CE02 - Milieux et biodiversité : Terre vivante

Mathématiques de la démographie de l’apparentement : nouveaux développements et application à l’humain – MathKinD

Mathématiques de la démographie et de la parenté: nouveaux développements et applications à l'humain

Ce projet vise à étudier les interactions entre structure de parenté, dynamique des populations et évolution des traits d'histoire de vie, en utilisant les humains comme espèce modèle. Ceci est important, par exemple pour mieux prévoir la viabilité des espèces sociales ou étudier la coévolution des traits sociaux et démographiques. Pour cela, nous fournirons de nouveaux outils pour étudier les relations mathématiques entre la dynamique des populations structurées et leur structure de parenté.

Necessité de nouveaux outils mathématiques pour inférer les liens entre démographie et parenté

Chez les espèces sociales, les processus démographiques (croissance, reproduction, migration, survie) dépendent de relations de coopération ou de compétition entre les individus. Dans ces espèces, les interactions entre apparentés coévoluent donc avec les Traits d'Histoire de Vie (THV). Les humains en particulier ont développé une histoire de vie particulière dans laquelle les interactions sociales structurées en fonction de l'âge et de l’apparentement jouent un rôle majeur: une période juvénile prolongée, une période de reproduction courte, mais intense et dangereuse pour les femmes, s’achevant par une ménopause et suivie d’une longue vie post-reproductive. Cependant, les mécanismes de cette coévolution entre la démographie structurée selon l'âge et les interactions entre apparentés sont pour la plupart inconnus. <br /> <br />Ceci s’explique par l’absence de théorie générale concernant les relations complexes entre sélection de parentèle, dynamique de la population et évolution des THV. Notamment, un aspect largement sous-étudié de cette théorie est cependant, au niveau populationnel, la rétroaction inhérente entre démographie et socialité: au niveau de la population, la démographie par stade/âge/taille et les interactions entre apparentés déterminent la dynamique de la population. En retour celle-ci détermine la distribution de l’apparentement entre individus et donc les opportunités et l’amplitude des comportements coopératifs. <br /> <br />Contrairement à leur importance, les outils mathématiques nécessaires à l'exploration de ces systèmes parenté/démographie sont encore limités. Si les modèles de populations structurées intègrent des scénarios environnementaux (structure spatiale, fluctuations environnementales ou densité-dépendance) ou des structures de populations (par génotypes, phénotypes ou classes d'hétérogénéité) de plus en plus complexes, ils intègrent difficilement les structures de parenté. C’est l’objectif du projet MathKinD.

L’objectif du projet MathKinD est double. Son premier axe de recherche fournira une méthode mathématique générale pour extraire les distributions des coefficients d’apparentement par stade/âge/taille, à partir de matrices démographiques, en appliquant des méthodes de chaînes de Markov généalogiques à des modèles Matriciels de Projection de Population Multitraits (MPPM ; Coste et al., 2017). Cette extraction constituerait une percée méthodologique majeure pour la dynamique des populations, l'écologie, la génétique des populations et la démographie évolutive. Nous testerons ensuite la robustesse de ces prédictions avec des données de pédigrées structurés par âge (dans le cas des populations humaines). Nous examinerons alors si la structure de parenté est elle-même structurée par la phylogénie en utilisant des matrices de projections de population pour des centaines d'espèces de mammifères mises à disposition par des bases de données récentes.

Le deuxième axe de MathKinD consiste à implémenter des interactions entre apparentés proches chez l’humain (par exemple, soins bi[grand]parentaux ou coopération/compétition entre frères et sœurs) dans des MPPMs. Nous dissocierons alors les forces sociodémographiques en jeu dans la coévolution de la socialité avec les THV particuliers à notre espèce sous différents scénarios biologiques, environnementaux et culturels. Nous examinerons également les interactions parenté/démographie dans les sociétés en transition du passé (au néolithique par exemple), et améliorerons les prévisions démographiques des populations contemporaines, différentes dans leurs systèmes de parenté, mais toutes menacées par des perturbations environnementales croissantes.

Sur une période de trois ans et demi, ce projet fournira, à partir d'approches théoriques et empiriques conjointes, une panoplie d'outils et d'analyses reliant les caractéristiques démographiques des populations à leur structure de parenté dans plusieurs contextes environnementaux. Au-delà des implications clés pour l'écologie évolutionnaire théorique et la démographie, ces résultats s'avéreront essentiels pour la conservation des espèces sociales menacées, car ils permettent de meilleures prédictions du sort des espèces sociales dans des environnements difficiles. De par sa nature même, ce projet permettra également de mieux comprendre les forces en jeu dans l’évolution conjointe des histoires de vie et de la socialité en général, et au cours de l'histoire des hominidés en particulier, donnant ainsi des résultats clés pour la primatologie et l'anthropologie biologique.

