obtenu avec la stratégie en boucle ouverte. Le troisième chapitre examine un problème d'allocation de l'effort entre les activités productives (par exemple la pêche) et les activités non productives (par exemple la piraterie maritime) dans une population de pêcheurs. La répartition de la population entre les activités de pêche et la piraterie est déterminée de façon endogène comme une conséquence du choix d'occupation. Nous établissons l'existence d'une multiplicité d'équilibres et mettons en évidence la possibilité d'une trappe de piraterie, c'est-à-dire un équilibre stable où une partie de la population est engagée dans les actes de piraterie. Le modèle permet d'expliquer l'augmentation significative des attaques de piraterie dans le Golfe d'Aden au cours des dernières années. Le chapitre discute aussi des différents mécanismes pour combattre la piraterie et souligne le rôle crucial des droits de propriété.

Reconstruction des structures magnéto-convectives solaires sous une région active, par l’utilisation conjointe d’un modèle de convection anélastique et d’une méthode d’assimilation de données.

L’utilisation d’une méthode d’assimilation de données, associée à un modèle de convection anélastique, nous permet la reconstruction des structures physiques d’une partie de la zone convective située en dessous d’une région solaire active. Les résultats obtenus nous informent sur les processus d’émergence des tubes de champ magnétique au travers de la zone convective ainsi que sur les mécanismes de formation des régions actives. Les données solaires utilisées proviennent de l’instrument MDI à bord de l’observatoire spatial SOHO et concernent principalement la région active AR9077 lors de l’ ́évènement du “jour de la Bastille”, le 14 juillet 2000. Cet évènement a conduit à l’avènement d’une éruption solaire, suivie par une importante éjection de masse coronale. Les données assimilées (magnétogrammes, cartes de températures et de vitesses verticales) couvrent une surface de 175 méga-mètres de coté acquises au niveau photosphérique. La méthode d’assimilation de données employée est le “coup de coude direct et rétrograde”, une méthode de relaxation Newtonienne similaire à la méthode “quasi-linéaire inverse 3D”. Elle présente l’originalité de ne pas nécessiter le calcul des équations adjointes au modèle physique. Aussi, la simplicité de la méthode est un avantage numérique conséquent. Notre étude montre au travers d’un test simple l’applicabilité de cette méthode à un modèle de convection utilisé dans le cadre de l’approximation anélastique. Nous montrons ainsi l’efficacité de cette méthode et révélons son potentiel pour l’assimilation de données solaires. Afin d’assurer l’unicité mathématique de la solution obtenue nous imposons une régularisation dans tout le domaine simulé. Nous montrons enfin que l’intérêt de la méthode employée ne se limite pas à la reconstruction des structures convectives, mais qu’elle permet également l’interpolation optimale des magnétogrammes photosphériques, voir même la prédiction de leur évolution temporelle.

Développement d’un modèle centré sur l’individu des déplacements du caribou, du loup et de l’orignal, et de leurs interactions, en forêt boréale aménagée

Le caribou forestier est une espèce menacée au Canada, la principale hypothèse au déclin des populations étant l’intensification de la prédation provoquée par les perturbations anthropiques du paysage. Afin de faire face à cette situation, il est nécessaire d’étudier et comprendre l’impact de l’environnement sur les interactions prédateur-proies entre le caribou et le loup, ainsi qu’avec l’orignal, qui est sa principale proie alternative. Pour cela, cette thèse présente la conception d’un modèle centré sur l’individu des déplacements de ces trois espèces en fonction de leur environnement, dont résulteront les interactions prédateur-proies. Afin de permettre l’application de ce modèle sur de longues périodes, et donc pour un environnement changeant, une méthodologie a été développée, qui s’articule atour de deux aspects principaux. Tout d’abord, la notion de niveaux d’émergence est introduite, permettant d’ordonner les comportements observables du système selon leurs interdépendances, afin de choisir comme trait du modèle un com- portement correspondant au domaine d’applicabilité visé. Ordonner les comportements selon leurs niveaux d’émergence permet également d’identifier la redondance entre les patrons, qui peut être à l’origine d’un phénomène de sur-apprentissage lorsqu’ils sont utilisés lors de la calibration. Dans un second temps, un nouveau protocole pour la calibration et la validation du ou des traits choisis à l’aide des niveaux d’émergence, nommé réplication de système basé sur l’individu (Individual Based System Replication - IBSRtion) est également présenté. Ce protocole met l’emphase sur la modélisation directe, contrairement au principal protocole existant, la modélisation orientée patrons (Pattern Oriented Modelling - POM), et permet une approche empirique en générant artificiellement des données non disponibles ou ne pouvant être récoltées par des études de terrains. IBSRtion a également l’avantage de pouvoir être intégrée dans POM, afin de contribuer à la création d’une méthodologie universelle pour la conception de modèles centrés sur l’individu. Le processus de conception de ce modèle aura entre autre permis de faire une synthèse des connaissances et d’identifier certaines lacunes. Une étude visant à palier le manque de connaissances satisfaisantes sur les réponses comportementales à court-terme des proies face au risque de prédation a notamment permis d’observer que celles-ci sont une combinaison de comportements chroniques et éphémères, et que les mécanismes qui en sont à l’origine sont complexes et non-linéaires. Le résultat de ce travail est un modèle complexe utilisant de nombreux sous-modèles, et calibré de façon empirique, applicable à une grande variété d’environnements. Ce modèle a permis de tester l’impact de l’enfeuillement sur les relations prédateur-proies. Des simulations ont été effectuées pour différentes quantités d’enfeuillement, suivant deux configurations spatiales différentes. Les résultats de simulation suggèrent que des plans d’aménagement considérant également l’habitat de l’orignal pourraient être bénéfiques pour le caribou forestier, car ils permettraient d’améliorer la ségrégation spatiale entre les deux espèces, et donc entre le caribou et le loup. En le couplant avec un module de naissances et de morts naturelles ainsi qu’un modèle d’évolution du paysage, ce modèle permettra par la suite d’évaluer l’impact de plans d’aménagement forestier sur la viabilité des populations de caribou forestier.

