Prix de thèse systèmes complexes : les candidats sélectionnés

Dans le cadre de sa politique d’encouragement de l’enseignement et de la recherche, l’Institut des Systèmes Complexes de Paris Ile-de-France (ISC-PIF) organise le premier prix de thèse en sciences des systèmes complexes. Ce prix de thèse a pour objectif de mettre à l’honneur la recherche en systèmes complexes et de distinguer les travaux de jeunes chercheurs et chercheuses particulièrement prometteurs

Nous avons reçu 24 candidatures qui sont actuellement soumises à l’évaluation de notre comité de sélection. Ces thèses portant sur des disciplines variées – biophysique, chimie, robotique, environnement, finance, informatique, mathématiques appliquées…- illustrent bien le caractère interdisciplinaire de la science des systèmes complexes :

Candidats sélectionnés pour l’audition

Modéliser la résilience économique. COLON, Célian.

Modéliser la résilience économique

COLON, Célian. Université Paris-Saclay, École Polytechnique / ED129 / LMD

De grandes transformations écologiques et climatiques sont aujourd’hui à l’œuvre. Elles sont sources d’instabilité environnementale, à l’image d’évènements climatiques extrêmes devenus plus fréquents, plus intenses, et touchant de nouvelles régions du globe. A défaut de pouvoir empêcher ces changements, comment les sociétés humaines pourraient-elles s’y adapter ? Pour beaucoup de chercheurs et de décideurs, c’est par la résilience qu’elles y parviendront. Ce concept semble renfermer des solutions nouvelles, adaptées à un monde turbulent et incertain. Par définition, les systèmes résilients sont capables de rebondir face à des chocs inattendus, d’apprendre rapidement et de s’adapter à des conditions inédites. Malgré l’intérêt suscité par cette notion, les processus qui permettent à une société d’être résiliente restent encore mal connus. Cette thèse développe un cadre conceptuel nouveau permettant, via la modélisation mathématique, d’explorer les liens théoriques entre mécanismes économiques et résilience. Ce cadre repose sur une analyse critique de la résilience en écologie — domaine d’origine du concept — et en économie — notre champ d’application. Nous l’appliquons aux systèmes de production économique, modélisés comme des réseaux de firmes et analysés à travers la théorie des systèmes dynamiques. Cette thèse évalue l’aptitude de tels modèles, dits multi-agents, à générer des profils de bifurcations, étape incontournable de l’analyse mathématique de la résilience. Nous étudions pour cela une dynamique proie–prédateur très générale en écologie et en économie, les fortes interdépendances entre activités économiques, l’existence d’un risque systémique… Ces résultats théoriques ont une valeur générale, et pourront servir à orienter de futures recherches empiriques. Cette thèse fait en outre avancer les connaissances sur des méthodes et objets mathématiques très récents, comme les équations booléennes à retard formant un réseau complexe, et les dynamiques évolutionnaires sur les graphes. Les modèles et le cadre conceptuel proposés ouvrent de nouvelles perspectives de recherche sur la résilience, en particulier sur l’impact des rétroactions environnementales sur l’évolution structurelle des réseaux de production.

Living in a fluid-dynamical landscape: how do marine predators respond to turbulence? DELLA PENNA, Alice.

Living in a fluid-dynamical landscape: how do marine predators respond to turbulence?

DELLA PENNA, Alice. Université Paris Diderot / Frontiers du Vivant / LOCEAN-IPSL

Marine top predators play a fundamental role in maintaining the structure and functioning of healthy marine ecosystems. In the last decades the development of bio-logging (i. E. Deployment of autonomous recording tags on free-living animals) has radically changed the study of top predators and their interactions with their environment. Combinations of sensors measuring position (Argos and GPS), environmental properties (water temperature, light) and proxies for foraging behavior (accelerometers) have enabled relating migrations of large fish, marine mammals, sea turtles and seabirds to basin scale patterns of ocean currents, temperature, and productivity. However, what influences marine predators’ movement at smaller spatial and temporal scales, such as the ones they experience during their foraging trips, is still largely unknown. This project analyses the interaction between marine top predators (elephant seals and macaroni penguins) and sub-mesoscale (few days-months, 10-100 km) ocean dynamics. This is achieved by combining in-situ observations, bio-logging data, remote-sensing, ecological modelling and a Lagrangian approach (i. E. Based on the tracking of water parcels). The study is conducted in the sub-Antarctic region around the Kerguelen Plateau (Indian Sector of the Southern Ocean).

