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Ecologie marine : diversité, structure, dynamique et fonctionnement des populations et des communautés

Présentation Fronts de sciences Équipe Projets

Contexte général et objectifs scientifiques

Les effets du changement global lié à la fois au dérèglement climatique et à l’augmentation des pressions anthropiques, modifient la structure et le fonctionnement des écosystèmes. La complexité observée dans la nature (systèmes d’interactions) permet aux écosystèmes de persister, de se maintenir ou de se transformer tout en s’adaptant aux variables forçantes. Les processus écologiques intégrant à la fois des variables biologiques, chimiques, physiques et humaines permettent entre autres de maintenir la productivité et la stabilité des écosystèmes. Tout déséquilibre de l’une de ces variables accroît leur risque d’instabilité en menaçant leur durabilité. Les écosystèmes côtiers, les plus vulnérables à ces pressions, peuvent franchir des seuils de non-retour diminuant leur capacité de résilience sur le long terme. Les services écosystémiques naturellement rendus par ces écosystèmes (ressources, filtration, bioremédiation, stabilisation des sédiments, carbone bleu…) sont fragilisés, impactant en retour la relation des populations humaines avec leur environnement. Les thématiques de recherche de l’équipe DISCOVERY sont centrées sur les capacités d’adaptabilité et la résilience des écosystèmes côtiers aux changements globaux à différentes échelles temporelles et spatiales. Dans ce cadre, l’équipe DISCOVERY s’attache à l’étude des populations et des communautés, de leurs habitats, et des fonctions socio-écologiques associées, dans une perspective de compréhension des relations habitats/biodiversité et du fonctionnement des socio-écosystèmes, à des fins prédictives de planification, de gestion, de restauration et de conservation face au changement global.

Structuration

Les populations et communautés au sein des écosystèmes, qu’elles soient benthiques ou pélagiques, animales ou végétales, intègrent dans leur structure et leur fonctionnement les effets du changement global. Il est essentiel de déconvoluer les effets des variations naturelles de ceux des pressions anthropiques, sur le maintien de la biodiversité et des fonctions écologiques (par ex. biogéochimie, flux de matière, ressources, recrutement, migration). La biodiversité des écosystèmes est ici entendue au sens large et s’exprime en termes taxinomique, génétique et fonctionnel, de l’échelle de l’espèce à celle des écosystèmes.

La stratégie de recherche de l’équipe DISCOVERY est définie en quatre Axes de Recherches (AR1-AR4, voir figure) qui visent à caractériser comment les contraintes environnementales naturelles et anthropiques structurent i) la biodiversité des populations et communautés (AR1), ii) l’histoire de vie des individus, la dynamique des populations et leurs migrations (AR2), et iii) les flux d’énergie et de matière au sein des populations, communautés et écosystèmes (AR3). In fine, nos recherches visent à apporter des outils dans la compréhension du fonctionnement des écosystèmes passés et présents en incluant leur composante humaine, pour aider à la mise en place de politiques de gestion, de planification et de conservation des socio-écosystèmes (AR4).

Schéma conceptuel de l’équipe DISCOVERY

Les travaux de l’équipe DISCOVERY s’effectuent sous toutes les latitudes. En milieu tempéré notamment, l’équipe DISCOVERY a acquis de longues séries d’observations passées (paléo-écologie & archéologie) et actuelles permettant les points de départs des analyses des trajectoires des socio-écosystèmes. Dans les régions polaires, sub et inter-tropicales, où les connaissances scientifiques font encore défaut, l’équipe DISCOVERY poursuivra ses recherches disciplinaires (écologie, biologie et biogéochimie) tout en initiant les interactions entre sciences de la nature & sciences humaines.

Les zones géographiques faisant l’objet de travaux au sein de l’équipe DISCOVERY sont :

Tempérées : Mer d’Iroise, Rade de Brest, Golfe de Gascogne, Manche, Nouvelle-Zélande, Méditerranée ;
Tropicales et sub-tropicales : Territoires outre-mers (Antilles, Guyane, Mayotte, Nouvelle-Calédonie, Polynésie française, St Martin), Brésil, Chili, Équateur, Gabon, Îles Galapagos, Mexique, Pérou, Sénégal, Cap Vert, Papouasie-Nouvelle-Guinée ;
Polaires et sub-polaires : St Pierre et Miquelon, Mer Baltique, Mer du Groenland, Mer de Barents, Svalbard, Canada (Golfe du St- Laurent, Baie de Baffin, Mer de Beaufort), Terre-Adélie.

