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).

L’écologie chimique

Les environnements côtiers présentent une grande diversité et de fortes biomasses en organismes benthiques. L’étude de ces organismes revêt une importance notable à différents niveaux, i.e. sociétal, économique et scientifique. Dans ces milieux, les organismes marins présentent des adaptations physiologiques aux contraintes biotiques et abiotiques, d’origine naturelle et/ou anthropique, en produisant des métabolites primaires et/ou secondaires originaux. Ces métabolites jouent un rôle très important dans la structuration des communautés pélagiques et benthiques de ces milieux. Produites à la surface des organismes, ces molécules peuvent agir sur les micro-organismes de surface. Pour celles produites dans la colonne d’eau, comme les molécules allélopathiques par exemple, elles sont très actives et souvent labiles. Le rôle de la microflore associée à ces organismes marins, dans la production des molécules de défense, est également un sujet d’actualité et d’intérêt notoire.
Selon la prospective d’écologie chimique publiée par l’INEE, les études en Écologie chimique participent à la fois à la connaissance issue de la recherche fondamentale, mais également au développement d’applications de ces connaissances.

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.

Nouvelles méthodologies d’observation du milieu marin côtier

De nouvelles méthodologies d’observation des milieux marins côtiers sont en cours de développement. Parmi elles il y a l’acoustique sous marine et de l’accélérométrie, tant à l’échelle individuelle (éthologie) que de la communauté (écologie, observation, surveillance). Ce travail déjà largement initié en milieux tempérés (à Brest et à Rimouski) en lien avec le LIA BeBest et avec le partenaire INP Grenoble. Déjà conduites par le LEMAR en rade de Brest, en mer d’Iroise, en Arctique et en Nouvelle Calédonie, les recherches dans ce domaine nous ont permis d’étudier très précisément la métamorphose, les mouvements et l’énergie qui sont associées, sur des invertébrés benthiques aux situations de stress sonores, hypoxiques, toxiques ou encore thermiques. Nous avons de solides arguments pour dire que cette approche, visant à mettre au point l’utilisation de nouveaux capteurs est porteuse d’avancées notables en écologie marine des milieux subtidaux. L’acoustique passive offre l’énorme avantage d’être insensible à l’état de la mer et de ne pas être intrusive.

Approche rétrospective des écosystèmes marins

L’étude de l’information structurelle et géochimique archivée dans les structures carbonatées de nombreux organismes marins (coquilles de bivalves, otolithes de poissons, rhodolithes, et dorénavant les coccolithes) est incontestablement, depuis une quinzaine d’années, l’un des points forts et l’une des spécificités du LEMAR. Ces travaux mettent en lumière le potentiel considérable de ces archives biogéniques comme témoins du fonctionnement actuel et passé des écosystèmes marins. Le LEMAR s’est attaché ces dernières années à calibrer de nouveaux proxies, notamment de la dynamique phytoplanctonique grâce aux coquilles de bivalves (Li/Ca, Mo/Ca, Ba/Ca) ou de l’acidification des océans et du changement climatique grâce aux coccolithes (Li/Mg, B/Ca, δ11B), études marquées par la publication d’articles pionniers dans ce domaine. Il s’agira de comprendre les mécanismes biogéochimiques contrôlant l’incorporation de certains traceurs, et potentiellement de nouveaux proxies, dans ces archives carbonatées. Cette approche mécaniste impliquera nécessairement la mise en oeuvre d’expérimentations en conditions contrôlées (désormais rendues possibles par l’intégration de l’unité PFOM de l’Ifremer en 2012 et grâce à nos développements méthodologiques qui permettent de reproduire expérimentalement les forçages physico-chimiques dans des conditions représentatives du milieu naturel), la mise en place, en Rade de Brest, d’un observatoire très haute-fréquence des conditions environnementales, mais devra également passer par une approche modélisatrice de l’incorporation des éléments traces et isotopes stables dans ces archives carbonatées (e.g. modèles de type DEB).