Qui est Tim Lenton?

Tim Lenton est professeur de science du système Terre et travaille au laboratoire pour la chimie marine et atmosphérique globale, à l’université de East Anglia de Norwich, au Royaume Uni. Ses recherches portent sur toute l’étendue du système Terre à l’échelle du temps, de la formation de la planète il y a 4.6 milliards d’années à aujord’hui, incluant le changement global futur induit par l’homme. Ses outils sont des modèles du système Terre, que lui et son groupe développent. Ils utilisent des modèles avec des hypothèse valables sur les fonctions du système Terre. Lui s’intéresse particulièrement aux rétroactions entre la vie et son environnement et comment le système couplé en résultant a évolué dans le temps.

(Ph.D en 1999, en modélisant les cycles couplés de phosphore, azote, carbone et oxygène pour comprendre ce qui contrôle l’abondance de ces éléments dans l’océan et l’atmosphère).

Il a travaillé avec ou contre tous les grands acteurs de la controverse: Lovelock, Watson, Volk, Kirchner…

Ses arguments

(Gaia and natural selection, in Nature, 1998)

On sait que la Terre s’autorégule à un niveau toléré par la vie.

Question: pourquoi est-ce que les organismes qui ont la descendance la plus importante devraient être ceux qui contribuent à réguler leur environnement planétaire? Comment l’auto régulation a-t-elle pu se mettre en place ?

Il y a des mécanismes de rétroactions, qui proviennent de caractéristiques naturellement sélectionnées d’organismes terrestres.

Il fait un parallèle avec le cheminement que Darwin a du suivre. On ne peut pas encore tout expliqué : on est face à un phénomène complexe, et on a juste un début de théorie pour l’expliquer.

Les organismes altèrent leur environnement, donc il y a une connexion active entre le vivant et le non vivant. Lenton tente de décrire les formes que peuvent prendre cette connexion. La régulation d’autre part peut intervenir aux niveaux global ou individuel. Il faut considérer tous les organismes et leurs environnement.

=> la sélection naturelle fait partie intégrante de la théorie Gaia, et cette dernière de même contribue à la biologie de l’évolution.

Collaboration avec Andrew Watson

(Lenton and Watson, Regulation of nitrate, phosphate and oxygen in the oceans, Global biogeochemical cycle, 2000)

On a remarqué une correspondance entre les concentrations de phosphate et de nitrate dans l’océan profond et le ratio de Redfield pour le phytoplancton à la surface des océans.

Les auteurs ont enrichi les modèles précédents et ont essayé de l’améliorer.

=> La dynamique des nitrates (fixation, dénitrification) peut donc contrôler le comportement du phosphate, et les nitrates peuvent potentiellement être l’ultime nutriment limitant sur des longues périodes géologiques.

=> Quand le nitrate et le phosphate sont couplés, des rétroactions négatives sur l’ensevelissement du phosphate organique (lié au calcium) stabilisent leur concentration.

En ce qui concerne l’impact de l’oxygène :

- Quand l’anoxie supprime l’ensevelissement du phosphate, les rétroactions résultantes sur le phosphate (positive) et l’oxygène (négative) améliorent la régulation au regard des ratios de Redfield.

- Une diminution des entrées du phosphate tend à supprimer l’anoxie des océans, alors que des augmentations d’entrée de phosphate augmenteraient rapidement l’anoxie.

(Lenton and Watson, What regulate the oxygen content in the atmosphere ? Global biogeochemical cycle, 2000)

À partir du constat de la quasi-constance des ratios d’oxygène, les auteurs ont développé un modèle dynamique des cycles couples du phosphate, azote, carbone et oxygène pour l’expliquer. Ces mécanismes passent par l’altération ou la production de carbone organique, principale source d’oxygène atmosphérique.