La prise en compte de la complexité des écosystèmes aux différentes échelles spatiales et temporelles sera rendue possible par la combinaison des multiples outils et approches développés et utilisés par l’équipe, couplant observation, expérimentation et modélisation :

Observation : taxonomie animale et végétale, taxonomie moléculaire, monitoring biologique, bio-logging, imagerie (microscopie, benthique 2D & 3D), acoustique active et passive, biomarqueurs trophiques, séries temporelles, sclérochronologie, instrumentation in situ haute fréquence (acoustique, capteurs multi-paramètres, télédétection par drones, satellites,…), navires océanographiques, biostatistiques, planification spatiale législative (droit de l’environnement marin) ;
Expérimentation : bassins d’expérimentation, microcosmes & mésocosmes pélagiques et benthiques (in vitro & in situ), enceintes benthiques, banc d’écophysiologie in/ex natura, populations sentinelles ;
Modélisation : écologie numérique, bioénergétique, biodémographique et biophysique, trophique, biogéochimique, diagénétique et socio-écologique.

L’ensemble de ces travaux s’effectuera dans le cadre de projets de grande envergure à l’échelle nationale, européenne et internationale (ANR, Biodiversea, Green deal, ERC, RISE, LEFE/EC2CO, OFB, Flagship EUR ISblue, Belmont Forum, ECOSUD, MITI CNRS…), actuellement en cours ou à venir (à déposer), en majorité portés par des membres de l’équipe DISCOVERY. Ils s’inséreront également au sein de grands réseaux et/ou laboratoires internationaux (IRP BeBEST2, LMI Discoh 2, Tapioca, GDRi, GDR LIGA et JEAI).

Axe de Recherche 1: Description et analyse de la biodiversité

Animation : Cécile Klein (UBO), Gauthier Schaal (UBO)

Cet axe de recherche s’attachera à décrire la variabilité spatiale et temporelle de la biodiversité (benthique, pélagique, et microbienne) observée sur différentes interfaces (eaux côtières, estuaires, vasières, herbiers, estran rocheux, mangroves, récifs, fjords, plateau continental, continuum terre-mer) et sous toutes les latitudes. Afin de comprendre cette variabilité et d’anticiper l’évolution des communautés et de la production primaire face à l’accroissement des pressions anthropiques, il s’agira également de comprendre le lien entre cette variabilité et la variabilité spatio-temporelle des conditions environnementales.

Les objectifs spécifiques de cet AR sont de :

Décrire/identifier de nouvelles espèces issues notamment de milieux encore peu explorés.
Décrire les patrons spatiaux et temporels de diversité benthique, pélagique, animale et végétale (diversité α et γ), intégrée au niveau spécifique, génétique, fonctionnelle ou écosystémique.
Identifier les échelles pertinentes auxquelles les variations de la diversité renseignent sur les processus écologiques gouvernant la structure des communautés (diversité β).
Comprendre les mécanismes d’origine biotique ou abiotique entraînant des modifications de la structure des communautés.
Distinguer l’influence des facteurs d’origine anthropique et naturelle dans la structuration des communautés côtières (par ex. rôle des effets récifs et des Dispositif de Concentration des Poissons (DCP) liés à l’implantation des structures EMR en mer versus rôle des changements climatiques dans la remontée vers le nord d’espèces méridionales).
Améliorer notre capacité à décrire la biodiversité et les habitats dans des écosystèmes variés, afin d’être en mesure d’identifier de nouveaux descripteurs de l’environnement pour statuer sur son fonctionnement et son “état de santé” sous l’effet de différentes variables forçantes.

Projets associés à ce thème : Suivis REBENT et DCE (OFB, région Bretagne, DREAL, Agence de l’eau), projet emblématique BLUE OCEAN (ISblue), projets MANGROVES et MALAG (OFB), Objectif Plancton (Région), RESTROPH (Agence de l’eau, FEAMP), IRL BeBEST 2, GDR LIGA.

