Par Jérémie Goulnik

Déclin des insectes et causes

Les insectes terrestres ont connu un déclin important au cours de la seconde moitié du XXème siècle (lire cet article). La tendance de ce déclin varie selon les échelles étudiées, avec de très forte polémique au sein de la communauté scientifique pour la déterminer (e.g. sur le déclin d’arthropodes en Allemagne qui a généré des échanges importants entre chercheurs : Seibold et al., 2019, 2021; Daskalova, Phillimore and Myers‐Smith, 2021). Ainsi, une valeur proposée est d’environ -7% de l’abondance des insectes terrestres par décennie en Europe (van Klink et al., 2020). A une échelle plus locale, il atteint -75% en 27 ans pour la biomasse des insectes volants dans un ensemble de sites appartenant à des aires naturelles protégées en Allemagne (Hallmann et al., 2017), résultats en concordance avec des études sur des taxons plus spécifiques d’insectes comme les macro-hétérocères (e.g. -61% de leur biomasse entre 1997 et 2017 sur deux sites aux Pays-Bas, l’un de développement de la nature, l’autre une réserve naturelle ; Hallmann et al., 2020), avec potentiellement des impacts même sur les espèces les plus communes (Hallmann et al., 2021).

Les causes du déclin des insectes sont multiples, avec des variations biogéographiques importantes. En Europe, le déclin des insectes semble majoritairement lié à la perte et la destruction des habitats, ainsi qu’aux diverses sources pollutions (notamment liées aux produits phytosanitaires et aux fertilisants), l’ensemble de ces pressions étant étroitement liés à l’intensification de l’agriculture qui a opéré au cours de la seconde moitié du XXème siècle (Eggleton, 2020) (figure 1 ci-contre).

Par exemple, dans le cas des pollinisateurs sauvages, la perte d’habitat s’est caractérisée notamment par une perte en ressources alimentaires (essentiellement pollen et nectar) et non alimentaire (ex : sites de nidifications) à l’échelle paysagère et locale (i.e. de la parcelle), générée par l’arrêt de la culture des légumineuses fourragères, le retournement des prairies permanentes à forte diversité floristique ou l’intensification de leur utilisation avec des mises en exploitation plus précoce et l’application de fertilisants azotés mais aussi phosphorés, ainsi que la suppression des haies et des plantes messicoles rendues possibles par une mécanisation plus importante et l’utilisation de pesticides de synthèse comme des désherbants systémiques peu couteux à la production mais très efficace tel que le glyphosate (Goulson et al., 2015). Par exemple, environ 3 millions d’ha de prairies permanentes ont été perdus entre 1960 et 2010 en France (soit une perte d’environ 30% de la surface en prairies permanente ; Huyghe et al., 2014). De plus, 70% des haies bocagères ont disparu depuis 1950.

Certaines espèces s’étendent au contraire

Cependant, il est nécessaire de souligner que tous les insectes ne sont pas en déclin. Ainsi, certaines espèces de bourdons sont en expansion (en Europe, respectivement 45,6% des espèces sont en déclin, 13,2% sont en expansion ; Nieto et al., 2014). Par exemple, en Belgique, une étude a montré que certaines espèces comme le bourdon des mousses (Bombus muscorum) et le bourdon des sables (Bombus veteranus) ont fortement décliné en termes d’aires occupées, alors que d’autres espèces comme le bourdon terrestre (Bombus terrestris) et le bourdon des arbres (Bombus hypnorum) semblent connaître un accroissement.

Ces différences pourraient être liées à de nombreux facteurs, notamment à des préférences variables selon les espèces pour les habitats qu’ils occupent. En effet, les espèces en déclin dans cette étude préfèrent les habitats ouverts alors que les espèces en augmentation préfèrent les habitats forestiers (Rollin et al., 2020). De manière plus générale, une fraction des espèces d’insectes sont favorisées par l’Anthropocène et les changements globaux qui lui sont liés. Chez les insectes pollinisateurs, il s’agit par exemple d’espèces ayant une mobilité suffisante et une forte résistance à des stress aigus liés à la chaleur, bien que la généralisation des traits permettant de prédire les espèces qui seront gagnantes dans le futur reste délicate (Ghisbain et al., 2021).

Ce qu’il en est des papillons hétérocères

Les hétérocères, considérés ici par simplicité comme les insectes de l’ordre des Lépidoptères mais n’appartenant pas à la superfamille des Papilionoidea (i.e. l’équivalent de « moth » pour les anglo-saxons), représentent en France environ 5 000 espèces soit 95% des espèces de papillons (Gadoum and Roux-Fouillet, 2016).