Les mécanismes de rétroactions dans l’océan, expliqués plus haut, cesse d’opérer quand il y a une augmentation sensible d’oxygène dans l’air (supérieur à 21%). L’anoxie diminue dans les océans, et l’inflammation potentielle augmente sur terre, à l’origine de la suppression de la végétation.

Il faut aussi ajouter que la réduction de la concentration en oxygène entraîne une augmentation de l’ensevelissement de carbone organique.

D’autre part, l’augmentation de la concentration en oxygène de l’atmosphère supprime l’amplification du weathering par les roches, donc il y a plus de CO2 dans l’atmosphère.

Pour synthétiser, l’entrée de phosphate (agissant sur l’anoxie des océans, diminuant la concentration en carbone organique) fournit la régulation la plus effective de tous les mécanismes considérés.

Dans le passé, et notamment grâce au mécanisme de weathering des roches, la taux d’oxygène a toujours pu être régulé entre 19 et 21% de la composition de l’atmosphère, ce qui est l’optimum.

Collaboration avec Van Oijen

(Lenton and Van Oijen, Is Gaia a complex adaptative system ? Royal Society, 2002)

Qui est Marcel Van Oijen?

(PhD :Wageningen, The Netherlands, 1991)

Il travaille sur la modélisation des écosystèmes, au centre pour l’écologie et l’hydrologie de Edimbourg. Ses sujets de recherches: il est membre de “Biosystem Dynamics Section” à Edimbourg. Son domaine d’expertise est process-based modelling” de tous les types de systèmes biologiques. Il a fait des modèles sur les effets des crops, grasslands, coffee-tree agroforestry systems and conifer forests of pests, pathogens, weeds, ozone, climate change and the availability of nitrogen and water. “Pour s’amuser” (dixit him self) il a fait un modèle “cellular automata” du Daisyworld et un modèle 3D root branching.

Publications

Il a fait plusieurs publications concernant la forêt (échange de carbone et d’azote…); les prairies; et enfin des modélisation du fonctionnement de l’environnement ou du climat.

=> Alors que J Lovelock proposa Gaia comme un paradigme pour le couplage entre la vie et son environnement physique sur la Terre, comprenant la biosphère, Lenton et Van Oijen défendent l’idée que Gaia est le le système complexe adaptatif le plus important dans un hièrarchie qui inclut les cellules, les organismes, les populations et les écosystèmes. Ils ont ajouté les variations de l’albédo au modèle original du Daisyworld, et montrent que les variations et la sélections naturelles ont un rôle à travers les rétroactions pour attenuer les instabilités; c’est alors que le comportement adaptatif émerge. Ils ont aussi montré que bien que la biosphère soit loin de l’équilibre et qu’il y a eu des évènements d’extinction de masse dans le passé, le système s’est toujours relevé sans perdre sa capacité de capture de l’énergie libre ou de cyclabiliser les éléments.

Collaboration avec Wilkinson

(Lenton and Wilkinson: Developing the Gaia Theory: a response to the criticisms of Kirchner and Volk, Climatic change, 2003)

Introduction

C’est un article qui est la réponse aux critiques de la théorie Gaïa portés par Kirchner et Volk dans ce même journal en 2002. (Toward a future for Gaia theory)

Les auteurs précisent qu’ils sont d’accord sur un certain nombre de points, mais ils ont l’objectif de clarifier les différences de point de vue et de suggérer comment les résoudre.

Pour cela, ils commencent par donner leur définition de Gaia :

“A particular type of open thermodynamic system, planetary in scale with abundant life tightly coupled to its environment. Planet Earth hosts the only known example, for which the name ‘Gaia’ was introduced. The Gaia theory aims to explain the development and functioning of Gaia systems, and is currently restricted to this one example. Our central point is that the functioning of such systems must be consistent with natural selection occurring within them, but this does not mean that planetary-scale regulation has to be the product of natural selection.”

Sept points sont abordés:

Généraliser à propos de Gaia: qu’est-ce qui constitue un argument raisonnable ?

