UHJ et TAU : le Big Data permet de révéler les secrets de la faune et de réduire les conflits avec les humains
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Le nouveau système GPS inversé appelé « ATLAS » a été développé par le Pr Ran Nathan de l’Université hébraïque de Jérusalem (UHJ) et le Pr Sivan Toledo de l’Université de Tel Aviv et leurs équipes, sous les auspices du Minerva Center for Movement Ecology. Le système a été installé sur des animaux en Israël, au Royaume-Uni, aux Pays-Bas, en Allemagne et ailleurs dans le monde, permettant aux chercheurs de s’attaquer à des questions fondamentales d’écologie du mouvement qui étaient jusqu’à aujourd’hui hors de portée.
Le mouvement est omniprésent dans le monde naturel. Tous les organismes se déplacent, activement ou passivement, régulièrement ou au cours d’étapes spécifiques de la vie, pour répondre aux besoins énergétiques, de survie, reproductifs et sociaux. Le mouvement affecte une variété de processus écologiques et la capacité des individus à faire face aux changements environnementaux rapides induits par l’homme. Le Pr Nathan de l’UHJ, des étudiants et des collègues de 12 pays dans le monde, ont passé en revue une gamme de technologies qui ont été utilisées pour recueillir des informations sur les mouvements de mammifères, d’oiseaux, de poissons et d’autres animaux sauvages dans leur environnement naturel.
Cette dernière décennie, les progrès technologiques ont transformé l’écologie du mouvement (étude intégrée du mouvement des organismes), une discipline pauvre en données, en une discipline riche en données. Cette révolution des mégadonnées en cours est entraînée par des systèmes de suivi de la faune rentables et automatisés qui génèrent des ensembles de données massifs et à haute résolution qui correspondent au contexte écologique pertinent dans lequel les animaux perçoivent, interagissent et réagissent à leur environnement. Le Pr Nathan et ses collègues ont évalué les principaux outils, idées, défis et opportunités de la révolution des mégadonnées dans l’écologie du mouvement. Les technologies de suivi de la faune varient dans la manière dont elles abordent les compromis de base entre le taux de collecte de données, la couverture spatiale, la durée du suivi et la taille des animaux suivis.
Parmi les huit principales technologies de suivi examinées dans cette étude, une technologie appelée « GPS inversé » s’est distinguée par sa capacité exceptionnelle à produire de grandes données sur les mouvements des animaux de manière rentable. D’autres technologies de suivi, comme les appareils GPS, les systèmes de vision par ordinateur et les radars, peuvent également produire des mégadonnées, et les chercheurs recommandent de considérer toutes les principales technologies de suivi comme des alternatives complémentaires plutôt que concurrentes. Le nouveau système GPS inversé appelé « ATLAS » a été développé par le Pr Nathan et le Pr Toledo.
Il s’est avéré sans précédent dans la création d’une riche base de données sur les mouvements d’animaux sauvages en suivant simultanément plusieurs dizaines d’animaux sauvages avec une grande précision (quelques mètres) à une résolution élevée (toutes les secondes) et sur une période de temps relativement longue (mois) à l’aide de petits appareils peu coûteux, des balises radio attachées à l’animal. Le système a été installé en Israël, au Royaume-Uni, aux Pays-Bas, en Allemagne et ailleurs dans le monde, permettant aux chercheurs de s’attaquer à des questions fondamentales d’écologie du mouvement qui étaient jusqu’à aujourd’hui hors de portée.
« Ce système de suivi sophistiqué a inauguré une gamme de découvertes passionnantes et de nouvelles idées, y compris la première preuve de l’existence d’une carte cognitive chez un animal sauvage (une chauve-souris frugivore), une étude pionnière reliant la variation entre les oiseaux individuels (faisans) dans leurs capacités cognitives et leurs modèles d’utilisation de l’espace, et la découverte d’une ségrégation spatiale notable dans les zones d’alimentation parmi les chauves-souris qui se perchent dans deux colonies adjacentes, en raison de la mémoire d’un individu et du transfert d’informations entre les chauves-souris, avec étonnamment aucune preuve de la concurrence comme force motrice« , a partagé Nathan.
Un autre système GPS inversé connu sous le nom de « télémétrie acoustique » utilise des balises acoustiques pour suivre les poissons et autres animaux aquatiques sous l’eau. Divers systèmes de ce type ont été installés dans les rivières, les lacs et les mers du monde entier, offrant de nouvelles connaissances scientifiques et des lignes directrices importantes pour faire face aux risques d’origine humaine pour la faune. Par exemple, en utilisant un système de suivi acoustique dans les rivières européennes, les chercheurs ont découvert que les anguilles migrant vers l’aval, une espèce en danger critique d’extinction, et les saumons atlantiques changent de comportement lorsqu’ils rencontrent des barrages, ce qui augmente probablement leur dépense énergétique et leur risque de mortalité.
Une autre technologie de suivi importante est le GPS, qui a été largement utilisé pour suivre à l’échelle mondiale des animaux relativement grands et peut suivre périodiquement des animaux à haute résolution pour découvrir les facteurs générant des variations dans le comportement des animaux et pour aider à la conservation de la biodiversité et à la gestion des écosystèmes. Par exemple, le suivi GPS a permis à Nathan et à ses étudiants de révéler que les jeunes vautours de la population en déclin d’Israël escaladent les colonnes d’air ascendant (thermiques) beaucoup moins efficacement que les vautours adultes expérimentés lorsque ces thermiques sont entraînés par les vents.
