Comment les « mathématiques végétales » peuvent aider à prédire l’avenir du climat

TLes premiers modèles climatiques des années 1960 et 1970 présentaient une surface terrestre nue, sans plantes. Dans ces modèles, la pluie tomberait dans des « seaux » mathématiques, puis s’évaporerait à nouveau dans l’air pour simuler le cycle de l’eau.

Depuis lors, les modèles climatiques ont parcouru un long chemin pour représenter les forêts, les prairies et d’autres biomes et la manière dont ils influencent les cycles de l’eau et du carbone de la Terre. Mais on pourrait quand même les qualifier de un peu low-fi. Les modèles climatiques mondiaux d’aujourd’hui ont tendance à n’avoir qu’une dizaine de « types fonctionnels » de plantes, qui se rapprochent de la manière dont différents écosystèmes déplacent la chaleur, l’eau et les nutriments, y compris le carbone.

Et ces simulations de plantes ne reproduisent pas exactement la réactivité de la flore aux changements de son environnement. En effet, lorsque ces modèles ont été construits, ils supposaient un climat stable. Maintenant que les plantes adaptent leur photosynthèse à des températures plus chaudes et à une augmentation du dioxyde de carbone, elles ont besoin de nouvelles mathématiques pour les représenter dans les modèles climatiques. Une équipe de chercheurs a donc créé le projet LEMONTREE, qui construit des équations décrivant les « mathématiques végétales » : comment la végétation optimise ses fonctions, compte tenu d’un ensemble de variables climatiques. (LEMONTREE est l’abréviation de Modèles d’écosystèmes terrestres basés sur une nouvelle théorie, des observations et des expériences.)

La vie végétale sur Terre prospérera-t-elle avec un supplément de CO₂?

L’équipe est composée de chercheurs du monde entier avec le soutien du Schmidt Sciences Virtual Earth System Research Institute (VESRI). Leur expertise s’étend également largement, de l’écologie végétale aux mathématiques en passant par la télédétection. “L’idée est que nous pouvons simplifier les modèles que nous utilisons pour prédire comment les plantes réagissent au climat et comment elles vont réagir dans le futur, ainsi que comment elles influenceront ensuite le climat”, explique Sandy Harrison, chercheuse principale du projet, professeur de paléoclimats et de cycles biogéochimiques à l’Université de Reading en Angleterre.

Même si les modèles climatiques mondiaux sont devenus plus complexes et plus puissants, les processus végétaux restent leur point faible, explique Harrison. Par exemple, dans les rapports du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat sur le changement climatique, un domaine d’incertitude majeur concerne la manière dont la végétation réagira à des températures plus chaudes et à une augmentation du dioxyde de carbone. Dans certains résultats du modèle, les plantes continuent d’absorber du carbone pendant de nombreuses décennies, atténuant ainsi quelque peu les émissions humaines. Dans d’autres modèles, les plantes se fanent par temps chaud, devenant même une source nette de CO₂ d’ici 2050.

Alors que les physiciens ont construit des équations qui décrivent avec élégance l’atmosphère, l’océan et les reliefs physiques, la vie terrestre et en particulier les plantes représentent un défi unique. Contrairement aux forces physiques, les plantes s’adaptent et évoluent. Les espèces ajustent leur stratégie de croissance pour utiliser intelligemment l’eau, la lumière du soleil et les nutriments. C’est pourquoi la quantité de carbone absorbée par les plantes chaque année varie : elle représente en moyenne environ un tiers de tout le CO₂ émises, il existe des différences marquées d’une année à l’autre dans la mesure où les plantes réagissent à l’environnement.

Cependant, les modèles climatiques incluent généralement des paramètres rigides pour les fonctions des plantes. Par exemple, ils pourraient prescrire qu’un pin photosynthèse toujours plus efficacement à 77 degrés Fahrenheit. Mais ces valeurs ne montrent pas dans quelle mesure les plantes peuvent adapter leurs fonctions. « Elles ne changent pas au cours du cycle saisonnier ou des sécheresses », explique Harrison à propos des plantes hypothétiques dans les modèles climatiques. “Cela signifie que les plantes sont moins sensibles à ces événements climatiques qu’elles ne devraient l’être.”