Ils jouent un rôle essentiel dans le fonctionnement des écosystèmes, étant à la fois un maillon important des réseaux trophiques en étant consommé par d’autres animaux comme les chauves-souris (Vaughan, 1997). Une partie d’entre eux participent à la fonction de pollinisation d’espèces de plantes sauvages, de manière complémentaires aux pollinisateurs diurnes, bien que ce rôle soit encore mal évalué (Walton et al., 2020).

Les hétérocères sont soumis à de nombreuses pressions anthropiques en commun avec les autres insectes, mais également à la pollution lumineuse avec des effets encore mal évalués (Owens and Lewis, 2018). Les preuves de leur déclin s’accumulent dans le Nord de l’Europe (Wagner et al., 2021), tout en restant largement lacunaires en France. Par exemple, une augmentation de la biomasse des hétérocères a pu être observé au Royaume-Uni entre 1967 et 1982, suivi d’un déclin de 1982 à 2017, avec de très forte variabilité inter-annuelle et entre familles, soulignant la nécessité d’acquérir des données sur le long terme (Macgregor et al., 2019).

Le déclin des hétérocères semble variable selon les taxons. Parmi les macro-hétérocères, les espèces spécialistes, avec des ailes longues, de faibles capacités de dispersion, ou encore associées aux prairies et aux habitats pauvres en nutriment semblent défavorisés par les pressions anthropiques actuelles (Wagner et al., 2021). Ainsi, bien que de nombreuses espèces soient en déclin, certaines espèces tirent bénéfice des différentes pressions anthropiques et des changements globaux (Antão et al., 2020), comme par exemple la Noctuelle mignonne (Apamea scolopacina) et l’Albule (Deltote pygarga) au Royaume-Uni  (Boyes et al., 2019).

Un manque certains de données

Les données pour établir le niveau de menace de nombre des espèces d’insectes et suivre leur évolution au cours du temps sont encore largement lacunaires. De plus, les facteurs affectant leur abondance et leur biodiversité ne sont pas nécessairement les mêmes.

Afin de remédier à ce manque de connaissance sur le déclin des Lépidoptères nocturnes et des insectes en général tout en contribuant à la sensibilisation des citoyens, des préconisations ont été réalisées afin d’augmenter le volume de données sur ces insectes, à la fois spatialement et temporellement. Ces préconisations consistent notamment à développer des protocoles de sciences participatives et à s’appuyer sur les nouvelles technologies comme les approches moléculaires (ex : métabarcoding) ainsi que sur les méthodes de vision par ordinateur et d’intelligence artificielle (Didham et al., 2020).

Ces deux grands champs méthodologiques ont été développés séparément avec succès par des pays où l’état de connaissance sur les Lépidoptères nocturnes est bien établi. C’est notamment le cas, pour les sciences participatives, des protocoles anglais de Garden moth scheme et Rothamsted Research Insect Survey, ainsi que d’un autre protocole hollandais appliqué en milieu agricole (lien). Les données ainsi accumulées sont à l’origine de nombreuses publications scientifiques précédemment citées (e.g. Coulthard et al., 2019; Macgregor et al., 2019).

Des dispositifs fondés sur des approches par intelligence artificielle et vision par ordinateur ont été développés par des danois (Bjerge et al., 2021) ainsi que des hollandais (lien) (figure 2). Cependant, les dispositifs proposés demeurent trop coûteux pour être inclus dans des protocoles de sciences participatives (estimés entre 500 et 1 000€ pièce). Cet engouement pour les méthodes basées sur la vision par ordinateur et l’intelligence artificielle provient du développement considérable de ces technologies au cours de la dernière décennie, de la diminution des couts des composants et de la mise à disposition d’outils en accès libre comme des algorithmes ou des bases de données d’images. Ainsi, l’intelligence artificielle appliquée à l’entomologie et à l’écologie pourrait révolutionner dans les années à venir ces domaines scientifiques, bien que nous ne soyons qu’au balbutiement de ce phénomène qui prendra nécessairement du temps et impliquera de nombreux problèmes à résoudre pour connaitre sa maturité (Chollet, 2018; Høye et al., 2021).

Ainsi, en combinant ces deux approches, il serait possible d’acquérir massivement des données sur les hétérocères tout en sensibilisant les collecteurs des données à ces insectes. Les données ainsi acquises pourraient permettre de combler les manques de connaissances sur les hétérocères, les tendances des différentes espèces au cours du temps, mais aussi la réponse de ces insectes aux pressions anthropiques.

