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Introduction aux concepts de la théorie DEB (Dynamic Energy Budget) ; Applications pour l’étude des cycles de vie de poissons Laure PECQUERIE IRD / LEMAR – Brest [email protected] NOTA: de (très) nombreuses diapos sont tirées du cours d’introduction à la théorie DEB de Y. Thomas aux Master 1 du Pôle Halieutique d’Agrocampus Ouest (2012)

NOTA: de (très) nombreuses diapos sont tirées du cours d’introduction …halieutique.agrocampus-ouest.fr/afh/forum11/Presentatio… ·  · 2014-02-17Introduction aux concepts

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  • Introductionauxconceptsdelathorie DEB(Dynamic Energy Budget);Applicationspourltudedes cyclesdeviedepoissons

    LaurePECQUERIEIRD/LEMAR [email protected]

    NOTA: de (trs) nombreuses diapos sont tires du cours dintroduction la thorie DEB de Y. Thomas aux Master 1 du Ple Halieutique dAgrocampus Ouest (2012)

    mailto:[email protected]

  • PLANDELEXPOS

    1. ConceptsdelathorieDEB

    2. LemodleDEBstandard(+codeR)

    3. Lotolithe=unexemplede DEBproduct

    4. Pourallerplusloin

  • Unpeudhistoire

    BasKooijman,en1979 Deuxquestions:

    Commentpeutonquantifierleffetdecomposantstoxiquessurlareproductiondesdaphnies?

    Quelestleffetdunerductionfaibledelareproductiondunindividusurladynamiquedelapopulation?

  • Observations:Croissanceasymptotique

  • Hypothses

    Ptter (1920):lacroissanceestlersultatdunediffrenceentreprocessusdesynthse(anabolisme)etdedgradation(catabolisme)croissance=surface volumeet

    Kleiber (1932):tauxmtaboliquessontproportionnelsW3/4

    von Bertalanffy (1938)db cWaW

    dtdW

    =1

    43,

    32

    =

    c

    b

    WV

  • Equationdevon Bertalanffy

    K.L.von Bertalanffy (19011972)

    L : longueur asymptotiquek : taux de croissance de VBL0 : longueur t0

  • Equationdevon Bertalanffy

    Croissance=Anabolisme catabolisme

    f(surface) f(volume)

    EquationdiffrentielledeVBenmasse

  • Modlesstatiques,ScopeforGrowth

    Modlesbionergtiques

    ModlesdynamiquesdeproductionnetteetmodlesDEB

    )( RFEGCdt

    dW+++=

    C consommationG reproductionE excrtionF faecesR respiration

  • Diffusiondelathorie

  • 1.LESCONCEPTSDELATHORIEDEB

  • ObjectifsdelathorieDEB

    Dcrirelacquisition dnergieetutilisation decettenergieparunorganismeaucoursdesoncycledevie pourralisersesdiffrentesfonctionsbiologiques(croissance,reproduction)demaniremcaniste etenfonctiondelenvironnement.

    Comprendrelespointscommunsentrelesespces dunpointdevuebionergtique,enlienaveclvolution

    UnmodleDEB=unensembledhypothsesprincipales(modlestandard)+hypothsessecondaires(spcifiquesdelapplication)

    Bactries,champignons,plantesetanimaux

  • Transfertsdchelles

    Individu

    Population

    EcosystmeEspace

    Temps

    Climat

    Anthropisation

    Cellule

    Toxiques

  • Consommationdoxygne Empirique R=aLbKleiber (1932)b=2.25

    Thorique R=cL2 +dL3(Kooijman,2000)

    Dmarchedemodlisation

    a = 0.0516 ; b = 2.4367

    c = 0.0336 ; d = 0.0185

    Daphnia pulexdaprs Kooijman (2000)

  • WhyDynamicEnergyBudget(DEB)theory?

    Simplestfulllifecyclemodel:singlesetofequationsandparameterstodescribeindividualgrowth,development andreproductioninadynamicenvironment

    Bodysizescalingrelationships todescribewhichphysiologicalparametersdifferamongrelatedspecies

    Integrationofmultiplestressors(e.g.ageandsizeateverystagetransitionwilldependontemperature,foodconditions,pollutants,parasites,encounteredbytheindividual)

    (Kooijman2010)

  • Cycledeviedunindividu

    Modlestandard=3stades

    Embryon,quinesenourritpasetnesereproduitpas

    Juvnile:quisenourritmaisnesereproduitpas

    Adulte:quisenourritetsereproduit(1)

    (2)

    (3)

