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Chaotic turnover of rare and abundant species in a strongly interacting model community. Alternance chaotique d'espèces rares et abondances dans un modèle de communauté avec interactions fortes
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Edité par CCSD ; National Academy of Sciences -
International audience. The composition of ecological communities varies not only between different locations but also in time. Understanding the fundamental processes that drive species toward rarity or abundance is crucial to assessing ecosystem resilience and adaptation to changing environmental conditions. In plankton communities in particular, large temporal fluctuations in species abundances have been associated with chaotic dynamics. On the other hand, microbial diversity is overwhelmingly sustained by a “rare biosphere” of species with very low abundances. We consider here the possibility that interactions within a species-rich community can relate both phenomena. We use a Lotka–Volterra model with weak immigration and strong, disordered, and mostly competitive interactions between hundreds of species to bridge single-species temporal fluctuations and abundance distribution patterns. We highlight a generic chaotic regime where a few species at a time achieve dominance but are continuously overturned by the invasion of formerly rare species. We derive a focal-species model that captures the intermittent boom-and-bust dynamics that every species undergoes. Although species cannot be treated as effectively uncorrelated in their abundances, the community’s effect on a focal species can nonetheless be described by a time-correlated noise characterized by a few effective parameters that can be estimated from time series. The model predicts a nonunitary exponent of the power-law abundance decay, which varies weakly with ecological parameters, consistent with observation in marine protist communities. The chaotic turnover regime is thus poised to capture relevant ecological features of species-rich microbial communities. . La composition des communautés écologiques varie non seulement d'un endroit à l'autre, mais aussi dans le temps. Il est essentiel de comprendre les processus fondamentaux qui poussent les espèces vers la rareté ou l'abondance pour évaluer la résilience des écosystèmes et l'adaptation à des conditions environnementales changeantes. Dans les communautés de plancton en particulier, d'importantes fluctuations temporelles dans l'abondance des espèces ont été associées à une dynamique chaotique. D'autre part, la diversité microbienne est essentiellement soutenue par une « biosphère rare » d'espèces très peu abondantes. Nous envisageons ici la possibilité que les interactions au sein d'une communauté riche en espèces puissent relier les deux phénomènes. Nous utilisons un modèle de Lotka-Volterra avec une faible immigration et des interactions fortes, désordonnées et principalement compétitives entre des centaines d'espèces pour faire le lien entre les fluctuations temporelles d'une seule espèce et les modèles de distribution de l'abondance. Nous mettons en évidence un régime chaotique générique dans lequel quelques espèces à la fois parviennent à dominer, mais sont continuellement renversées par l'invasion d'espèces anciennement rares. Nous dérivons un modèle d'espèce focale qui capture la dynamique intermittente d'expansion et de contraction que subit chaque espèce. Bien que les espèces ne puissent pas être traitées comme étant effectivement non corrélées dans leurs abondances, l'effet de la communauté sur une espèce focale peut néanmoins être décrit par un bruit corrélé dans le temps caractérisé par quelques paramètres efficaces qui peuvent être estimés à partir de séries temporelles. Le modèle prédit une décroissance de l'abondance en loi de puissance avec un exposant non unitaire, et qui varie faiblement avec les paramètres écologiques, ce qui correspond aux observations faites dans les communautés de protistes marins. Le régime de renouvellement chaotique est donc en mesure de capturer des propriétés écologiques pertinentes des communautés microbiennes riches en espèces.
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