What constrains food webs? A maximum entropy framework for predicting their structure with minimal biases

Food webs are complex ecological networks whose structure is both ecologically and statistically constrained, with many network properties being correlated with each other. Despite the recognition of these invariable relationships in food webs, the use of the principle of maximum entropy (MaxEnt) in network ecology is still rare. This is surprising considering that MaxEnt is a renowned and rigorous statistical tool precisely designed for understanding and predicting many different types of constrained systems. Precisely, this principle asserts that the least-biased probability distribution of a system's property, constrained by prior knowledge about that system, is the one with maximum information entropy. Here we show how MaxEnt can be used to derive many food-web properties both analytically and heuristically. First, we show how the joint degree distribution (the joint probability distribution of the numbers of prey and predators for each species in the network) can be derived analytically using the number of species and the number of interactions in food webs. Second, we present a heuristic and flexible approach of finding a network's adjacency matrix (the network's representation in matrix format) based on simulated annealing and SVD entropy. We built two heuristic models using the connectance and the joint degree sequence as statistical constraints, respectively. We compared both models' predictions against corresponding null and neutral models commonly used in network ecology using open access data of terrestrial and aquatic food webs sampled globally. We found that the heuristic model constrained by the joint degree sequence was a good predictor of many measures of food-web structure, especially the nestedness and motifs distribution. Specifically, our results suggest that the structure of terrestrial and aquatic food webs is mainly driven by their joint degree distribution

Un chiffre pour la biodiversité

«La communication entre les scientifiques, la société et les politicien.ne.s se doit d’être fluide, rapide et efficace pour lutter contre les grands enjeux environnementaux auxquels nous faisons face. Les scientifiques œuvrent à établir les faits, la société manifeste ses attentes et le gouvernement agit. Or, les disciplines scientifiques ne sont pas toutes égales à cet égard. Nous documentions dans les pages de la première édition du Climatoscope un déficit croissant de communication entre la science du climat et celle de la biodiversité (Legagneux et al. 2019). Alors que le changement climatique fait la nouvelle, voire qu’il détermine une partie de l’agenda public, et que l’attention médiatique qu’il suscite croît proportionnellement avec le développement de la connaissance scientifique, l’attention portée à la crise de la biodiversité demeure négligeable et déconnectée de la recherche. Plusieurs hypothèses sont proposées pour expliquer ce déficit de communication : la biodiversité est un concept diffus, difficile à représenter au quotidien, les aspects catastrophiques du changement climatique sont plus vendeurs auprès des médias, les conséquences économiques sont plus faciles à évaluer, etc. Il est difficile de rassembler dans un message cohérent différents problèmes tels que l’extinction du caribou forestier, la surpêche dans le Golfe du Saint-Laurent, l’envahissement de nos cours d’eau par les moules zébrées ou encore la progression vers le nord de la tique à pattes noires et la maladie de Lyme. Comment communiquer les enjeux de biodiversité, notamment avec les changements climatiques en toile de fond, afin de mobiliser la société et faciliter la prise de décisions nécessaires pour résoudre cette crise? Toute la complexité du changement climatique a été remarquablement résumée en un seul chiffre, comme un slogan dans une campagne publicitaire : 2,0 °C. Il s’agit de la cible fixée pour le réchauffement planétaire lors de l’Accord de Paris pour limiter les conséquences négatives sur l’humain et l’environnement. Ce chiffre tire son origine de différentes études scientifiques et un rapport spécifique du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) étudie les conséquences d’un réchauffement qui se limiterait à 1,5 °C (IPCC, 2018). Mais c’est d’abord et avant tout un concept de marketing, simple et facile à représenter dans l’esprit du public. Cela facilite aussi la mesure et le suivi. Mais quel serait le chiffre pour la biodiversité? [...] Un chiffre a percé en 2019, il a fait grand bruit et il serait susceptible de symboliser adéquatement le problème : 1 million d’espèces. Annoncé en mai 2019 dans le tout premier rapport du Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services (IPBES, voir l’Encadré 1), ce chiffre seul parvient peut-être à résumer la crise. Il représente le nombre d’espèces susceptibles de disparaître à court terme en raison des actions humaines. D’où vient cette estimation? Cet article a pour objectif de présenter la science qui permet d’en faire le calcul, d’évaluer son incertitude et aussi son interprétation dans le tout premier rapport de l’IPBES. [...

