L'une des principales sources d'incertitude des projections climatiques globales tient à l’activité microbienne des sols : dans quelle mesure le réchauffement de la planète entraînera-t-il une augmentation des concentrations de CO2 dans l'atmosphère du fait d’une décomposition accrue de la matière organique par les communautés microbiennes des sols ? Mieux évaluer, voire réduire, cette incertitude requiert le développement de modèles mathématiques mécanistes reliant la décomposition à la dynamique des communautés microbiennes et l’intégration de ces modèles dans les simulations globales. Les modèles mathématiques de décomposition de la matière organique du sol représentent explicitement le compartiment microbien et sont donc à même de mettre en relation biomasse microbienne, production d’enzymes de dégradation de la matière organique, stocks de carbone du sol. Formulés dans le contexte du changement climatique, ces modèles se sont concentrés sur les mécanismes physiologiques et écologiques des réponses microbiennes à l’augmentation de la température, ignorant les effets possibles de l'adaptation évolutive. Ma thèse vise à combler cette lacune, en évaluant l'hypothèse selon laquelle l'adaptation évolutive microbienne au réchauffement peut avoir un impact significatif sur le cycle global du carbone. Après avoir passé en revue des modèles de décomposition microbienne mécanistes et non évolutifs, je construis un modèle stochastique spatialement explicite et éco-évolutif, basé sur des processus microscopiques des cellules et des molécules extracellulaires. J'utilise une approximation du modèle (spatialement implicite, déterministe) pour étudier la réponse éco-évolutive au réchauffement d'un système microbe-enzyme du sol, dans trois scénarios possibles d’influence de la température sur l'activité microbienne. En l'absence d'évolution microbienne, le réchauffement entraîne une perte de carbone dans le sol (une accélération du changement climatique) dans tous les scénarios. L'adaptation évolutive microbienne aggrave généralement la perte de carbone du sol dans les écosystèmes froids et peut aggraver, amortir ou même inverser la perte de carbone (et donc augmenter la séquestration du carbone) dans les écosystèmes chauds. En contraignant le modèle avec les observations de cinq biomes distincts je montre que l'aggravation évolutive de la perte de carbone du sol est l’issue la plus probable. Enfin, en intégrant mon modèle éco-évolutif dans une projection globale des stocks de carbone du sol à l'échelle de la Terre, je confirme la prévision d'une aggravation mondiale significative de la perte de carbone dans le sol due à l'évolution microbienne. Les sols dormants, dans lesquels l'activité microbienne est très faible, jouent un rôle particulier dans la dynamique éco-évolutive à long terme du carbone du sol global, car dans ces régions, l'effet négatif de l'évolution sur les stocks de carbone du sol ne se manifesterait pas avant la sortie de la dormance microbienne et pourrait de fait s’en trouvé différé de plusieurs décennies. En conclusion, mes travaux constituent un premier pas vers des modèles de prédiction de la dynamique éco-évolutive du cycle du carbone. Ils ouvrent la voie à un programme de recherche qui testerait de manière empirique les prédictions des modèles sur le rôle des mécanismes évolutifs dans différents types d’écosystèmes terrestres, en exploitant les archives de plus en plus riches de données métagénomiques des sols pour quantifier les variations des fonctions métaboliques microbiennes et leurs réponses à la sélection.