Cette combinaison d’approches, encore inexistante en France pour l’étude des hétérocères malgré les nombreux avantages qu’il serait possible d’en tirer, est l’objet du projet Lépinoc.

Lépinoc : un démonstrateur francilien de suivi automatisé des papillons de nuit

• Présentation générale du projet

En 2020, Noé a reçu un financement de la région Ile-de-France pour le projet Lépinoc, un démonstrateur francilien de suivi automatisé des Lépidoptères (i.e. Lépidoptères avec au moins une partie de leur activité qui est nocturne ou crépusculaire) se présentant sous la forme d’un protocole de sciences participatives à destination des gestionnaires d’espaces verts et naturels. Ce démonstrateur, pour lequel nous sommes accompagné par un ensemble d’experts rassemblés au sein d’un comité d’orientation scientifique (encadré 1), vise à :

1) Développer et tester un dispositif simple, fiable et peu onéreux qui permet d’acquérir des données d’abondance et de diversité spécifique des Lépidoptères nocturnes

2) Concevoir et tester un protocole standardisé de collecte de données et formuler des lignes directrices pour un déploiement national de ce protocole

3) Tester et évaluer la mobilisation des gestionnaires d’espaces verts et naturels, définir les freins et les leviers et établir des recommandations

4) Analyser les données récoltées via le dispositif (qualité et pertinence) et identifier les conditions de mise en place d’une reconnaissance automatique par un algorithme d’intelligence artificielle

5) Synthétiser ces préconisations pour le déploiement national du protocole et du dispositif. Au-delà de la phase de démonstrateur qui se déroulera jusque fin 2021, notre objectif est de lancer un réseau national de suivi des Lépidoptères nocturnes.

Encadré 1 : des experts scientifiques qui accompagnent le projet Lépinoc Dr. Colin Fontaine – CESCO – Chercheur et directeur scientifique de Vigie-Nature Pr. Romain Juliard – UMS Mosaïc – Chercheur et directeur de l’UMS Mosaïc Antoine Lévèque – UMS PatriNat – Directeur de projet « Surveillance de la biodiversité terrestre » François Fournier – Indépendant Lépidoptériste – Président de l’Association des Entomologistes d’Auvergne Dr. Antoine Gardarin – UMR Agronomie – Maître de Conférences Olivier Rovellotti – Natural Solutions – Ingénieur informatique, créateur et gérant de Natural Solutions Dr. Alexis Joly – INRIA – Chercheur Caroline de Zutter – Crigen – Ingénieure de recherche environnement Hemminki Johan – ARB Ile de France – Chargé d’études

Le dispositif et le protocole ont été mis en place pour répondre à une réponse scientifique en particulier, qui nécessitera un déploiement national et plusieurs années de suivi avant de pouvoir être réellement traitée. Cependant, le choix de la question scientifique a orienté les spécificités du dispositif et du protocole. En effet, il s’agit de déterminer quelles sont les influences à l’échelle locale des pratiques de gestion, y compris d’éclairage, et des caractéristiques environnementales sur la structure des communautés de Lépidoptères nocturnes au sein des espaces verts et naturels.

• Développement des outils et sélection des sites pilotes

Le dispositif développé dans le cadre du démonstrateur (figure 3) est constitué d’une lampe LED UV d’une puissance de 9,6W (puissance réelle de 8W) (lien) fixée au-dessus d’une feutrine blanche au format A3 (42 x 29,7 cm) en position portrait servant de support de pose pour les insectes attirés par la lumière. La lampe s’allume automatiquement grâce à un détecteur d’obscurité. Elle est alimentée en 12V par 2 blocs de batteries étanches. Elle est située à 1 m du sol. Les insectes sont pris en photographie de manière automatique à l’aide d’un smartphone (caméra de 13 Mpxl – lien), qui se déclenche automatiquement toutes les 15 minutes, avec 3 photographies prises par pas de temps dans le cas où un insecte en vol passerait devant la caméra. Le tout, waterproof, est maintenu par des tubes en aluminium et planté dans le sol à l’aide d’un pieu de fondation.

Il s’agit d’un produit minimum viable (i.e. une version de dispositif rassemblant uniquement des fonctionnalités élémentaires), qui nécessitera encore des améliorations. Par exemple, l’application smartphone utilisée pour prendre des photographies est une application qui existait avant le développement du dispositif. Elle manque de fiabilité et d’ergonomie, et consomme énormément d’énergie. Elle sera donc remplacée par la suite.