Étude de faisabilité du modèle de fournisseur de services de dépôt électronique

"Le présent rapport a pour objet de fournir un commentaire détaillé sur la faisabilité globale d'un portail unique de dépôt électronique hébergé par le secteur privé (modèle transactionnel central de dépôt électronique) fondé sur la norme LegalXML. Le résultat attendu principal est une opinion concernant la faisabilité du modèle à guichet unique (portail électronique). D'autres résultats attendus comprennent : une connaissance accrue chez les intéressés du modèle de fournisseur de services et une évaluation préliminaire de l'appui que le modèle reçoit. Nous avons utilisé deux véhicules d'analyse principaux pour réaliser les objectifs de l'étude susmentionnés : des analyses documentaires et des entretiens auprès d'intéressés. Les analyses visent explicitement à : examiner des approches différentes au dépôt électronique, notamment un système de dépôt électronique comme extension de chaque instance, et l'hébergement par le secteur privé par opposition au secteur public d'un guichet unique; recenser les questions et les facteurs de risque critiques se rapportant à la mise en place de services de dépôt électronique dans les cours, notamment la protection des renseignements personnels, la propriété intellectuelle et la sécurité, et en discuter; opposer chacun de ces points au modèle de FSA; faire des recommandations sur la stratégie permettant de régler les questions et les facteurs de risque critiques. L'étude a révélé que : de nombreux intéressés appuient le dépôt électronique; de nombreux intéressés (p. ex. les avocats) ne font aucune distinction entre les formes différentes de dépôt électronique, tandis que d'autres s'en soucient beaucoup (p. ex. administrateurs de certaines cours); un modèle de fournisseur de services de dépôt électronique (FSDE) à guichet unique offre quelques avantages importants par rapport à une approche de dépôt électronique individuelle, surtout pour ce qui concerne les coûts et la plate-forme de l'avenir; un modèle de FSDE du secteur privé offre des avantages considérables par rapport à un modèle de FSDE du secteur privé, surtout en matière de succès et de coût de la mise en œuvre."

L’aspect spatial et temporel des usages naissants lors de l’interrelation entre l’usager et l’espace-transitoire de la gare du Midi à Bruxelles.

Fréquemment, des usagers se retrouvent confrontés à des espaces-transitoires tels que les couloirs de gares. Ces derniers présentent souvent des contraintes temporelles et spatiales qu’il serait possible de transformer en outil optimalisant l’usage. Nous avons voulu vérifier cette hypothèse en observant le degré d’adéquation entre l’offre (les aménagements) et la demande (les usages réels) dans le cas précis de la gare du midi à Bruxelles, Belgique. Nous avons récolté des indices spatiaux, temporels et comportementaux qui nous ont permis d’identifier les conditions de l’usage et, au moyen d’observations directes, de comprendre les usages réellement pratiqués. Afin de documenter le rapport entre usager et espace-temps, nous avons établit une typologie des usages qui met en évidence des figures d’interactions possibles entre ces deux composantes. Nos résultats nous ont permis d’élaborer une conclusion sous la forme d’un modèle nommé « triangle des interrelations » dans le but d’offrir un outil permettant aux professionnels d’anticiper au mieux l’impact des aménagements.