Couplage physique océanique et biologie

La dynamique océanique se structure sur des échelles allant du millier de kilomètres (bassin), à quelques mètres, en passant par la dizaine/centaine de kilomètres (tourbillons, fronts). Cette dernière échelle (méso et sub méso échelle) concentre 90% de l’énergie des masses d’eau. Ces échelles intermédiaires et petites sont associées à des mouvements verticaux agéostrophiques qui jouent un rôle prépondérant sur le transport des traceurs (substrats nutritifs), sur la distribution de zones de divergence / convergence des courants océaniques et sur l’hétérogénéité des habitats marins (tourbillons, filaments). Les données satellitales et acoustiques mettent en lumière l’impact important de ces échelles sur l’activité biologique marine et sur la variabilité spatiale des écosystèmes, impact pouvant être analysé et compris grâce à la modélisation numérique. Les progrès en puissance de calcul et en méthodes d’observation permettent d’aborder frontalement ces processus à moyenne et petite échelle, essentiels pour quantifier les flux de matière et la structuration des réseaux trophiques marins. L’expertise au sein du LEMAR en modélisation et observation (en particulier l’acoustique active) permet aux chercheurs de l’unité de progresser significativement dans ce domaine de pointe, en relation forte avec le LabexMer (Axe 1 : La machine océan à très haute résolution ; Axe 2 : La complexité et l’efficacité de la pompe biologique de carbone ; Axe 6 : Evolution des habitats marins et adaptation des populations). Les trois axes de recherche privilégiés concernent :
● La biodiversité planctonique à méso échelle
● L’export de carbone vers l’océan profond
● La distribution et le comportement des échelons intermédiaires (zooplancton, myctophidés) et supérieurs (éléphants de mer).

L’étude du continuum terre-mer

La zone côtière, à l’interface entre le système terre et le système mer, concentre un ensemble d’interfaces et de gradients environnementaux naturels, générant une très forte hétérogénéité à différentes échelles spatio-temporelles. Les questionnements scientifiques sont donc nombreux pour tenter de mieux comprendre la nature et la dynamique des flux et des forçages physiques, biologiques, géochimiques, et leurs interactions et rétroactions (prospective SIC-INSU). Extrêmement dynamique et complexe, cette zone côtière est également le siège de nombreuses facettes du changement global avec le changement climatique bien sûr, mais également des pressions anthropiques fortes et croissantes liées à l’urbanisme, à l’aménagement du territoire, à l’exploitation des ressources minérales et vivantes, à terre comme en mer. Dans ce contexte, nos objectifs sont triples :
● développer une approche intégrée des transferts de matière dissoute et particulaire de la terre à la mer, combinant observation, études de processus et modélisation dans les estuaires et en zone côtière, pour mieux comprendre la réponse de l’écosystème côtier aux forçages physiques, biogéochimiques et biologiques, terrestres et océaniques (Axe 1 de l’équipe 3) ;
● anticiper l’évolution possible de l’écosystème côtier en réponse au changement global, en développant des scénarios décrivant la réponse des organismes et de l’écosystème côtier à l’interaction de différentes facettes du changement global : changement climatique, changement de pratiques agricoles, évolution (naturelle ou non) des espèces invasives (Axe 1 de l’équipe 3, liens forts à développer avec l’AR5 de l’équipe 2), et
● développer une approche transdisciplinaire permettant la co-construction de ces scénarios et leur analyse avec les acteurs concernés, dans une optique d’aide à la décision en matière de gestion soutenable du socio-écosystème côtier (liens avec l’axe « Rade de Brest » et avec l’axe « indisciplinés », liens avec les autres composantes de l’IUEM).

Impacts des changements environnementaux

Les écosystèmes côtiers sont caractérisés par une forte variabilité naturelle à haute fréquence des principaux facteurs abiotiques.