Signatures hors de l’équilibre dans les systèmes vivants et actifs. FODOR, Etienne.

Signatures hors de l’équilibre dans les systèmes vivants et actifs

FODOR, Etienne. Université Paris Diderot/ED Physique en Ile-de France/Laboratoire Matière et Systèmes Complexes

Les systèmes vivants évoluent hors de l’équilibre par l’injection permanente d’énergie fournie par l’ATP. La dynamique des composants intracellulaires, tels que les protéines, organelles et filaments du cytosquelette, est contrôlée par des fluctuations thermiques d’équilibre ainsi que des forces actives aléatoires produites par les moteurs moléculaires. Des traceurs sont injectés dans les cellules pour étudier ces fluctuations. Pour distinguer les fluctuations hors de l’équilibre des effets purement thermiques, des mesures de fluctuations spontanées et de réponse sont combinées. Nous récapitulons théoriquement les fluctuations observées à l’aide d’un modèle phénoménologique. Cela nous permet de quantifier les échelles de temps, de longueur, et d’énergie des fluctuations actives dans trois systèmes expérimentaux : des mélanomes, des ovocytes de souris, et des tissus épithéliaux. Les particules auto-propulsées extraient de l’énergie de leur environnement pour effectuer un mouvement dirigé. Une telle dynamique conduit à une riche phénoménologie qui ne peut être capturée par la physique d’équilibre. Un exemple frappant est la possibilité pour des particules répulsives de subir une séparation de phase. Pour un modèle spécifique d’auto-propulsion, nous explorons à quelle distance de l’équilibre opère la dynamique. Nous quantifions la rupture du renversement temporel, et nous délimitons un régime d’équilibre effectif. L’identification de ce régime est basée sur l’analyse des fluctuations et réponse des particules.

Real-time control of a genetic toggle switch. LUGAGNE, Jean-Baptiste.

Real-time control of a genetic toggle switch

LUGAGNE, Jean-Baptiste. Université Paris VII – École doctorale frontières du vivant (ED474) – Laboratoire Matière et Systèmes Complexes (MSC) UMR 7057 CNRS

Le projet principal de ma thèse a été le contrôle en temps réel de l’état d’un toggle switch génétique chez Escherichia Coli, en utilisant une plateforme combinant microfluidique, microscopie et informatique. La principale contribution de mon travail est, outre la cŕeation d’une plateforme pour le contrôle en cellule unique chez la bactérie, le contrôle d’un circuit génétique multi-stable comme le toggle switch génétique. Dans une analogie avec le problème du pendule inversé en théorie du contrôle, nous avons stabilisé notre système génétique dans sa zone d’instabilité. Après avoir réussi à contrôler une seule cellule, nous avons réussi à maintenir plusieurs cellules en même temps dans leurs zones instables. Pour finir, en analysant la dynamique de nos circuits de toggle switch nous avons identifié un régime de stimulations périodiques en boucle ouverte qui permet de stabiliser le système en dehors de ses bassins d’attraction, dans la zone instable.

Does complexity in behavioral organization allow seabirds to adapt to changes in their environment?. MEYER, Xavier.

Does complexity in behavioral organization allow seabirds to adapt to changes in their environment?

Université de Strasbourg/Ecole doctorale Vie et Santé ED414/IPHC DEPE (UMR7178)

Fractal patterns are found everywhere in nature (e.g. in the shapes of clouds, coastlines). Such patterns are also known to emerge in spatial and temporal sequences of animal movement, which exhibit self-similarity across a range of measurement scales. Thus, it is a fundamental principle happening over both short and long time periods and one future challenge in understanding animal behaviour is to identify how much of this behavioural organization depends on intrinsic (animal) versus extrinsic (environmental) conditions. To describe the structure of behaviour as it occurs through time, studies used the term “complexity” to refer to the correlation structure of the time series. Moreover, complexity (or roughness in mathematics) is ubiquitous in nature and considered biologically adaptive because it is error tolerant, allowing organisms to cope with stress and unpredictable environment. Thus, fractal patterns may provide an optimal solution to foraging problems. Fractal analysis is an emerging tool to reveal complexity of animal activity pattern, opening up opportunities for more subtle and sensitive investigations of species used as indicators for climate and environmental change. To summarize, I will investigate if behavioural complexity modulation is pertinent to buffer environmental change. I will work on marine top-predator species that are commonly used as indicators of climate and environmental change: two penguin species (Adelie Penguins & Little Penguins) exposed to various environmental challenges and a suite of Procellariiforms which have different body characteristics, foraging strategies. This work (only concerning Adélie Penguin) will be a part of the AMMER project (IPEV project N°1091).