Par exemple, une étude réalisée l’année dernière a révélé que de nombreux modèles climatiques actuels sous-estiment la sensibilité des plantes à la sécheresse. Les chercheurs ont utilisé des données satellitaires pour étudier la réaction du couvert forestier pendant les périodes sèches et ont comparé cette réponse aux modèles climatiques existants. Les chercheurs ont découvert que la végétation réduisait la photosynthèse pendant les sécheresses plus fortement que ne le prédisaient les modèles.

De petites erreurs de calcul comme celle-ci peuvent s’additionner, conduisant à de fausses représentations sur l’absorption du carbone, l’évaporation de l’eau, etc. “Souvent, ces modèles ont été développés à l’aide de données alors qu’il faisait beau et ensoleillé”, explique l’auteur principal Julia Green, professeur de sciences de l’environnement à l’Université de l’Arizona, qui ne fait pas actuellement partie de l’équipe LEMONTREE mais dont les recherches ont déjà été financées par le projet. « Dans des conditions extrêmes, ils finissent par ne pas être aussi performants. »

L’équipe LEMONTREE souhaite résoudre ce problème en reconstruisant des modèles de plantes à partir de zéro. En particulier, ils sont guidés par une théorie appelée « optimalité éco-évolutive ».

“C’est l’idée selon laquelle, grâce à l’évolution et aux processus écologiques, les plantes poussent là où elles sont les mieux adaptées”, a déclaré Harrison. Pour créer de nouveaux modèles basés sur cette théorie, « nous devons simplement rechercher les compromis que fait une plante ».

La photosynthèse est un domaine dans lequel les plantes font ces compromis. Les plantes doivent ouvrir leurs stomates pour absorber le dioxyde de carbone nécessaire à la fabrication du sucre, mais laisser les pores des feuilles ouverts trop longtemps par temps sec peut flétrir la végétation. Si les plantes prennent le risque et laissent leurs stomates ouvertes trop longtemps, elles se dessècheront et mourront. Mais une végétation trop conservatrice sera supplantée par des plantes qui absorbent plus de carbone et poussent plus vite. Au fil du temps, les organismes qui trouvent l’équilibre parfait l’emporteront.

Pour l’instant, les plantes augmentent légèrement leur capacité à capter le carbone.

En gardant cet équilibre à l’esprit, les chercheurs ont développé une équation qui traduit le compromis entre la conductance stomatique et la photosynthèse. Ils ont rédigé cette équation à l’aide de données de télédétection indiquant la verdure de la canopée. Ensuite, ils ont testé l’équation en utilisant CO₂ mesures prises sur le terrain. Grâce à des comparaisons avec les données du site, ils ont pu tester si le modèle pouvait prédire correctement la capacité photosynthétique.

Après quelques ajustements basés sur des comparaisons avec les observations, les chercheurs affirment que cette équation unique pour la photosynthèse fait le travail de plusieurs équations plus compliquées dans les modèles de surface terrestre. “Nous obtenons un modèle dont nous pouvons démontrer qu’il est nettement plus précis que les modèles conventionnels, et pourtant il est beaucoup plus simple”, explique Colin Prentice, chercheur principal de LEMONTREE et professeur à l’Imperial College de Londres.

L’équipe travaille également sur d’autres équations mathématiques liées aux plantes, telles que celles qui déterminent la surface des feuilles et le taux de respiration des plantes dans différents environnements. Au lieu de s’appuyer sur des paramètres végétaux prédéfinis, les équations établissent les meilleurs « calculs végétaux » pour un emplacement donné, montrant comment les plantes optimisent leurs stratégies de croissance en fonction du climat. Cela permet aux modélisateurs climatiques d’avoir des projections plus flexibles – et donc, espérons-le, plus précises, explique Pier Luigi Vidale, climatologue à l’Université de Reading qui fait partie de l’équipe LEMONTREE. “Nous aimerions supprimer tous ces paramètres qui décrivent le rôle de la végétation et essayer de calculer ces choses de manière dynamique.”

Une représentation mathématique améliorée des plantes dans les modèles climatiques peut aider à répondre aux questions de longue date des écologistes. Important : la vie végétale sur Terre prospérera-t-elle avec un supplément de CO ?₂ou des conditions plus sèches entraîneront-elles le dessèchement de la végétation ? Avec plus de CO₂ dans l’air, les plantes peuvent produire la même quantité de nourriture tout en gardant leurs stomates ouverts pendant une période plus courte, un effet connu sous le nom de CO₂ fertilisation. Mais cet avantage ne s’étend que dans la mesure où les plantes peuvent disposer de suffisamment d’humidité et de nutriments. Grâce à des modèles de végétation améliorés, « nous sommes en mesure d’observer ce qui va se passer lorsque nous aurons à la fois un réchauffement et une augmentation du CO2 ».₂“, dit Harrison.