Ailleurs, le suivi GPS des condors de Californie en danger critique d’extinction peut fournir des alertes précoces pour éviter les collisions avec les éoliennes de la région, tandis que le suivi GPS des albatros peut aider à localiser les navires de pêche illégaux dans de vastes océans. Dans un autre exemple trop récent pour être inclus dans l’examen, le suivi GPS a fourni des informations uniques sur l’épidémie de grippe aviaire qui a entraîné la mort de milliers de grues en Israël au début de cet hiver. « Au premier signe de mort parmi quelques dizaines de grues, une proportion beaucoup plus grande de nos grues munies de balises GPS sont mortes ou ont été suspectées d’être infectées compte tenu de la situation soudaine« .
Publication dans Science
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Movement is ubiquitous across the natural world. All organisms move, actively or passively, regularly or during specific life stages, to meet energy, survival, reproductive and social demands. Movement affects a variety of ecological processes and the ability of individuals to cope with human-induced, rapid environmental changes.
Professor Ran Nathan of the Hebrew University of Jerusalem, together with students and colleagues from 12 countries around the world, reviewed a variety of technologies that have been used to gather information on the movements of mammals, birds, fish, and other wildlife in their natural environments. Over the past decade, technological advances have transformed the field of movement ecology – the integrated study of organismal movement – from a data-poor to a data-rich discipline. This ongoing big-data revolution is driven by cost-effective and automated wildlife tracking systems that generate massive, high-resolution datasets that match the relevant ecological context in which animals perceive, interact with, and respond to their environment.
In a review published in the prestigious journal Science, Nathan and his colleagues assessed the main tools, insights, challenges and opportunities of the big-data revolution in movement ecology. Wildlife tracking technologies vary in how they tackle the basic trade-offs between data collection rate, spatial coverage, tracking duration and the size of tracked animals. Among eight major tracking technologies examined in this study, a technology called “reverse-GPS” stood out in its exceptional capacity to produce big data on animal movement in a cost-effective manner. Other tracking technologies, such as GPS devices, computer vision systems and radars, can also produce big data, and the researchers recommended viewing all major tracking technologies as complementary rather than competing alternatives.
A new reverse-GPS system called ATLAS was developed by Nathan and Professor Sivan Toledo of Tel Aviv University and their teams, under the auspices of the Minerva Center for Movement Ecology. It proved unparalleled in creating a rich database of wild animal movement by simultaneously tracking many dozens of wild animals with great accuracy (a few meters) at a high resolution (every second) and over a relatively long time period (months) using small, inexpensive radio tags attached to the animal. The system has been installed in Israel, UK, the Netherlands, Germany and elsewhere around the world, allowing researchers to tackle basic movement ecology questions that were out of reach until today. “This sophisticated tracking system has ushered in a range of exciting discoveries and novel insights, including the first evidence for the existence of a cognitive map in a wild animal (a fruit bat), a pioneering study linking variation among individual birds (pheasants) in their cognitive ability and space-use patterns, and a discovery of a notable spatial segregation in foraging areas among bats that roost in two adjacent colonies, owing to an individual’s memory and information transfer among bats, with surprisingly no evidence for competition as a driving force,” Nathan shared.
Another reverse-GPS system known as “acoustic telemetry” uses acoustic tags to track fish and other aquatic animals under water. Various systems of this kind were installed in rivers, lakes and seas around the world, yielding new scientific insights and important guidelines for dealing with human-inflicted risks for wildlife. For example, by using an acoustic tracking system in European rivers, researchers found that downstream-migrating eels–a critically endangered species– and Atlantic salmons change their behavior upon encountering dams, likely increasing their energy expenditure and mortality risk.
Another important tracking technology is GPS, which has been widely used to globally track relatively large animals and can periodically track animals at high resolution to uncover the factors generating variation in animal behavior and to assist biodiversity conservation and ecosystem management. For example, GPS tracking allowed Nathan and his students to reveal that young vultures from the declining population in Israel climb rising-air columns (thermals) much less efficiently than do experienced adult vultures when those thermals are drifted by winds. Elsewhere, GPS tracking of critically endangered California condors can provide early alerts to avoid collision with wind turbines in the area, while GPS tracking of albatrosses can help locate illegal fishing vessels across vast oceans.
In another example too recent to be included in the review, GPS tracking provided unique information about the avian flu epidemic that led to the death of thousands of cranes in Israel earlier during this winter. “At the first sign of death among a few dozen cranes, a much greater proportion of our GPS-tagged cranes died or were suspected to be infected given the sudden reduction in their movement and activity. We informed the authorities that a drastic mortality event is coming, as unfortunately did happen, and that urgent measures should be taken,” Nathan explained. Later, the team was able to trace the fate of infected birds and found that some had eventually recovered. “We now closely watch the data from cranes that winter in Africa to monitor the possible second wave of the outbreak when millions of migrating birds will soon arrive,” Nathan emphasized.
Movement ecology is rapidly expanding scientific frontiers, providing improved opportunities for conservation and insights into wild animal movements through large interdisciplinary and collaborative frameworks. “This is also the story of our research,” Nathan explained, referencing a Fish Telemetry workshop in the Czech Republic organized by Professor Ivan Jarić in 2018 that he was invited to attend. “I met a group of excellent researchers with backgrounds, expertise and research subjects quite different from mine. I remember the exact moment that gave birth to our joint project, when I shared my vision for a big-data revolution in movement ecology. Preparing our review together has been a wonderful experience; working together across disciplines is certainly the way to go,” Nathan concluded.
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