Volk semble chercher des vérités générales à propos de Gaia. Or ceci revient à raisonner en terme de probabilité, en effet il est très difficile de trouver des vérités universelles à propos d’un système complexe (cf Gaia CAS Lenton Van Oijen)

On peut toujours trouver des exemples pour et contre.

Volk critiquait Kleidon et Lenton : ils donnaient un nombre limités d’exemple pour supporter leurs arguments. Ceci revenait à la critique de la méthode de Francis Bacon par induction (on ne peut pas faire de généralisation tant qu’on a pas de contre exemple).

De même à la critique ‘how can we be sure that Lenton is not giving more weight to evidence that fits his pre-selected conclusions?’ Des efforts d’objectivité ont été fait par Lenton ; et on ne peut pas dire que Volk en ait fait autant dans son papier.

=> C’est donc principalement une question de méthode.

Régulation et la persistance de la vie à long terme

La surface de la Terre est sujet à des changements graduels dans le forçage climatique (luminosité solaire, activité volcanique et tectonique) en même tant que des perturbations rapides. Il y a trois moyens d’expliquer la persistance de la vie.

- la chance pure ; pas de mécanisme de rétroactions

- Gaia chanceuse : des régulation, mais de la chance qu’il y a couplage entre la vie et son environnement

- Gaia probable : il y a quelque chose dans le comportement de la planète avec de la vie abondante qui conduit à s’attendre à des rétroactions régulatrice prédominante (statistique)

(Classement établi par Andrew Watson)

Cet état stable doit être habitable et les dynamiques qui le maintiennent impliquent des rétroactions. Celles-ci tendent à accélérer le retour à l’état stable après une perturbation (augmente l’endurance), réduite le changement dans l’état stable (augmente la résistance) ou augmente la zone dans laquelle un état stable peut se maintenir. La réelle situation est la première ou la deuxième, et on ne doit négliger ni l’un ni l’autre des options comme le fait Volk.

La théorie Gaia et ses bases

- la vie altère son environnement (1)

- les formes de vie grandissent et se reproduisent (2)

- l’environnement contraint la vie (3)

- il y a de la sélection naturelle : n’est pas une condition nécessaire pour la régulation. (4)

1+2 = effet environnemental global

1+3 = rétroactions environnementales

1+2+3 = rétroactions environnementales globales

Si les changements dû à l’environnement affectent la sélection, il y e différentes possibilités :

1+3+4 = rétroaction environnementales sur la sélection

1+2+3+4 = rétroactions environnementales globale sur la sélection

Rétroactions positives et négatives

La croissance et les rétroactions sélectives peuvent être postives ou négatives. Une combinaison des deux n’exclut pas une régulation. => ils se mélangent dans un système complexe.

Il y a une confusion sémantique avec Kirchner. « The association of negative feedback with ‘Gaia’ and positive feedback with ‘non-Gaia’ or ‘anti-Gaia’ is wrong and is not widespread in the literature. »

Selon Kirchner (1989), les rétroactions négatives seraient universelles et écrasantes (”universal or overwhelming negative feedback as a feature of the Gaia system, as if this were a prerequisite for regulation”), appelé « homeostatic Gaia hypothesis ».

Mais l’homéostasie implique parfois des rétroactions positives et négative, comme nous le montre l’exemple Daisyworld. Wilkinson et Lenton ne supportent pas une hypothèse de rétroaction négative et écrasante.

De nombreux systèmes complexes subissent des transitions entre état dans lesquelles il y a rétroactions positives. Ce n’est donc pas pour cela que « homeostatic Gaia hypothesis » est fausse.

D’autre part, les auteurs s’opposent avec Kirchner sur l’interprétation de l’actuel et récent changement global. Il y a une combinaison de rétroactions positives rapide et négative lente. Cette oscillation selon Lovelock indique un système en transition. Considérant le futur réchauffement global, il faut connaître les signes globaux des rétroactions, avant de pouvoir trancher sur un réchauffement.