  • maturity

    1-maturity

    maintenance

    development

    food faecesassimilation

    reserve

    structure

    somaticmaintenance

    growth

    LifeeventsinastandardDEBmodel

    reproductionbuffer

    reproduction

  • Modelsimulations

    INPUTS DEB MODEL

    Food density

    Temperature

    Flow

    Weight

    Fecundity / egg size

    OUTPUTS

    Length

  • Schmaconceptuel

    Modle

    Equations Variables dtatParamtres

    Variables secondaires

    (longueur, masse)

    Environnement

    Donnes de calibration / validation

    Organisme

    Variablesforantes

  • Bodysizescalingrelationships basedonlengthatspawning

    (Lsp =87cm)

    (Lsp =68cm)

    (Lsp =64cm)

    (Lsp =53cm)

    (Lsp =55cm)

    Pink

    Sockeye

    Coho

    Chum

    Chinookz=1

    z=68/87=0.78

    z=64/87=0.74

    z=53/87=0.6

    z=55/87=0.63

    (Quinn, 2005)

    Some parameters vary:

    Assimilation Development thresholds

    Other parameters stay constant

  • (FromBeachamandMurray,1993)

    Step1:Reproductionweightfollowspredictionsfrombodysizescalingrelationships

    DataAnalysis

  • (Pecquerie etal.2011)

    Step1:Reproductionweightfollowspredictionsfrombodysizescalingrelationships

    SimulationsData(FromBeachamandMurray,1993)

  • Step1:Lengthatemergenceasafunctionofeggweightisalsowellreproduced

    (Pecquerie etal.2011)

    SimulationsData(FromBeachamandMurray,1990)

  • Step2:Variationamongindividuals(Chinook)

    5C

    7.5C

    10C

    High food

    Average food

    Low food

  • 5C

    7.5C

    10C

    High food

    Average food

    Low food

    Step2:Variationamongindividuals(Chinook)

  • Step2:Qualitatively,themodelcapturesvariationsinlifehistorytraitsamongindividuals(Chinook)

  • 2.LEMODELEDEBSTANDARD

  • Notations

    { } : Surface dpendant (.cm-2)

    [ ] : Volume spcifique (.cm-3)

    : Taux (j-1)

    CodificationDEB:

    Exemples :&pAm{ }

    max. journalier d 'assimilation surface spcifique (J . j1. cm2 )Em[ ]

    Densit max. de l 'nergie rserve (J . cm3)

  • Volumestructurel

    Lalongueur(L,cm),ou volumestructurel(V,cm3) pluttquelge.AvecV = (L)3

    Kooijman(2000)

    2individusdunemmecohorteUnpincentenaire

  • Larserve

    Unorganismeragitlentementauxvariationdumilieu,ilfautun filtre

    Eestprsentdans(1)lesorganesdestockageet(2)danschaquecellule(vacuole,lysosome)

    E=protine,glucide,lipide,ARN

    W = d.V + E.E

    d = densit de la structureE = contenu nergtique

    des rserves

    L

    W1V E1

    L

    W2V E2

  • Ladensitderserve

    [E] = E / V

    [E] 0 [Em]

    [Em] : capacit maximale de stockage dun organisme (J.cm-3)

    En conditions constantes, la densit de rserve dun organisme reste constant: hypothse fondamentale de la thorie = contrle la dynamique des rserves

    .V

    EEE

    V V

  • Equationsdumodle

    3quationsdiffrentielles

    0 else, if ,)1(

    0 else, if ,)1(

    ]/[)(

    ==

    =

  • Effetdelatemprature

    Daphnia magna(daprs Kooijman, 2010)

    Toutfluxphysiologiquedpenddelatemprature (drivedela loidArrhnius,1889,quidcritlavitesseduneractionchimiqueenfonctiondelatemprature)

    &k(T ) = &k(T1 ).expTAT1

    TAT

    TA :Temprature d ' Arrhnius (K ) = f (espce)T1 :Temprature de rfrence (K )

    Danslagammedetolrance ona:

  • Effetdelatemprature

    Audeldelagammedetolrance :

    Limiteinfrieure:entreenphasedequiescence

    Limitesuprieure:dgradationdesprotines

    &k(T ) = &k(T1 ).expTAT1

    TAT

    1+ exp TAL

    T TAL

    TL

    + exp TAH

    TH TAH

    T

    1

    Escherichia coli(daprs Kooijman, 2010)

    TA

    TAHTAL

  • Assimilation

    Lingestionsuituneloidesaturation Letauxdingestiondpend:

    delasurface delindividu

    delatemprature

    deladensitennourriture

    Unefraction decequiestingrseraassimil

    XXk

    MichaelisMenten

    +

    =KXX

    Xf

    E

    X FpX

    pA

    &pX{ }

    &pXm{ }

    0.5 &pXm{ } = rponse fonctionnelle

  • Assimilation

    Lingestionsuituneloidesaturation Letauxdingestiondpend:

    delasurface delindividu

    delatemprature

    deladensitennourriture

    Unefraction decequiestingrseraassimil(fonctiondutypedenourriture)