Contraction active de réseaux de fibres biologiques. RONCERAY, Pierre.

Contraction active de réseaux de fibres biologiques

RONCERAY, Pierre. Université Paris-Saclay / ED 564 Physique en Île-de-France / Laboratoire de Physique Théorique et Modèles Statistiques.

Le fonctionnement des organismes vivants requiert la production de forces à grande échelle, pour des processus biologiques aussi divers que la motilité cellulaire, le développement embryonnaire, la cicatrisation ou encore la contraction musculaire. Dans de tels systèmes, les forces générées à l’échelle moléculaire par des moteurs protéiques sont transmises par des réseaux de fibres désordonnés, menant à des tensions actives à grande échelle. Les propriétés macroscopiques passives de ces réseaux de fibres sont bien caractérisées. En revanche, ce problème de production de stress par des unités actives microscopiques n’est pas résolu. Cette Thèse présente une étude approfondie, par des méthodes théoriques et numériques, de la transmission de forces dans les réseaux élastiques de biopolymères. Je montre que la réponse linéaire, à faible force, des réseaux est remarquablement simple : elle est déterminée par la seule la géométrie des unités actives exerçant les forces. Au contraire, lorsque les forces actives sont suffisamment importantes pour provoquer le flambage non-linéaire des fibres, ces forces sont rectifiées par le réseau, et deviennent isotropiquement contractiles. La contraction émergente qui en résulte est amplifiée par la transmission de forces non-linéaire à travers le réseau. Cette amplification du stress macroscopique est renforcée par le caractère désordonnée du réseau, mais sature lorsque la densité d’unités actives est grande. Nos prédictions sont en accord quantitatifs avec des résultats expérimentaux sur des tissus reconstitués et des réseaux d’actomyosine in vitro, et apportent un éclairage nouveau sur l’influence de l’architecture microscopique des réseaux sur structure des stress à l’échelle de la cellule et du tissu.

Flots de liens pour la modélisation des interactions temporelles et application a l’analyse de trafic IP. VIARD, Tiphaine.

Flots de liens pour la modélisation des interactions temporelles et application a l’analyse de trafic IP

VIARD, Tiphaine. UPMC/EDITE de Paris/LIP6

Les interactions sont partout : il peut s’agir de contacts entre individus, d’emails, d’appels téléphoniques, de trafic IP, d’achats en ligne, d’exécution de code, etc. Les interactions peuvent être orientées, pondérées, enrichies d’informations supplémentaires, cependant, dans tous les cas, une interaction signifie que deux entités u et v ont interagi du temps b au temps e : par exemple, deux individus u et v se rencontrent du temps b au temps e, deux machines sur un réseau démarrent une session IP du temps b au temps e, deux personnes u et v se téléphonent du temps b au temps e, etc. Dans cette thèse, nous explorons une nouvelle approche visant à modéliser les interactions directement comme des flots de liens, c’est-à dire des séquences de quadruplets (b,e,u,v) signifiant que u et v ont interagi du temps b au temps e. Nous posons les fondations du formalisme correspondant. Afin de valider notre travail théorique, nous nous concentrons sur l’analyse de trafic IP. Il est en effet crucial pour nous d’effectuer des aller-retours constants entre théorie et pratique : les cas pratiques doivent nourrir notre réflexion théorique, et, en retour, les outils formels doivent être conçus de façon à être appliqués de la manière la plus générale. Nous appliquons notre formalisme à l’analyse de trafic IP, dans le but de valider la pertinence de notre formalisme pour l’analyse de trafic IP, ainsi que comme méthodologie de détection d’événements. Nous élaborons une méthode permettant d’identifier des événements recouvrant plusieurs échelles de temps, et l’appliquons à une trace de trafic issue du jeu de données MAWI.

Session poster

Des représentations de la nature à la protection de la biodiversité. DUCARME, Frédéric.

