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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).

Biotechnologies marines

En lien avec le précédent, il s’agit d’un thème de recherche émergent au LEMAR sur lequel l’unité affiche des compétences complémentaires et une expertise unique dans le Grand Ouest. En 2015, 18 permanents ont une activité de recherche liée aux biotechnologies marines. Ces questions seront abordées au travers du triptyque « Recherche – Formation – Transfert technologique ». Il s’agit de tirer parti des connaissances acquises sur la biodiversité marine et l’écologie chimique, pour :
● isoler et caractériser des substances bio-actives, et pour certains composés, d’identifier leurs voies de biosynthèse,
● explorer les mécanismes de la communication chimique entre les organismes et leur environnement, à tous les niveaux d’échelle,
● comprendre les mécanismes d’adhésion et les interactions hôtes-pathogènes,
● pour imaginer les développements biotechnologiques de demain dans des domaines innovants tels que les approches biomimétiques
● pour le développement de matériaux biocompatibles ou l’émergence de produits naturels issus de démarches durables, la lutte contre le biofouling ou certaines pathologies des organismes marins, notamment les invertébrés.

Les thèmes de recherche retenus visent ainsi à :
● favoriser l’émergence de synergies entre les acteurs des biotechnologies marines de quatre laboratoires du Labex Mer (LEMAR/LBCM/LM2E et RDT-Ifremer),
● accroître la visibilité des biotechnologies marines au sein de l’IUEM-UBO, et enfin
● tisser des liens forts avec des acteurs clés du monde économique, qui sont identifiés au sein d’entreprises, de centres de transfert et d’innovation, et des pôles de compétitivité.

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.

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