Laquelle des rétroactions prédomine ? Cela dépend de l’échelle de temps considéré. Gaia existe depuis 3,5 milliards d’années d’histoire. On ne peut rien déduire à partir de l’analyse du seul million dernier d’années.

Rétroactions issues des sous produits de la sélection naturelle

Selon Kirchner, la rétroaction régulatrice vient de la sélection naturelle Darwinienne. En fait, ce n’est pas une obligation pour la régulation.

Kirchner évoque un problème théorique qu’ont beaucoup d’évolutionniste théoricien : sorte de “triche” : la coopération est possible mais serait de la triche en quelque sorte. Cela semble un problème pour Gaia, si le système Gaia est le produit de la sélection naturelle. Mais si Gaia est faite de sous produit, le problème disparaît. Il n’y a pas d’avantage sélectif pour un individu retenant ses sous produits ; et ça lui coûte moins de coopérer.

La plupart des rétroactions importantes sont fondés sur des sous produits de la sélection (il y a de nombreux exemples).

Les rétroactions impliquant la sélection naturelle

Kirchner et Volk sont sceptiques à ce propos. Il ne faut effectivement pas le généraliser, mais dans des cas spécifiques, la présence de sélection naturelle peut favoriser la mise en place d’un caractère permettant une rétroaction.

Exemple : le processus de fixation de l’azote. Quand il y a moins d’azote, les fixeurs ont un avantage sélectif sur les non fixeurs.

Amélioration de l’environnement et Adaptation

En moyenne (et sans que ça soit téléologique), les biotes altèrent l’environnement physique et chimique d’une manière qui leur est favorable.

Pour Kirchner : ce n’est pas parce que l’environnement correspond tout à fait à la vie qu’on peut en déduire que le processus a été cette altération. Il n’est pas évident de savoir si les organismes se développent par leur impact sur l’environnement ou par adaptation aux conditions environnementales.

Le processus dominant doit être apparent quand le système vie/environnement est perturbé.

Avec des rétroactions fortes, il y a des transitions rapides entre les états.

Avec de l’adaptation il y a des changements plus graduels.

Autre critique de Gaia : (Robertson et Robinson 98) la vie peut s’adapter à presque toutes les conditons environnementales. Mais tout ne peut pas être réussi par l’adaptation, car il y a des contraintes fortes.

- Les limites environnementales à la vie fondée sur le carbone. Il devient coûteux de s’adapter dans certaines conditions

- Les compromis entre les performances des organismes dans différentes zones.

- Les contingences historiques : fonctionnement tellement profondément ancré en soi que très difficile de s’adapter.

Conclusion : la contribution de Gaia à la science

“It is often parodied that a scientific theory goes through three phases towards acceptance: first ‘it is obviously wrong’, later there is a begrudging acceptance that ‘there may be something in it’, and finally it is ignored because ‘we have known it all along’. (The whole process typically takes the order of 40 years.)”

“Lovelock’s conception of Gaia and his popularising has been the single most important driver of an ongoing perception shift toward viewing the Earth as a whole system.”

La participation de Lovelock a été obscurcie :

- refus de nommer Gaia par son nom, pas assez scientifique, connotation métaphorique et religieuse

- ignorance de la contribution de Lovelock dans la communauté scientifique, qui est en train de disparaître.

- Des scientifiques travaillent sur des interprétations longtemps rejeté par son concepteur, criticisme souvent mal fondé.

Des aspects de Gaia continue à faire controverse.

“Aspects of the Gaia theory do continue to cause great controversy. This has the benefit that by generating interest and debate it is drawing attention to a new way of viewing and studying the world. Importantly, it causes us to ask different kinds of questions about the Earth. In this capacity as a hypothesis generator, Gaia has more than proved its worth. Lovelock challenges us to go a stage further and develop a theory of the functioning of Gaia systems. We hope that other scientists will be inspired to join in developing it”.

