Modéliser : pourquoi, quoi, quelles échelles, comment
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LISER pourquoi, quoi, quelles échelles, comment ? par les interactions plantes – climat - ne Michaël Chelle UMR1091 Environnement et grandes cultures (INRA, AgroParisTech) [email protected] Forum des labos 15 novembre 2012 Forum des labos Centre de Versailles-Grignon 15 novembre 2012 ALIMENTATION AGRICULTURE ENVIRONNEMENT MODELe Représentation idéaLISER MODE(le idéa)LISER MODELISER ! Un modèle est une représentation simplifiée, une abstraction de la réalité pour ‘mesurer’ ! ‘mesurer’ (Chelle, 2005 ; Chelle et al., 2010 ; Saudreau et al., 2007) Un modèle est une représentation simplifiée, une abstraction de la réalité pour ‘mesurer’ comprendre disséquer (hypothèses) prédire synthétiser (intégration) transmettre C’est quoi ? variables d’entrée x1 x2 x3 . . . xn rétroaction paramètres p1 p2 … pl modèle Y1 . . . ym cognitif – mathématique – informatique statistique (corrélation) – mécaniste boîte noire –spécialisé versus générique combinaison de sous-modèles (modules) variables de sorties C’est quoi ? expériment° Cycle de modélisation Modélisation erreurs de conception Modèle formel Implémentation réalité Modèle-outil EXPÉRIMENTATIONS valeurs gammes validation Analyse des résultats Simulation pas de sensibilité Plan d’expérience (J.C. Soulié, HDR, 2012) Quel objet ? Tous les objets - voir les exposés suivants (Klipp et al., 2007) Importance de l’objectif, de la méthode, des échelles retenues Quelles échelles ? Dynamique des ravageurs INTERACTIONS observer ? Quelle échelle est pertinente pour comprendre ? prédire ? Quelles échelles ? Interactions… Quelles échelles ? Comprendre les interactions organisme-environnement ? environnement individu population Couvert, plante ou organe : quelle échelle pertinente d’étude ? Quelles échelles ? Pour étudier les échanges au sein du couvert végétal Du point de vue de la plante Topologie Couvert -> plante -> organes interagissants Du point de vue de l’environnement Proximité spatiale Couvert -> voxel -> organes proches Quelles échelles ? Théorie de la hiérarchie • Les niveaux inférieurs fournissent des explications mécanistes : pourquoi ? • Les niveaux plus élevés procurent les contraintes : et alors ? • 3 niveaux minimum : Contraintes (significativité) Niveau d’attention (niveau (from Dr. Thomas M. Gehring, d’intérêt) Composants (explication) Quelles échelles ? Cohérence Hôte zone climatique paysage couvert organe Contraintes Niveau d’attention Composants Quelles échelles ? Approches à l’échelle du couvert végétal • Approche corrélative : relier maladies et variables climatiques (température de l’air, humidité) Efficacité Problème de robustesse – extrapolation (Chgt Clim.) Faible sensibilité e.g. architecture du couvert végétal • Approche mécaniste : intégrer les interactions pathogènes/organes/phylloclimat au couvert végétal Du mésoclimat au phylloclimat… Concept écologique de norme de réaction Intégration: faire face à la complexité bonne sensibilité e.g. architecture du couvert Quelles échelles ? Quelle échelle climatique ? Le climat perçu au niveau des organes malades diffère du climat moyen de la masse d’air Leaf temperature vs Air temperature (weather-station) 32 30 Wheat, Grignon, 2010 Leaf temperature 28 Air temperature (weather station) 26 Temperature <°C> 24 22 20 18 16 14 12 10 Example of sunny day 8 0 2 4 6 8 10 12 Hour 14 16 18 20 22 24 Thèse de Frédéric Bernard – 10/12/1012 - Paris Quelles Interactions pathogènes/organes/phylloclimat échelles ? Etablir la réponse de l’interaction pathogène/plante aux variables de l’environnement Concept écologique de norme de réaction : Utile pour analyser plasticité & adaptation Environmental variable e.g. temperature Environmental variable e.g. temperature (F. Bernard, thèse, 2012) Quelles échelles ? Intégrer les normes de réaction Effet de la température sur le développement de la mineuse du pommier, Phyllonorycter blancardella (Pincebourde et al., 2007, IRBI ) Quelles échelles ? Aller vers le plus petit => mécaniste / généricité ? Beaujard et al, 2000 Drouet, 2003 España et al, 1999 España et al, 1999 Mais complexité => insoluble, incomplétude…. Simuler ? Modélisation Modèle formel Implémentation Modèle-outil Analyse des résultats Simulation Plan d’expérience (JC. Soulié, HDR, 2012) Simuler? Régulation du tallage du blé par le R:FR Hypothétiques lois de réponse locales Modèle de radiosité mixte couplé à ADEL-wheat (Evers et al., 2007) Simuler ? Sensibilité One at a time! Allaire D. and Willcox K. 2012. Reliability Engineering and System Safety 107: 107. http://reseau-mexico.fr/ - Méthodes pour l’exploration informatique des modèles complexes Comment ? Approche artisanale qualité Approche industrielle efficacité e.g. séquençage des génomes Comment ? Exemple des modèles FSPM Function-Structure Plant Model : plus de 10 ans de recul Accumulation d’expertise dans la construction des modèles-clés du développement de la plante (lumière, photosynthèse, absorptions racinaire, ramification, transpiration, ...) Trop de temps et d'efforts pour modéliser du fait du mode « artisanal » Partir de pratiquement rien pour développer un FSPM dédié à une question donnée Plus de temps consacré aux questions informatiques qu’aux questions de biologie végétale Difficultés pour transmettre les savoirs-faire Trop peu de réutilisation et de partage hypothèses cachées, approches et langages spécifiques, codes sources et docs indisponibles Des questions ouvertes complexes: • Comment et jusqu’où peut on “modulariser” la description d’une plante ? • Comment simplifier un modèle de plante par le multiéchelle (temps, espace, fonction) • Quel est le niveau de dépendance d’un module à un modèle de plante donnée? Accélérer les processus de modélisation / science et innovation Augmenter le partage et la réutilisation Besoin de formalismes pour pouvoir faire cela ! Comment ? Nature Biotechnology (2007) 25: 390 Simulation Experiment Description Markup Language ONTOLOGIE Comment? Plateformes de modélisation collaborative Exemple pour la modélisation des plantes d’OpenAlea (INRIA-INRA) Assemblage de composants-modules Pradal & Godin, 2007 => Favoriser leur usage: masse critique, ergonomie, cohérence, benchmarking Comment ? Développer l’AQR en modélisation/simulation ! Comment ? Développer l’interdisciplinarité ! maths biologie physique informatique Oui, mais à quel grain ? “Honnête homme du XVIIe siècle” IMV , Saclay ? Conclusion Bernard Chazelle Chaire Informatique et sciences numériques Collège de France, Paris Les algorithmes forment le langage naturel de la science du monde vivant, le seul capable de rendre compte de sa complexite descriptive. Les algorithmes restent bien sûr la simulation rique mais ils constituent aussi un puissant outil analytique… Le grand fi est que biologistes, physiciens et informaticiens travaillent ensemble pour bâtir la fois ducatifs et culturels. L’algorithmique est le fondement des sciences du XXIè cle M E R C I