    &pA =V2/3 f &pXm{ } X &k(T )

    V : volume structurel (cm3)f : rponse fonctionnelle (01)&pXm{ } : max. d 'ingestion (J.cm2. j1)

    X : efficacit d 'assimilation (%)

    XK : coefficient de demie saturation

    E

    X FpX

    pA

  • Utilisationdesrserves

    E

    pA

    pcdEdt

    = &pA &pCE

    &pA

    &pC = f ( E[ ],V )

    Em

    &pC =EG[ ]V 1/3 &pAm{ }

    Em[ ]+ &pM[ ]

    EG[ ]E

    + V

    1

    Cot de construction dune unit de V (J.cm-3)

    Max. de rserve par unit de V (J.cm-3)

    Cot de maintenance dune unit de V (J.cm-3)

  • Allocationdelnergie

    V ER

    pc

    pMpG pR

    pJPC (1 - ) PC

    ruleUne fraction constante de

    lnergie de rserve est alloue la croissance et maintenance somatique, le reste tant allou la maturit/reproduction

    Sous certaines conditions, peut varier :entre les sexes (dimorphisme sexuel);en fonction de la photopriode (e.g. vgtaux);dans les conditions de jeun extrme (remobilisation de la structure);en cas dinfection et de pollution (perturbation endocrinienne).

  • Maintenancesomatique

    Lamaintenancesomatiquedpend:

    Duvolume structurel Delatemprature

    Prioritaire surlacroissance!

    &pM =V &pM[ ] &k(T )

    V

    pMpG

    PCLa maintenance somatique permet le maintient en vie :Maintien des gradients cellulaires de concentration

    Turnover des protines et des enzymes

    Tension moyenne des muscles

    Mouvements minimaux

    Production de phanres (poil, plume, caille, coquille), demucus et de mue

    Osmorgulation

    &pM[ ] : taux de maintenancepar unit de V (J . cm3. j1)

  • Croissance

    [ ]GG

    MCG

    Ep

    dtdV

    ppp&

    &&&

    =

    = V

    pMpG

    PC

    EG[ ] : nergie alloue la construction d 'une unit de V (J . cm31)

    Cecot,[EG] revtuncaractreuniversel : acell is acell ;du mmeordredegrandeur pourleseucaryotes:(100010000J.cm3)

    Lnergieallouelacroissancesomatiqueest:

  • Dveloppement/maturit

    Dveloppement etacquisitiondelamaturit :

    DveloppementdusystmeimmunitaireMiseenplacedusystmedergulationhormonaleDveloppementdescaractressexuelsprimairesetsecondairesMtamorphose

    /...

    EH

    pR

    pJ(1 - ) PC

    HJJ Ekp && =

    Max la pubert , i.e. EH = EHp

  • Reproduction

    ER

    pR

    pJ(1 - ) PC

    &pR = (1 ) &pC &pJ

    Lnergieallouelareproduction est:

    Lagestiondelnergieallouelaproductionpuislmissiondesgamtesestextrmementvariable danslergneanimal:

    DesespcessereproduisentdslorsqueER estsuffisantpourproduireunuf;

    Dautresattendrontquunecertainequantitdnergiesoitdisponible;

    LebufferER peutnepastrevidtotalementaprslareproduction(pontepartielle);

    Gamtes

    La synthse des gamtes se fera partir de lnergie stocke pour la reproduction, avec une certaine efficacit (R).

  • Enrsum

    Pour le modle standard :

    3 stades de vie

    4 variables dtat2 variables forantes

    3 quations diffrentielles

    10aine de paramtres primaires

  • 3.Lotolithe=unexemplede DEBproduct

  • Fishotoliths=biocalcifiedstructures

    Environment

    Fish metabolism (growth + maintenance)

  • Biocarbonate=metabolicproduct

  • Biocarbonate=metabolicproduct

    Assumption: biocarbonate formation coupled to growth + maintenance fluxes

  • Biocarbonate =metabolicproduct

    Assumption: biocarbonate formation coupled to growth + maintenance fluxes

    OG D

    dV p pdt

    = +& &

    G

    G D

    pOp p

    =

    +&

    & &

  • Biocarbonate =metabolicproduct

    Assumption: biocarbonate formation coupled to growth + maintenance fluxes

    OG D

    dV p pdt

    = +& &

    G

    G D

    pOp p

    =

    +&

    & &

    Simulation for a constant environment

  • Otolith modeling : individual history

    Environment

    Data

    Simulation

    Otolith growth and opacity

    LengthDEB model

    (Pecquerie et al. 2012)

  • Otolith modeling : individual history

    Environment

    Otolith growth and opacity

    LengthDEB model

    Slow growing fish have larger otoliths

    We can reproduce main observations on otolith growth and opacity with simple mechanisms

    (Pecquerie et al. 2012)

  • Food history reconstruction from otolith

    Reconstruction of length

    DEB model

    Assimilated food +

    We can theoretically reconstruct both growthand assimilated food

    from temperature and otolith data

    extraction of new information from data difficult to obtain

    new information = food in natural conditions, at the individual scale

    DEBtool routine: animal/o2f.m(Pecquerie et al. 2012)

  • Two age-3 individuals ?