Ses Publications

Il a écrit 103 publications, dont 10 portent le nom de Daisyworld dans le titre, et 13 avec le nom de Gaia. La plupart d’entre elle sont relatives à des modélisation climatiques concernant le CO2 ou d’autres éléments présentant des cycles atmosphériques et océanique.

Hamilton and Gaia

In: Narrow Roads of Gene Land - The Collected Papers of W. D. Hamilton. Volume 3 - Last Words. Ed. M. Ridley., OUP, Oxford, 1995

Gaia and natural selection

in Nature, juillet 1998

Nous avons des preuves que la Terre s’auto régule à un niveau qui est toléré par le vie, mais pourquoi est-ce que les organismes qui ont la descendance la plus important devrait être ceux qui contribue à réguler leur environnement planétaire? La théorie Gaia se penche sur les mécanismes de rétroaction, provenant des traits naturellement sélectionnés des organismes qui peuvent générer de telle auto régulation.

Quand on nous demande d’expliquer comment l’auto régulation planétaire a pu se mettre en place, nous somme un peu dans la meme position que Darwin, à qui on demandait comment les yuex ont pu évoluer.

Nous voyons un phénomène complexe, et avons seulement le début d’une théorie avec laquelle nous devons déchiffre l’énigme. Darwin s’est intéressé à la croissance explonentielle des organismes, les contraintes imposées par eux à leur environnement et la sélection naturelle en résultant. Le fait que les organismes altèrent aussi leur environnement signifie qu’il y a une connexion inévitable rétroactive entre le vivant et le non vivant. tentative de décrire les formes qu’une telle connexion peut prendre. Les principes simples suggèrent que la régulation environnementales peut émerger à des niveau tant individuels que globaux. La sélection naturelle est vu comme faisant partie intégrante de Gaia, et que la théorie Gaia a donc aussi quelque chose à proposer à al biologie évolutionnariste.

Les modèlèes gaien suggèrent que l’on dot considérer la totalité des organismes et leur environnement matériel pour tout à fait comprendre quel trait vont persister et dominer.

Lenton, T.M. and Watson, A.J. Redfield revisited: 1. Regulation of nitrate, phosphate and oxygen in the ocean

Global biogeochemical cycles 2000

Les concentrations de phosphate et de nitrate dans l’océan profond correspondent étroitement au ratio de Redfield dont a besoin le phytoplancton pour croître à la surface des océans.

Bien que cette proportion soit rmarquablement stable, le phytoplancton peut avoir le large variation dans la composition en C:N:P, et leur stratégie “de vie” joue une rôle dans ce ratio.De plus, l’oxygène disponible suite à sa dissolution dans l’eau des océans est en moyenne juste suffisant pour la respiration. Les auteurs revoient de nombreux mécanisme de rétroactions qui avaient été proposés pour expliquer ces remarquables correspondances, et ils ont construit un modèle pour tester son effectivité. L’état du modèle initial est proche des ratios de Redfild, et stable contre des changements brusques de la taille des réservoirs de phosphate et de nitrate. “Nitrate responds to perturbation in 1000-2000 years and phosphate in 40,000-60,000 years.”

Cependant, les estimations récentes et la croissance des entrées et sorties de nitrate et phosphate suggèrent qu’ils répondent plus rapidement aux perturbations (”nitrate in 500-1000 years and phosphate in 10,000-15,000 years”)

La fixation des nitrates tend à maintenir les ratios proches de ceux de Redfield, alors que la dénitrification tend à faire des nitrates l’élément nutritif limitant, et est liée à la dissolution d’oxygène. Quand l’entrée de phosphate augmente dans l’océan, la réponse relative de la fixation de nitrate et de la dénitrification détermine si le taux de nitrate reste proche des ratios de Redfield pour l’oxygène ou l’azote. Si la fixation des nitrates est fortement limitée, l’augmentation des entrées de phosphate dans l’océan peut causer une augmentation du ration de Redfield pour l’azote.

