L'écologie en crise théorique. Samedi-sciences

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Carnets de labo 06 SEPTEMBRE 2014 |  PAR MICHEL DE PRACONTAL

Schéma des interactions dans l'écosystème d'un récif coralllien © NOAAL’écologie a façonné la vision contemporaine de la nature, en nous permettant de comprendre comment les organismes interagissent avec leur environnement. Ses concepts expliquent comment fonctionne un écosystème comme un récif corallien ou une forêt tropicale, ou quels facteurs causent le déclin de la biodiversité ou stimulent une espèce envahissante. Mais à mesure que la discipline se développe et produit des théories de plus en plus complexes, elle explique de moins en moins de phénomènes ! Telle est la surprenante conclusion d’une étude publiée par des chercheurs de l’université McGill de Montréal, publiée dans la revue américaine Frontiers in Ecology and the Environment.En extrapolant leur analyse, Etienne Low-Décarie, Corey Chivers et Monica Granados aboutissent à « l’improbable mais inquiétante prédiction que le pouvoir d’explication de l’écologie sera nul d’ici un siècle », ainsi qu’ils l’écrivent (une présentation de cette étude se trouve dans Science).Comment Low-Décarie et ses collègues sont-ils parvenu à ce résultat paradoxal ? Ils ont analysé un ensemble de plus de 18 000 articles publiés entre 1913 et 2010 dans trois des principaux journaux scientifiques d’écologie (deux britanniques, Journal of Ecology etJournal of Animal Ecology, et un nord-américain, Ecology). Ils ont téléchargé cet ensemble d’articles, et ont utilisé des outils automatiques pour rechercher deux indicateurs, l’un qui mesure le nombre d’hypothèses testées dans un article donné, et l’autre qui évalue la valeur explicative des hypothèses avancées. Comme on pouvait s’y attendre, il est apparu que les chercheurs en écologie testaient de plus en plus d’hypothèses ; mais à leur surprise, Low-Décarie et ses collègues constatent aussi que ces hypothèses permettent de moins en moins d’expliquer ou de prédire les phénomènes étudiés.Etoile de mer bleue dans la Grande barrière de corail © Richard LingFaut-il comprendre que les théories de l’écologie sont dépassées ? Probablement pas, mais la discipline est en train d’évoluer rapidement. Depuis un siècle, le nombre d’articles publiés a augmenté de manière exponentielle, et ces articles contiennent de plus en plus de statistiques décrivant quantitativement les phénomènes étudiés.« Nous avions l’impression que les articles étaient de plus en plus compliqués et comportaient de plus en plus de statistiques, dit Etienne Low-Décarie. Nous avons voulu savoir si cette impression était subjective ou si elle correspondait à une caractéristique générale des publications en écologie. »Low-Décarie et ses collègues ont analysé deux paramètres-clés associés aux statistiques. Le premier s’appelle la « valeur P ». Elle mesure la probabilité qu’un résultat soit lié au hasard. Lorsqu’on teste une hypothèse, plus la valeur P est petite, moins le résultat a de chances d’être dû au hasard, et plus l’hypothèse a de chances d’être significative.Or, Low-Décarie et ses collègues observent que le nombre de valeurs P présentés dans les articles augmente régulièrement : jusque vers 1930, il n’y avait quasiment pas de statistiques et donc pas de valeurs P dans les articles ; au début des années 1980, il y en avait en moyenne 5 par article, et il y en a aujourd’hui une dizaine. Chacune de ces valeurs correspond à un test effectué sur une hypothèse. On teste donc aujourd’hui deux fois plus d’hypothèses que dans les années 1980.Ce n’est pas tout. « Un autre paramètre statistique important est le coefficient de détermination R² , dit Étienne Low-Décarie. Il mesure quelle proportion d’un phénomène on est capable d’expliquer par un facteur donné. Plus ce coefficient est élevé, plus grande est la valeur prédictive ou explicative du facteur considéré. Par exemple, le taux de phosphore dans un lac permet est un bon prédicteur de la quantité de chlorophylle qui s’y trouve – et donc de la quantité d’algues et de phytoplancton qui y poussent. Dans ce cas, le coefficient R²correspondant au phosphore est élevé. »Low-Décarie et ses collègues constatent que la valeur moyenne des coefficients R² publiés dans les articles tend à diminuer : elle était d’environ 0,7en 1980, elle est passée à 0,5 aujourd’hui. Cela signifie que les modèles testés sont moins prédictifs ou expliquent moins bien les phénomènes que par le passé. Les chercheurs s’attendait à l’inverse : les modèles écologiques prennent en compte plus de variables, et devraient par conséquent être plus justes qu’il y a trente ans (voir le graphique ci-dessous).Comment expliquer cette évolution paradoxale ? Il y a sans doute plusieurs raisons, selon Etienne Low-Décarie. Un premier bémol tient aux indicateurs utilisé : le R² ne donne pas toujours une idée juste de la valeur explicative d’un modèle. Mais d’autres éléments interviennent. « Au début de l’essor d’une science, on explique les choses les plus faciles, dit Low-Décarie. Ensuite, quand on entre plus dans le détail, cela devient plus difficile. Newton pouvait réfléchir à la gravité en pensant à la chute d’une pomme. Aujourd’hui, pour tenter de comprendre ce que la théorie de la gravitation n’a pas encore expliqué, il faut construire de grands accélérateurs de particules. En écologie, on a sans doute fini d’expliquer les choses faciles, et il devient donc plus difficile d’élaborer de bons modèles prédictifs. »Le nombre de valeurs P augmente dans les articles d'écologie (rouge) tandis que la valeur des coefficients R2 diminue (bleu) © Monica GranadosCette situation peut être transitoire : on peut imaginer qu’à un moment ou un autre, l’écologie effectue un bond théorique qui permettrait d’expliquer plus profondément les interactions entre les organismes et l’environnement. Mais un tel bond est imprévisible. De plus, à la différence de la physique, où de grandes synthèses ont permis à plusieurs reprises d’unifier de grandes classes de phénomènes, la science écologique apparaît plus variée et fragmentée. La perspective d’une grande unification théorique est donc assez peu probable.Low-Décarie pense qu’un autre élément joue un rôle important dans l’évolution des articles d’écologie : le développement rapide de la discipline entraîne une forte concurrence entre chercheurs et une croissance effrénée du nombre de publications. Le nombre de journaux scientifiques en écologie a augmenté – comme dans d’autres disciplines – et cela peut retentir sur le niveau d’exigence. Et les chercheurs sont incités à publier des études qui n’apportent qu’une amélioration marginale d’un travail déjà publié, plutôt qu’à prendre le risque de lancer des recherches originales. Cela apparaît notamment par le fait que de nombreux articles produisent des valeurs P mais pas de coefficient R², ce qui veut dire que les auteurs de ces articles se contentent de tester des hypothèses sans chercher à produire des explications.Ces différents biais contribuent à produire des publications moins novatrices, ou de moins bonne qualité, et qui apportent donc moins de progrès dans l’explication des phénomènes. Au total, la baisse du pouvoir explicatif des articles d’écologie est-elle due à une crise conceptuelle liée à la difficulté de la matière, ou aux dérives du processus de publication ? « Le plus probable est un mélange de raisons,dit Low-Décarie, pour qui « la situation est très ouverte ».