Des représentations de la nature à la protection de la biodiversité

DUCARME, Frédéric. Muséum National d’Histoire Naturelle / ED 227 / CESCO (UMR 7204)

Cette thèse consiste en une exploration critique des liens entre les représentations sociales de l’idée de nature et la mise en pratique de sa conservation. Ces représentations font intervenir plusieurs disciplines, qui proposent souvent des visions divergentes des objets et concepts en cause. L’un des buts principaux est de convoquer à la fois le savoir et les méthodes issus des sciences sociales de la conservation, et le savoir scientifique moderne en écologie, de manière à tester la pertinence des pratiques et politiques environnementales sur ces deux plans. Le travail s’articule donc autour de trois axes, qui sont épistémologique, biophysique et social, le dernier se comprenant comme la cristallisation des deux sources pour l’action pratique. Nous dégageons un certain nombre de représentations actuelles de la nature, qui sont autant de définitions légitimes de la nature, donc de cibles potentielles quoique très distinctes de la « protection de la nature ». L’enjeu biologique examine les différents types d’assemblages biophysiques qui sont protégés suivant ces différentes représentations de la nature, non sans pointer certaines contradictions ou lacunes, notamment sur le thème de la nature ordinaire, souvent oubliée des démarches conservationnistes alors que stratégique d’un point de vue biologique ; un outil de quantification de la pression sur cette nature ordinaire est aussi étudié. Enfin, l’aspect social s’attache aux valeurs qui motivent et régulent cette action conservationniste : alors que la biologie, descriptive, ne peut donner que des outils mais pas prescrire des politiques, nous tentons à la lumière de la diversité des représentations et des données scientifiques de dégager un système de réflexion cohérent pour la conservation de la nature, tenant compte des différentes approches et des éventuels antagonismes à l’oeuvre autant du point de vue culturel que biologique.

Utilisation des traits fonctionnels au sein d’un modèle global de végétation : analyse de trois approches complémentaires axées sur les écosystèmes forestiers. PEAUCELLE, Marc.

Utilisation des traits fonctionnels au sein d’un modèle global de végétation : analyse de trois approches complémentaires axées sur les écosystèmes forestiers

UPMC/ED129-Sciences de l’environnement d’île de France/Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement

Dans les modèles globaux de la biosphère continentale, toute la végétation mondiale est généralement représentée par une dizaine de grand groupes fonctionnels (PFT-Plant Functional Type), dont les caractéristiques (traits) sont fixes. Cette rigidité ne permet pas de représenter correctement l’évolution de la végétation face aux pressions environnementales et anthropiques grandissantes, et est à l’origine de nombreuses incertitudes pour l’estimation des cycles bio-géochimiques associés. Trois approches complémentaires axées sur l’utilisation des traits fonctionnels ont été explorées à l’aide du modèle dynamique global de végétation ORCHIDEE afin d’améliorer la représentation des PFTs forestiers. La première approche consiste à augmenter le nombre de PFTs à partir d’une classification hiérarchique des espèces. La seconde approche permet d’extrapoler les traits observés pour chaque PFT existant grâce à des relations empiriques calibrées à partir de plusieurs variables environnementales. La dernière approche utilise la théorie de la coordination de la photosynthèse afin d’estimer des distributions continues de traits en conditions optimales de photosynthèse. En parallèle, cette étude s’interroge sur les capacité d’un modèle global à représenter correctement les traits fonctionnels lorsqu’il est optimisé pour un flux de carbone. L’augmentation du nombre de PFTs permet d’améliorer significativement les caractéristiques et la représentativité spatiale des peuplements simulés de plus de 50 %. Les deux autres approches permettent d’estimer des distributions de traits réalistes et mettent en évidence un rôle “tampon” important de la plasticité des traits sur les flux de carbone futurs. Les trois approches abordées ont mis en évidence certaines faiblesses du modèle liées à la représentation de la phénologie, de l’allocation de la biomasse ou encore du stress hydrique pour les conifères. Ces résultats ont menés à la mise en place d’une représentation explicite des processus phénologiques pour les conifères sempervirents dans ORCHIDEE, qui à présent reproduit les dynamiques de LAI observées par télédétection. Enfin, le modèle ORCHIDEE ne peux pas être paramétré avec des observations directes de traits, privilégiant l’approche théorique pour simuler les distributions de traits. Cependant, l’assimilation de données d’observations de flux de carbone permet de faire le lien entre les traits mesurés à l’échelle foliaire et leur intégration à l’échelle de la canopée. Elle permet de retrouver des distributions de traits cohérentes avec les observations, ainsi que des relations trait-trait et trait-environnement qui sont observées à l’échelle foliaire.

Dates à retenir

  • Présélection : 30 avril – 15 juin 2017
  • Notification des résultats de présélection : 16 Juin 2017
  • Présentation orale devant le comité de sélection et le jury d’honneur et remise officielle du Prix de thèse systèmes complexes : 30 Juin 2017, de 15h à 18h.

La remise officielle du Prix de thèse système complexes aura lieu le 30 Juin 2017 à l’ISC-PIF, de 15h à 18h.

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