=> La dynamique des nitrates peut donc contrôler le comportement du phosphate, et les nitrates peuvent potentiellement être l’ultime nutriment limitant sur des longues périodes géologiques.

Quand le nitrate et le phosphate sont couplés, des rétroactions négatives sur l’ensevelissement du phosphate organique (lié au calcium) stabilisent leur concentration.

Si l’anoxie (absence d’oxygène) supprime cet ensevelissement, les rétroactions résultantes sur le phosphate (positive) et l’oxygène (négative) améliorent la régulation au regard des ratios de Redfield.

Les auteurs ont utilisé des enregistrements sur les 40 Myr passés: les nitrates sont régulés étroitement avec les ratios de Redfield du phosphate, en dépit de grand changements dans les entrées de phosphate. Si la fixation de nitrate est fortement limitée, alors il y a un intervalle (15Myr) où une rapide augmentation d’entrée de phosphate entraîne une augmentation du phosphate, jusqu’à dépasser les ratios de Redfield du nitrate.

Une diminution des entrées du phosphate entraîne le phosphate et le nitrate rapidement en dessous des ratios de Redfield avec l’oxygène, retirant l’anoxie des océans, alors que des augmentations d’entrée de phosphate augmente rapidement l’anoxie.

Lenton, T.M. and Watson, A.J. Redfield revisited: 2. What regulates the oxygen content of the atmosphere?

Global biogeochemical cycles 2000

Les enregistrements de charbon indiquent que le ratio d’oxygène a très peu varié au cours des 350 Myr passées. Les auteurs ont développé un modèle dynamique de rétroactions des cycles couplés du phosphate, azote, carbone, et O2; et ont utilisé des analyses des perturbations et un cas d’étude il y a 40 Myr pout tester les mécanismes variés de rétroactions, qui ont été proposés pour stabiliser le taux d’O2atmosphérique.

Ces mécanismes impliquent des altérations dans la production de nutriments et l’ensevelissement des flux de carbone organique, qui sont la source principale d’oxygène atmosphérique.

La suppression de l’ensevelissement du phosphore dans des conditions anoxiques au fond des océans tend à augmenter les nutriments océaniques et fournit des rétroactions négatives contre la diminution de l’oxygène.

Cependant, la dénitrification est augmentée par l’anoxie, tendant à réduire des nutriments et à amplifier la diminution d’oxygène. Si le phosphate organique des océans est aussi supprimé en condition anoxique, ceci améliore la régulation, comme le fait une augmentation directe de l’ensevelissement du carbone organique, dû à la réduction de la concentration en oxygène dans les eaux inférieures.

Cependant, tous les mécanismes de rétroactions fondés sur l’océan cessent d’opérer quand il y a augmentation en oxygène, qui diminue l’anoxie des océans. La fréquence de l’inflammation est très sensible à une augmentation de l’oxygène au dessus de 21%, supprimant toute végétation à la sruface de la terre.

Ceci devrait transférer le phosphate des terres à l’océan, causant moins de carbone à ensevelir par unité de phosphate et fournissant une rétroaction négative faible sur l’oxygène.

Cependant, une augmentation en oxygène supprime l’amplification du weathering par les roches, et donc l’entrée de phosphate dans le système Terre fournit la régulation la plus effective de tous les mécanismes considérés.

Les entrées de phosphate disponibles dans l’océan ont du être singulièrement diminuées il y a 40 Myr, supprimant la nouvelle production et l’ensevelissement de c arbone organique (dans le modèle).

Avec uniquement des rétroactions fondées sur les océans, le réservoirs d’oxygène aurait chuté de 26% dans l’atmosphère il y a 40 Myr. Cependant, quand le weathering, dû à la rétroaction des plantes terrestre, est ajouté, l’oxygène est régulé entre 19 et 21% de l’atmosphère, ce qui est l’optimum.

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