Elle dit que les nouveaux modèles suggèrent que l’effet de l’augmentation récente du dioxyde de carbone atmosphérique est une fertilisation : la végétation mondiale dans son ensemble devient plus verte, ce qui signifie que, pour l’instant, les plantes augmentent légèrement leur capacité à capter le carbone (mais pas suffisamment pour compenser les émissions humaines toujours croissantes).

Mais des conditions extrêmes peuvent modifier cet équilibre, ce que les chercheurs de LEMONTREE espèrent que leurs modèles permettront de mieux prédire. Si une sécheresse amène les plantes à fermer leurs stomates, elles ne rejetteront pas autant d’eau dans l’atmosphère, ce qui réduira l’humidité s’acheminant vers les nuages ​​et les précipitations, ce qui pourrait conduire à des conditions encore plus sèches. Pour prédire des effets de rétroaction aussi spectaculaires que celui-ci, les chercheurs doivent saisir la relation entre les niveaux d’humidité et la conductance de l’eau dans les plantes. “Si nous parvenons à prédire correctement la végétation, nous obtiendrons de meilleures prévisions sur ce à quoi pourrait ressembler le climat”, a déclaré Harrison.

Une fois les équations finalisées, la prochaine étape consistera à voir comment elles résistent aux modèles climatiques plus vastes. Les chercheurs peuvent alors voir comment les résultats fonctionnent par rapport aux modèles précédents d’écosystèmes terrestres. Une fois le projet LEMONTREE terminé en juin 2027, les scientifiques de CONCERTO (qui signifie (amélioration de la représentation du cycle du carbone grâce à des modèles multi-échelles et à l’observation de la Terre pour les écosystèmes terrestres), un effort de modélisation climatique financé par l’Union européenne, collaboreront avec l’équipe sur les prochaines étapes visant à voir comment l’atmosphère et la surface terrestre interagissent dans des simulations incluant les nouvelles mathématiques végétales.

“C’est un moyen très utile de structurer votre modèle”, explique Anna Harper, professeur de géographie et de sciences atmosphériques à l’Université de Géorgie, à propos de l’approche d’optimalité éco-évolutive de l’équipe. D’autant plus que les modèles sont encore relativement incertains sur les processus terrestres, toute amélioration est la bienvenue, ajoute Harper, qui n’est pas impliqué dans le projet LEMONTREE. « Tout ce qui peut nous aider à mieux représenter le cycle du carbone suscite beaucoup d’enthousiasme. »

Cela dit, redémarrer les modèles avec un nouvel ensemble d’équations pour les plantes n’est pas simple. Les modèles climatiques d’aujourd’hui sont le résultat d’années et d’années de réglage, au cours desquelles les scientifiques ajustent les variables lorsque les résultats du modèle ne correspondent pas aux données d’observation. Après réglage, les simulations pourraient donner la bonne réponse, mais pour de mauvaises raisons. Ainsi, même si les calculs de la nouvelle usine sont plus précis, ils pourraient perturber d’autres calculs du modèle. « Cela prendra simplement du temps, car même si les gens conviennent que des améliorations ont été apportées, il faut quand même vérifier que cela n’aura pas de conséquences inattendues », explique Harper.

Même si les changements peuvent être compliqués, l’équipe pense que cela en vaudra la peine à long terme. Les modèles climatiques ont été développés il y a des décennies et ont besoin d’être actualisés, explique Vidale. « Il faut encore vraiment développer des modèles et prendre de gros risques, comme nous le faisons ici », dit-il. “En fin de compte, même si c’est un énorme échec, cela valait quand même la peine de le faire. Mais jusqu’à présent, tout indique que cela fonctionne.”

Image principale : George Trumpeter / Shutterstock

• Oula Chrobak

  Publié le 27 octobre 2025

  Ula Chrobak est une rédactrice scientifique indépendante basée au Nevada. Vous pouvez en savoir plus sur son travail sur ulachrobak.com.