Déterminer les réactions possibles des communautés vivantes aux pressions d’origine anthropique (contamination chimique et plastique, réchauffement climatique, eutrophisation, surexploitation des ressources vivantes) qui génèrent un changement global avéré, est un réel défi pour les scientifiques environnementalistes. En milieu marin côtier où se concentre l’essentiel de la productivité écologique, l’impact des pollutions chroniques pose des questions supplémentaires aux gestionnaires de ces milieux et aux producteurs de ressources halieutiques et aquacoles. Certaines altérations (génotoxicité, immunotoxicité, reprotoxicité) entraînent des effets populationnels pouvant compromettre le maintien de certaines espèces dans les milieux touchés.

Le nombre de sites côtiers de l’océan mondial soumis, plus ou moins régulièrement et de manière plus ou moins prononcée, à des événements d’hypoxie voire d’anoxie augmente dramatiquement depuis les années 1950. Le plus souvent, ces phénomènes sont l’une des conséquences de l’eutrophisation des zones côtières, liée aux apports de plus en plus massif de nutriments dans ces eaux. Ces derniers stimulent la production phytoplanctonique qui, en sédimentant, induit une consommation massive d’O 2 dissous à l’interface eau-sédiment (dégradation bactérienne de cet afflux de matière organique). Lorsque les eaux sont stratifiées (e.g. pendant l’été), la couche de fond se retrouve isolée et se voit soumise à des épisodes d’hypoxies plus ou moins prolongés, avec des conséquences graves sur les biocénoses benthiques.

Face aux diverses pressions environnementales, les organismes marins présentent des réponses adaptatives de nature comportementale, physiologique (plasticité phénotypique), ontogénique et évolutive qui se répercutent individuellement sur leurs traits de vie et, au niveau individuel et populationnel, sur la dynamique spatio-temporelle.

Grâce à la combinaison d’approches expérimentales (en laboratoire ou in situ) et d’études d’observation sur le terrain le LEMAR conduira plusieurs types d’approches dont :

  • Approche mécanistique : caractériser les réponses adaptatives d’individus issus de populations provenant de sites contrastés sur le plan de l’exposition aux contaminations chroniques.
  • Approche diagnostique : appliquer des descripteurs phénotypiques correspondant à des perturbations de systèmes physiologiques essentiels tels que le métabolisme énergétique, le système immunitaire, particulièrement déterminants pour la survie et le développement des populations.

La Silice et le cycle du silicium

Cet objectif ambitieux nécessite d’identifier et de quantifier les sources et les puits de silicium aux interfaces et de décrire la dynamique interne du cycle dans différents écosystèmes et à l’échelle globale. Au LEMAR nous nous intéressons plus particulièrement aux rôles de différents silicifiés non seulement dans le cycle du silicium, mais aussi dans les autres cycles biogéochimiques majeurs et dans le fonctionnement des écosystèmes.

Le cycle du silicium est une thématique historique du LEMAR. Nous avons développé une approche transdisciplinaire, incluant la chimie, la biogéochimie, la biochimie, la physiologie et la biologie, et utilisons différents outils expérimentaux et de modélisation et des approches multi-échelles depuis des expériences au laboratoire qui permettent de mieux comprendre les processus influençant le cycle jusqu’à de grandes campagnes d’observation du milieu naturel. Nous avons récemment créé une « école du silicium » internationale réunissant un consortium d’universités et d’organismes qui offrent des possibilités d’enseignement et de recherche de niveau supérieur et un cours d’apprentissage en ligne (en cours de développement) sur le thème « La silice : de la poussière stellaire au monde vivant ». Le consortium Silica School regroupe actuellement 23 instituts de recherche marine de 11 pays et continue à se développer.

Les silicifiants sont des organismes vivants qui profitent de l’abondance du silicium (le silicium est le deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre) pour construire des architectures silicifiées (en silice biogénique) à partir de la silice dissoute dans l’eau (acide orthosilicique ou silicates). Leurs squelettes de silice biogénique peuvent notamment contribuer à améliorer leur résistance physique, à les protéger des prédateurs, à leur motilité ou à aider la pénétration de la lumière et des nutriments dans les cellules. Dans le domaine marin, les diatomées jouent un rôle clé dans les réseaux trophiques des écosystèmes côtiers ou océaniques les plus productifs, ainsi que dans la production d’oxygène dont nous dépendons et dans le transfert du CO2 de la surface vers l’intérieur des océans (la pompe biologique du carbone). La physiologie et la biochimie des diatomées pélagiques ont fait l’objet d’études approfondies, mais de nombreuses lacunes subsistent quant aux mécanismes leur permettant de biosynthétiser la silice biogénique dans des conditions naturelles loin de celles nécessaires à la production du verre dans l’industrie. Leur rôle dans la pompe biologique de carbone et plus généralement le lien entre les cycles Si et C doivent également être réévalués.