Le protocole repose sur la mise en place de trois dispositifs par site sur un même habitat (lorsque cela est possible) afin d’évaluer la réplicabilité entre dispositifs. Les dispositifs sont placés de manière à ne pas être en compétition les uns avec les autres (ex : présence d’une végétation faisant écran, ou distance de minimum 100m quand aucun écran n’est possible). Les relevés sont effectués une nuit par session, en dehors de la pleine lune et d’une fenêtre de dix nuits autour de la pleine lune. Ils sont répétés de juillet à septembre avec 14 jours entre chaque session d’échantillonnage. Afin de spécifier l’habitat où sont installés les dispositifs, la fiche du protocole Propage (protocole de sciences participatives de suivi des papillons diurnes également à destination des gestionnaires d’espaces verts et naturels et animé par Noé en collaboration avec Vigie Nature) est employée.

De plus, les coordonnées GPS de chaque dispositif est renseigné. 15 sites pilotes sont actuellement suivis. Sur le 15^ème site, qui se situe au jardin des plantes du Muséum national d’Histoire naturelle, des suivis sur plusieurs nuits d’affilées sont également réalisées pour évaluer la réplicabilité temporelle du dispositif. Au total, entre 5 et 6 sessions d’échantillonnage seront effectuées au cours du démonstrateur. Enfin, les Lépidoptères nocturnes sont identifiés par André Claude, expert lépidoptériste lorrain, après un tri sur les photographies pour garder une seule photo sur les trois prises toutes les 15 minutes. Cette étape permettra de générer in fine une base de données de photographies annotées qui seront utilisables dans le cadre du développement ultérieur d’un algorithme d’intelligence artificielle pour automatiser la segmentation et l’identification des insectes à un niveau taxonomique encore à définir.

• Des premiers résultats

Les photographies effectuées à l’aide du dispositif Lépinoc sont de qualité satisfaisante pour garantir l’identification au moins en partie des insectes (Figure 4).

Il existe cependant une forte variabilité selon l’emplacement sur la feutrine : les insectes au centre sont plus facilement identifiables que les insectes proches de la lampe à cause d’un contre-jour généré par cette dernière (tableau 1).

Entre mi-juin et mi-juillet, environ 3 200 Lépidoptères nocturnes ont été photographiés. Cependant, une partie d’entre eux sont des doublons (i.e. un même individu est présent sur plusieurs photographies). Sur ces 3 200 Lépidoptères, 60% n’ont pas du tout pu être identifié, 40% ont pu l’être à la famille, 28% au genre et 20% à l’espèce.

Au total, 14 familles ont été observées (figure 5) avec une majorité de Geometridae (≃15% des Lépidoptères identifiés), d’Erebidae (≃9%), de Tortricidae (≃4%), de Lasiocampidae, de Crambidae, de Pyralidae (≃3% pour chacune de ces familles) et de Noctuidae (≃2%). 56 genres ont été répertoriés, avec une majorité d’Eilema (≃8%), d’Idaea (≃6%), de Malacosoma (≃3%), de Peribatodes (≃2%) et d’Endotricha (≃2%). Enfin, 49 espèces ont été identifiées, les plus abondantes étant Iadea rusticata (≃4%), Malacosoma neustria(≃3%), Eilema lurideola, Endotricha flammealis et Peribatodes rhomboidaria (≃2% pour chacune de ces trois espèces).

Enfin, de nombreux autres insectes et invertébrés appartenant à d’autres ordres sont également pris en photographie mais ne sont pour le moment pas analysés (ex : Trichoptères, Coléoptères, Éphéméroptères, Diptères, Hyménoptères). Des interactions proies-prédateurs ont également pu être observées, ouvrant Lépinoc à d’autres suivis que celui des seuls Lépidoptères nocturnes.

• Perspectives et conclusion de cette première étape du projet Lépidoc

Le dispositif Lépinoc et son protocole sont prometteurs pour développer un protocole de suivi des Lépidoptères nocturnes. Une synthèse sera effectuée fin 2021, et inclura notamment des analysées de données réalisées à partir de l’ensemble des photographies et des identifications obtenues pour évaluer la réplicabilité du dispositif, mais également des évaluations de la prise en main du dispositif et du protocole par les gestionnaires.