Sommes-nous bien informés? : écarts entre la couverture du changement climatique et de la biodiversité par les médias et la littérature scientifique

Les changements climatiques et de biodiversité sont deux enjeux environnementaux de premier plan, souvent liés l’un à l’autre. Ils se produisent actuellement à un rythme supérieur à ce qui est acceptable pour maintenir les processus biophysiques de la planète (Rockström et al., 2009). La réduction de l’impact des activités humaines sur l’environnement nécessite au préalable une compréhension de ces problématiques, d’où l’importance des découvertes scientifiques qui améliorent nos connaissances sur ces enjeux et ouvrent des pistes de réflexion menant à l’élaboration de solutions temporaires ou durables

Effect of a major canopy disturbance on the coexistence of Acer saccharum and Fagus grandifolia in the understorey of an old-growth forest

In forest communities, species coexistence can be favoured by disturbance-related variations in light regime coupled with rank reversal in species performance. The objective of this study was to determine if a major canopy disturbance, resulting from an ice storm, would favour the coexistence of sugar maple (Acer saccharum) and beech (Fagus grandifolia) in an old-growth forest located near the northern limit of the species' range. The growth, density and frequency of occurrence of understorey stems were evaluated 7 years after the ice storm and compared with pre-disturbance values to determine if sugar maple, a slightly less shade-tolerant species, would be favoured over beech. Although height and radial growth increased three- to five-fold, and > 70% of the 5-10 cm d.b.h. stems showed a release, sugar maple did not benefit more from the opening of the canopy than beech. The inability of sugar maple to outgrow beech might be related to the high proportion of beech root sprouts at our site, suggesting that the potential for the disturbancemediated mechanism to slow the competitive exclusion of maple might decrease as the importance of vegetative reproduction increases in beech. Prior to the disturbance, sugar maple was more abundant and occurred in a larger proportion of the plots among small size classes, while beech dominated in the larger size classes. Although some increases in the density of both species were detected after the disturbance, the general trends of relative abundance and distribution of the species were not modified significantly. Our results do not indicate that a single canopy disturbance such as the major 1998 ice storm significantly favoured sugar maple over beech. When a disturbance opens the canopy, competition for light in gaps may tend to maintain or reinforce a pre-existing hierarchy instead of reversing it, especially when interspecific differences in postdisturbance growth are small or absent, as in this study. This study shows that the dynamics of sugar maple - beech communities are more complex than previously envisaged and that revised models should incorporate additional factors (e.g. vegetative reproduction) that might also play an important role in regulating community dynamics

Où trouver du sirop d’érable en 2100?

L’identité culturelle d’une société se développe, entre autres, par son attachement au territoire, à sa biodiversité, à ses écosystèmes et aux richesses qu’ils lui procurent. Et parmi les éléments du terroir québécois se trouvent indéniablement en tête de liste le sirop d’érable et les activités traditionnelles associées à la cabane à sucre. La fonte des neiges, le soleil et le sucre s’allient pour célébrer l’arrivée du printemps, notre façon bien originale d’assumer des hivers rigoureux et notre nordicité. Or cette relation avec le territoire et ses écosystèmes forestiers est susceptible de s’effriter avec un déplacement des conditions propices à la production acéricole vers le nord. L’un des plus forts emblèmes culturels du Québec pourrait-il être ébranlé par les changements climatiques? L’industrie de l’érable dépend fondamentalement du climat; il serait illusoire de croire qu’elle demeurera inchangée à la suite d’un réchauffement. Bien que l’aire de répartition de l’érable à sucre (Acer saccharum, Marsh) couvre une large portion de l’Est de l’Amérique du Nord, les périodes d’alternance entre gels et dégels qui permettent l’exploitation de la sève ne sont rencontrées que dans la portion nordique de sa répartition. Une arrivée de plus en plus hâtive du printemps causée par un réchauffement des températures pourrait déplacer la période de production et, ultimement, menacer la production dans certains secteurs. Ainsi, la véritable question n’est donc pas de savoir si l’acériculture sera affectée par les changements climatiques, mais plutôt de savoir comment ils affecteront celle-ci. Répondre à cette dernière question n’est pas aussi simple que de répondre à la première. En effet, il y a beaucoup d’incertitude dans ce que pourrait devenir le nouveau visage de l’industrie acéricole. L’écologie théorique, de concert avec nos connaissances de la biologie de l’érable à sucre, nous permettent de proposer quelques scénarios possibles et d’en anticiper les impacts potentiels sur l’industrie acéricole québécoise

Top predators affect the composition of naive protist communities, but only in their early-successional stage

Introduced top predators have the potential to disrupt community dynamics when prey species are naive to predation. The impact of introduced predators may also vary depending on the stage of community development. Early-succession communities are likely to have small-bodied and fast-growing species, but are not necessarily good at defending against predators. In contrast, late-succession communities are typically composed of larger-bodied species that are more predator resistant relative to small-bodied species. Yet, these aspects are greatly neglected in invasion studies. We therefore tested the effect of top predator presence on early- and late-succession communities that were either naive or non-naive to top predators. We used the aquatic community held within the leaves of Sarracenia purpurea. In North America, communities have experienced the S. purpurea top predator and are therefore non-naive. In Europe, this predator is not present and its niche has not been filled, making these communities top-predator naive. We collected early- and late-succession communities from two non-naive and two naive sites, which are climatically similar. We then conducted a common-garden experiment, with and without the presence of the top predator, in which we recorded changes in community composition, body size spectra, bacterial density, and respiration. We found that the top predator had no statistical effect on global measures of community structure and functioning. However, it significantly altered protist composition, but only in naive, early-succession communities, highlighting that the state of community development is important for understanding the impact of invasion