    Individual 2

    Individual 1

    (Pecquerie et al. 2012)

  • 3 years-old

    2 years-old

    False check

  • Application:North Sea (NS)cod otolithsat odds withBarentssea (BS)cod otoliths

    (Beckman etal. 1996,Hoie etal.2009)

    Classicpattern:translucentedgeinwinter

    Slowgrowthinwinter

    Oppositepattern:translucentedgeinsummerSlowgrowthinsummer?

  • Modelextensiontotake into account temperatureeffect onCaCO3 precipitation

    Fablet etal.2011,PLoS ONE

  • Modelextensiontotake into account temperatureeffect onCaCO3 precipitation

    OM:OrganicMatrix

    Fablet etal.2011,PLoS ONE

  • Modelextensiontotake into account temperatureeffect onCaCO3 precipitation

    Fablet etal.2011,PLoS ONE

    Otolithaccretion =CaCO3 (VC)flux+OM(VP)flux

    Specific temperature effect ondVC/dt

    [ ]MCGCCC ppTcdtdV += )(

    MCGC

    MPGP

    CC

    P

    C

    P

    pppp

    Tcdt

    dVdt

    dV

    VVO

    ++

    =

    =)(

    1

    LO =VC

    1/ 3

    O

  • Modelcalibrationandvalidationwith longterm experimental data

  • 4.POURALLERPLUSLOIN

  • O trouver plusdinfos?

    Artwork: Yoan Eynaud

  • O trouver plusdinfos?

    BasKooijman,Departmenttheoreticalbiology,VrijeUniversiteit Amsterdam

    http://www.bio.vu.nl/thb/deb/

    Introduction aux concepts de la thorie DEB: 4 vidos ralises par Roger Nisbet (UC Santa Barbara) peuvent tre tlcharges([email protected])

    Site AquaDEB http://www.ifremer.fr/aquadeb

    BreizhDEB: Marianne Alunno-Bruscia, Cedric Bacher, Fred Jean, Jonathan Flye Sainte Marie, Laure Pecquerie + Veronique Loizeau, Yoann Thomas

    DEB course tous les 2 ans (fev 2015) http://www.bio.vu.nl/thb/deb/course/

    http://www.bio.vu.nl/thb/deb/mailto:[email protected]://www.ifremer.fr/aquadebhttp://www.bio.vu.nl/thb/deb/course/

    Slide Number 1PLAN DE LEXPOSUn peu dhistoireObservations : Croissance asymptotiqueHypothsesEquation de von BertalanffyEquation de von BertalanffyModles bionergtiquesDiffusion de la thorie1. LES CONCEPTS DE LA THORIE DEBObjectifs de la thorie DEBTransferts dchellesDmarche de modlisationWhy Dynamic Energy Budget (DEB) theory?Cycle de vie dun individuSlide Number 16Model simulationsSchma conceptuelBody-size scaling relationships based on length at spawningStep 1: Reproduction weight follows predictions from body-size scaling relationshipsSlide Number 21Slide Number 22Slide Number 23Slide Number 24Slide Number 252. LE MODELE DEB STANDARDNotationsVolume structurelLa rserveLa densit de rserveEquations du modleEffet de la tempratureEffet de la tempratureAssimilationAssimilationUtilisation des rservesAllocation de lnergieMaintenance somatiqueCroissanceDveloppement/maturitReproductionEn rsum3. Lotolithe = un exemple de DEB productFish otoliths = bio-calcified structuresSlide Number 45Slide Number 46Slide Number 47Slide Number 48Otolith modeling : individual historyOtolith modeling : individual historyFood history reconstruction from otolithSlide Number 52Slide Number 53Application: North Sea (NS) cod otoliths at odds with Barents sea (BS) cod otolithsModel extension to take into account temperature effect on CaCO3 precipitationModel extension to take into account temperature effect on CaCO3 precipitationModel extension to take into account temperature effect on CaCO3 precipitationModel calibration and validation with long-term experimental dataSlide Number 59Slide Number 604. POUR ALLER PLUS LOINO trouver plus dinfos? O trouver plus dinfos?