Cependant, plusieurs freins ont déjà été identifiés et nécessiteront d’être améliorés. Il s’agit notamment d’améliorer l’application et de rendre le dispositif moins sensible. En effet, sous sa forme actuelle, une modification même légère de l’orientation de la feutrine ou du téléphone peuvent générer des photographies floues et plus difficilement identifiables. De manière plus générale, la qualité des photographies pourrait être améliorée, par exemple en améliorant le système d’éclairage. Enfin, la complexité du dispositif actuel rendre leur prise en main par les gestionnaires parfois délicate. Il sera donc nécessaire de le simplifier par la suite. Ces améliorations, pour lesquelles nous sollicitons toute personne intéressée pour nous aider bénévolement, seront en partie l’objet de la seconde phase de Lépinoc : sa phase d’industrialisation qui se déroulement de 2022 à 2023, avant un déploiement national espéré à partir de 2024.

Au cours de cette phase d’industrialisation, plusieurs grands chantiers seront entrepris en plus de l’amélioration dispositif : 1) l’optimisation du protocole, 2) le développement d’un système d’animation pour les différents publics cibles du protocole, 3) la mise en place d’un système de stockage des données et 4) le développement de l’automatisation du traitement des données par intelligence artificielle et d’un protocole d’intelligence collective pour l’identification simplifiée des Lépidoptères nocturnes.

Pour conclure, Lépinoc est un projet innovant avec plusieurs forces qui permettront, nous l’espérons, de générer un réseau de suivi national des Lépidoptères nocturnes ainsi qu’un protocole de sciences participatives permettant de sensibiliser de nombreux citoyens à cette incroyable biodiversité nocturne.

En effet, Lépinoc :

• Permettra d’acquérir des données sur le long terme (sous forme de séries temporelles), nécessaires en France pour amélioration la conservation des Lépidoptères nocturnes. Ces données sont encore largement lacunaires alors que les Lépidoptères nocturnes sont à la fois très diversifiés et au rôle important dans le fonctionnement des écosystèmes ;
• S’inscrit dans une démarche 2.0 de l’écologie, qui vise à intégrer les nouvelles technologies pour l’automatisation de l’acquisition de données. Cette écologie 2.0 repose notamment sur le développement considérable de la vision par ordinateur et l’intelligence artificielle bien que des défis importants sont encore à relevés (ex : données d’entrainement suffisamment nombreuses et de qualité pour les algorithmes d’IA) ;
• Est développé dans une démarche « low tech-low cost », pour permettre une diffusion auprès du plus grand nombre et ainsi assurer une couverture spatiale suffisante pour obtenir des données réellement parlantes ;
• Permettra de sensibiliser à la biodiversité ordinaire. Il ne s’agit pas d’exclure l’humain de l’acquisition de données, mais de l’impliquer sous une autre forme sur des taxons largement ignorés du grand public. Cette sensibilisation, à la croisée des chemins entre écologie et numérique reste à améliorer si ce n’est à inventer, mais pourrait toucher un public varié et peu impliqué dans les sciences participatives ;
• S’inscrit dans une démarche de collaboration entre public et privé, ce projet intéressant à la fois des collectivités comme la région Île-de-France que des groupes industriels engagés dans la biodiversité comme Engie ;
• Contribuera à la poursuite de l’émergence du tiers secteur de la recherche, dans lequel notre association est engagée depuis plus d’une décennie notamment au travers d’autres programmes de sciences participatives comme le Propage.

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Jérémie Goulnik : jgoulnik@noe.org

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Auteur Jérémie Goulnik est écologue et docteur en sciences agronomiques. Il a notamment étudié les relations entre intensification agricole et fonction de pollinisation dans des prairies permanentes. Passionné par l’écologie et les interactions plantes-pollinisateurs, désireux d’utiliser ses connaissances pour la conservation des pollinisateurs sauvages et de leurs habitats, il est désormais chargé de programme Pollinisateurs sauvages chez Noé.

 

Noé Noé est une association de protection de la nature, d’intérêt général et à but non lucratif, créée en 2001 par Arnaud Greth, son Président – Fondateur. Elle déploie en France et à l’international des actions de sauvegarde de la biodiversité pour le bien de toutes les espèces vivantes, y compris de l’espèce humaine. Pour cela, Noé met en œuvre des programmes de conservation d’espèces menacées, de gestion d’espaces naturels protégés, de restauration de la biodiversité ordinaire et des milieux naturels, de reconnexion de l’Homme à la nature, et de soutien aux activités économiques et aux organisations de la société civile favorables à la biodiversité.