De plus, les récentes rencontres entre les spécialistes internationaux du silicium initiées par le LEMAR (SILICAMICS et SILICAMICS 2) mettent en évidence que les silicifiants autres que les diatomées pélagiques ne peuvent plus être négligés. Nous avons donc élargi nos recherches pour prendre en compte les diatomées benthiques, les diatomées des glaces, les éponges, les picocyanobactéries, et certains rhizarias qui contribuent à la dynamique du cycle du silicium et au fonctionnement de nombreux écosystèmes de façon plus importante que ce qui était cru jusqu’à présent.

Projets actuels étudiants le cycle du Si: BIOPSIS, RADICAL

dernières publications du laboratoire sur le sujet:
– Leynaert, A., Fardel, C., Beker, B., Soler, C., Delebecq, G., Lemercier, A., et al. (2018). Diatom Frustules Nanostructure in Pelagic and Benthic Environments. Silicon. doi:10.1007/s12633-018-9809-0.

– Sutton, J. N., André, L., Cardinal, D., Conley, D. J., de Souza, G. F., Dean, J., et al. (2018). A Review of the Stable Isotope Bio-geochemistry of the Global Silicon Cycle and Its Associated Trace Elements. Front. Earth Sci. 5, 112. doi:10.3389/feart.2017.00112.

– Moriceau B., et al. Moriceau, B., Iversen, M. H., Gallinari, M., Evertsen, A.-J. O., Le Goff, M., Beker, B., et al. (2018). Copepods Boost the Production but Reduce the Carbon Export Efficiency by Diatoms. Front. Mar. Sci. 5. doi:10.3389/fmars.2018.00082.

– Toullec, J., and Moriceau, B. (2018). Transparent Exopolymeric Particles (TEP) Selectively Increase Biogenic Silica Dissolution From Fossil Diatoms as Compared to Fresh Diatoms. Front. Mar. Sci. 5, 102. doi:10.3389/fmars.2018.00102.

– Paul Tréguer, Chris Bowler, Brivaela Moriceau, Stephanie Dutkiewicz, Marion Gehlen, Olivier Aumont, Lucie Bittner, Richard Dugdale, Zoe Finkel, Daniele Iudicone, Oliver Jahn, Lionel Guidi, Marine Lasbleiz, Karine Leblanc, Marina Levy, Philippe Pondaven (2018): Influence of diatom diversity on the ocean biological carbon pump, Nature Geosciences 11, 27-37. doi:10.1038/s41561-017-0028-

Research topic dans Frontiers in Marine Sciences: Biogeochemistry and Genomics of Silicification and Silicifiers

Le cycle des métaux-traces

L’étude du cycle des métaux traces est une des thématiques fortes du LEMAR. Améliorer notre connaissance sur le cycle des métaux est crucial pour mieux comprendre et quantifier les cycles biogéochimiques océaniques des éléments majeurs (C, Si, N, S) et la pompe biologique de carbone. L’analyse des métaux traces et leur spéciation est particulièrement difficile car leurs concentrations sont extrêmement faibles et leur cycle est complexe. Le LEMAR est un des laboratoires reconnus internationalement pour l’étude du cycle des métaux traces, notamment grâce à l’utilisation et le développement de techniques de pointe (SF-ICP-MS dans le cadre du PSO, FIA, voltammétrie). Notre expertise à la fois sur la phase dissoute et particulaire nous permettra d’étudier les interactions entre ces deux réservoirs, notamment aux interfaces océaniques. Ces interactions sont très peu étudiées à l’heure actuelle et pourtant fondamentales pour mieux appréhender la biodisponibilité des métaux. Cette thématique renforcera notre visibilité internationale, notamment dans le cadre de nouvelles campagnes océanographiques GEOTRACES.