Axe de Recherche 2: Cycles de vie et dynamique des populations

Animation : Emmanuelle Cam (UBO), Laure Pecquerie (IRD), Yoann Thomas (IRD), Stéphane Pouvreau (Ifremer)

Les populations marines répondent aux conditions de leur habitat et à la fluctuation des ressources environnantes. Dans le contexte actuel de pressions environnementales multiples et croissantes, étudier l’effet des facteurs environnementaux sur le cycle de vie des organismes et la dynamique des populations qui en découle constitue une action de recherche prioritaire. Inscrite dans la lignée de l’AR 3 du précédent quinquennal, ce nouvel AR élargit son périmètre d’étude à l’ensemble des phases du cycle de vie et ambitionne d’aller jusqu’à la dynamique spatiale et temporelle des populations sous contraintes environnementales. Il s’agira notamment d’évaluer l’importance que joue la variabilité des traits d’histoire de vie individuels à l’échelle des populations.

Plus précisément, cet AR s’intéresse aux effets des changements spatio-temporels des conditions environnementales sur les différentes phases du cycle de vie des espèces marines et leurs conséquences sur la dynamique et la biogéographie des populations. Cela passe par une étude des performances de développement, de croissance, de reproduction et de survie à l’échelle individuelle et de la phénologie, des capacités de dispersion, de migration, de connectivité et de recrutement à l’échelle des populations. Cet AR utilise pour cela différents modèles biologiques pertinents et bien connus de notre laboratoire (invertébrés marins, poissons, oiseaux, phytoplancton, macroalgues) et met en œuvre une large gamme d’outils in ou ex natura, en interaction avec les autres AR, pour étudier les processus spatio-temporels autour du triptyque : Observation, Modélisation et Expérimentation.

Cette meilleure compréhension de la réponse des individus et des populations aux pressions actuelles permettra de proposer des outils de prédictions et d’envisager des solutions de conservation, de restauration ou d’usage durable des ressources marines. Cet AR sera en forte interaction avec l’équipe PANORAMA sur les questions de variabilité intraspécifique (AR : Variabilité populationnelle et potentiel évolutif face aux contraintes environnementales).

Les objectifs spécifiques de cet AR sont de :

Décrire et quantifier les effets des contraintes environnementales naturelles et anthropiques sur les différentes phases du cycle de vie des espèces marines.
Évaluer comment ces réponses au niveau individuel structurent les populations.
Identifier et proposer des méthodes pour conserver et/ou restaurer les populations et mieux gérer leur exploitation.

Projets associés à ce thème : ANR IROCWA, projets MASCOET (France Filière Pêche), FOREVER (FEAMP),
et ECOSCOPA-VELYGER (DPMA), LMI Discoh 2.

Axe de Recherche 3: Étude des transferts de matière et d’énergie au sein des populations, des communautés et des écosystèmes

Animation : Anne Lebourges-Dhaussy (IRD), Anne Lorrain (IRD), Philippe Pondaven (UBO)

Les flux d’énergie, d’éléments et de leurs composés sont abordés à différents niveaux d’intégration du monde vivant : i.e. de l’individu vers la population, la communauté et l’écosystème. Cet AR vise à décrire et comprendre comment les pressions environnementales, qu’elles soient biotiques, abiotiques, d’origine naturelle ou anthropique, influent sur les transferts de matière et d’énergie au sein des milieux pris à toutes les échelles citées ci-dessus. Les transferts de matière d’éléments majeurs (N, C, P) mais aussi de certains métaux (ex. Hg) entre le milieu marin et les organismes benthiques et/ou pélagiques seront ainsi étudiés en fonction de la physiologie des organismes, de leur régime et écologie alimentaire, de leurs activités de bioturbation, des interactions intra et interspécifiques et des conditions environnementales. Les flux sont compris ici du régional au global, et des zones littorales à l’océan ouvert, comprenant ainsi des études sur le continuum et aux différentes interfaces.

Ces études sont menées sur un plusieurs « objets d’études modèles » (espèce, population, communautés ou écosystèmes) en lien avec les autres AR de l’équipe DISCOVERY qui traitent plus spécifiquement de la dynamique des populations ou des métapopulations, mais également avec les AR de l’équipe CHIBIDO qui abordent des questions liées à la spéciation des éléments chimiques, aux cycles biogéochimiques en lien avec la dynamique océanique et le long du continuum terre-mer.