Proposer une théorie mathématique générale pour extraire la distribution de parenté des populations structurées; deuxièmement, tester la robustesse de ces prédictions dans le cas des populations humaines; troisièmement, examiner si la structure de parenté est elle-même structurée par des proximités phylogéniques entre les espèces.

Mettre en œuvre des relations de parenté proche dans des modèles afin d'améliorer notre compréhension de la relation entre les comportements sociaux des proches parents, la dynamique des populations et l'évolution des traits du cycle de vie chez les humains.

NA

Chez les espèces sociales, les processus démographiques (croissance, reproduction, migration, survie) dépendent de relations de coopération ou de compétition entre les individus. Dans ces espèces, les interactions entre apparentés coévoluent donc avec les Traits d'Histoire de Vie (THV). Les humains en particulier ont développé une histoire de vie particulière dans laquelle les interactions sociales structurées en fonction de l'âge et de l’apparentement jouent un rôle majeur: une période juvénile prolongée, une période de reproduction courte, mais intense et dangereuse pour les femmes, s’achevant par une ménopause et suivie d’une longue vie post-reproductive. Cependant, les mécanismes de cette coévolution entre la démographie structurée selon l'âge et les interactions entre apparentés sont pour la plupart inconnus.

Ceci s’explique par l’absence de théorie générale concernant les relations complexes entre sélection de parentèle, dynamique de la population et évolution des THV. Il est en effet bien connu que, au niveau individuel, les coûts (pondérés par les coefficients de parenté) et les avantages des investissements de parentèle déterminent la fitness inclusive d'un individu. C'est la théorie Hamiltonienne de l'évolution de la socialité (Hamilton, 1964). Un aspect largement sous-étudié de cette théorie est cependant, au niveau populationnel, la rétroaction inhérente entre démographie et socialité: au niveau de la population, la démographie par stade/âge/taille et les interactions entre apparentés déterminent la dynamique de la population. En retour celle-ci détermine la distribution de l’apparentement entre individus et donc les opportunités et l’amplitude des comportements coopératifs.

Contrairement à leur importance, les outils mathématiques nécessaires à l'exploration de ces systèmes parenté/démographie sont encore limités. Si les modèles de populations structurées intègrent des scénarios environnementaux (structure spatiale, fluctuations environnementales ou densité-dépendance) ou des structures de populations (par génotypes, phénotypes ou classes d'hétérogénéité) de plus en plus complexes, ils intègrent difficilement et imparfaitement les structures de parenté (et ce principalement par le biais de modèles algorithmiques individus centrés).

L’objectif du projet MathKinD est double. Son premier axe de recherche fournira une méthode mathématique générale pour extraire les distributions des coefficients d’apparentement par stade/âge/taille, à partir de matrices démographiques, en appliquant des méthodes de chaînes de Markov généalogiques à des modèles Matriciels de Projection de Population Multitraits (MPPM ; Coste et al., 2017). Cette extraction constituerait une percée méthodologique majeure pour la dynamique des populations, l'écologie, la génétique des populations et la démographie évolutive. Nous testerons ensuite la robustesse de ces prédictions avec des données de pédigrées structurés par âge (dans le cas des populations humaines). Nous examinerons alors si la structure de parenté est elle-même structurée par la phylogénie en utilisant des matrices de projections de population pour des centaines d'espèces de mammifères mises à disposition par des bases de données récentes.

Le deuxième axe de MathKinD consiste à implémenter des interactions entre apparentés proches chez l’humain (par exemple, soins bi[grand]parentaux ou coopération/compétition entre frères et sœurs) dans des MPPMs. Nous dissocierons alors les forces sociodémographiques en jeu dans la coévolution de la socialité avec les THV particuliers à notre espèce sous différents scénarios biologiques, environnementaux et culturels. Nous examinerons également les interactions parenté/démographie dans les sociétés en transition du passé (au néolithique par exemple), et améliorerons les prévisions démographiques des populations contemporaines, différentes dans leurs systèmes de parenté, mais toutes menacées par des perturbations environnementales croissantes.

Coordinateur du projet

Monsieur Samuel Pavard (Eco-Anthropologie et Ethnobiologie)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

EAE Eco-Anthropologie et Ethnobiologie
CEFE Centre d'écologie fonctionnelle et évolutive

Aide de l'ANR 181 012 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2019 - 42 Mois

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