Les objectifs spécifiques de cet AR se distinguent en fonction du niveau d’organisation abordé :

A l’échelle individuelle : effet des contraintes environnementales sur l’allocation de l’énergie et des éléments entre la croissance somatique et la reproduction ;
A l’échelle de la population : effet de ces mêmes contraintes sur différents « traits » (position trophique des organismes, natalité/mortalité, dispersion, etc.) et leurs conséquences sur les flux ;
A l’échelle des communautés : rôle fonctionnel de la biodiversité sur les flux de matière et d’énergie dans différents systèmes benthiques ou pélagiques ;
A l’échelle des écosystèmes : interactions/rétroactions entre le fonctionnement de l’écosystème et, d’une part, les flux de matière aux échelles inférieures et, d’autre part, les conditions environnementales.

Projets associés à ce thème : ANR HIPPO et SOLAB, Projet emblématique OMEGA (ISblue), projets COMEBACK (NSC Pologne), DiNAMIC (LEFE-EC2CO), MICROPAC (LEFE), LMI TAPIOCA, GDR LIGA.

Axe de Recherche 4: Observation, dynamique des écosystèmes et transition socio-écologique

Animation : Olivier Gauthier (UBO) et Olivier Ragueneau (CNRS)

L’ensemble des travaux issus des AR1 à AR3, résultant de l’observation, de l’expérimentation et de la modélisation, de l’échelle de l’individu à celle des écosystèmes, produit des jeux de données extrêmement complexes. Cette complexité s’accroît encore lors du passage de l’étude de l’écosystème à celle du socio-écosystème, notamment lorsque la dimension humaine est prise en compte non seulement en tant que forçage mais également dans les rétroactions des variations de l’environnement sur les activités humaines tout au long du continuum terre-mer. L’objectif de cet AR4 est de co-produire de nouveaux descripteurs de la complexité de ces socio-écosystèmes permettant de faciliter, grâce au renforcement de l’interdisciplinarité entre les sciences de la nature et de l’ingénierie et les sciences humaines et sociales, ainsi qu’à un rapprochement très fort avec les acteurs des territoires, la mise en œuvre d’une co-gestion adaptative des socio-écosystèmes étudiés dans une perspective de durabilité (e.g. ODD 14).

Pour que cette complexité puisse être réellement intégrée à la décision en matière de soutenabilité, il nous faut tout d’abord être en mesure de mettre en œuvre l’analyse conjointe de séries d’observation qui diffèrent par leurs caractéristiques, notamment la fréquence, l’effort, et la répartition spatiale de l’échantillonnage, mais aussi, par les variables mesurées et l’espace-temps exploré. Cette approche n’est alors possible que dans un cadre où ces séries initiales sont d’abord utilisées pour décrire les trajectoires de chacun des systèmes étudiés et où l’analyse et la comparaison de ces dernières deviennent le point focal de l’étude. Un tel cadre est ici proposé pour l’écologie des communautés du fait de la combinaison possible des outils multiples de l’équipe et nous souhaitons l’étendre à l’approche socio-écosystémique. L’approche interdisciplinaire est alors indispensable, par exemple pour combiner de longues séries temporelles issues de la paléo-écologie et de l’archéologie, de séries d’observations à fortes résolutions spatiale et temporelle au moyen d’outils statistiques, acoustique, d’imagerie ou de télédétection, ou encore pour combiner l’analyse écologique d’un scénario de type pression-réponse avec des analyses plus sociales et économiques (thèmes 3 et 4 d’ISblue, programme stratégique “Intégration environnementale” de l’ITE FEM).

Traiter de la pertinence de ces développements au regard de la question de la durabilité implique également de passer de l’inter- à la transdisciplinarité en développant d’étroites interactions avec les différents acteurs des territoires étudiés. Ceci permettra de co-construire des scénarios pour simuler les impacts du changement climatique et de l’anthropisation locale et pour mener des expérimentations socio-écologiques, telles qu’actuellement développées dans le réseau des zones ateliers. Ces expérimentations seront destinées à stimuler des changements de pratiques à terre comme en mer et à étudier leurs conséquences, tant sur l’environnement que sur les activités humaines.

Projets associés à ce thème : Suivi REBENT (Région Bretagne), Projet BIOGEOMORPHO (ISblue), GDR LIGA, RISE Paddle, Zone atelier ZABRI, Objectif plancton, ANR Appeal.