Metatranscriptome of human faecal microbial communities in a cohort of adult men

The gut microbiome is intimately related to human health, but it is not yet known which functional activities are driven by specific microorganisms\u27 ecological configurations or transcription. We report a large-scale investigation of 372 human faecal metatranscriptomes and 929 metagenomes from a subset of 308 men in the Health Professionals Follow-Up Study. We identified a metatranscriptomic \u27core\u27 universally transcribed over time and across participants, often by different microorganisms. In contrast to the housekeeping functions enriched in this core, a \u27variable\u27 metatranscriptome included specialized pathways that were differentially expressed both across participants and among microorganisms. Finally, longitudinal metagenomic profiles allowed ecological interaction network reconstruction, which remained stable over the six-month timespan, as did strain tracking within and between participants. These results provide an initial characterization of human faecal microbial ecology into core, subject-specific, microorganism-specific and temporally variable transcription, and they differentiate metagenomically versus metatranscriptomically informative aspects of the human faecal microbiome

Stability of the human faecal microbiome in a cohort of adult men

Characterizing the stability of the gut microbiome is important to exploit it as a therapeutic target and diagnostic biomarker. We metagenomically and metatranscriptomically sequenced the faecal microbiomes of 308 participants in the Health Professionals Follow-Up Study. Participants provided four stool samples—one pair collected 24–72 h apart and a second pair ~6 months later. Within-person taxonomic and functional variation was consistently lower than between-person variation over time. In contrast, metatranscriptomic profiles were comparably variable within and between subjects due to higher within-subject longitudinal variation. Metagenomic instability accounted for ~74% of corresponding metatranscriptomic instability. The rest was probably attributable to sources such as regulation. Among the pathways that were differentially regulated, most were consistently over- or under-transcribed at each time point. Together, these results suggest that a single measurement of the faecal microbiome can provide long-term information regarding organismal composition and functional potential, but repeated or short-term measures may be necessary for dynamic features identified by metatranscriptomics

Association Between Sulfur-Metabolizing Bacterial Communities in Stool and Risk of Distal Colorectal Cancer in Men

Background & Aims: Sulfur-metabolizing microbes, which convert dietary sources of sulfur into genotoxic hydrogen sulfide (H2S), have been associated with development of colorectal cancer (CRC). We identified a dietary pattern associated with sulfur-metabolizing bacteria in stool and then investigated its association with risk of incident CRC using data from a large prospective study of men. Methods: We collected data from 51,529 men enrolled in the Health Professionals Follow-up Study since 1986 to determine the association between sulfur-metabolizing bacteria in stool and risk of CRC over 26 years of follow-up. First, in a subcohort of 307 healthy men, we profiled serial stool metagenomes and metatranscriptomes and assessed diet using semiquantitative food frequency questionnaires to identify food groups associated with 43 bacterial species involved in sulfur metabolism. We used these data to develop a sulfur microbial dietary score. We then used Cox proportional hazards modeling to evaluate adherence to this pattern among eligible individuals (n = 48,246) from 1986 through 2012 with risk for incident CRC. Results: Foods associated with higher sulfur microbial diet scores included increased consumption of processed meats and low-calorie drinks and lower consumption of vegetables and legumes. Increased sulfur microbial diet scores were associated with risk of distal colon and rectal cancers, after adjusting for other risk factors (multivariable relative risk, highest vs lowest quartile, 1.43; 95% confidence interval 1.14–1.81; P-trend = .002). In contrast, sulfur microbial diet scores were not associated with risk of proximal colon cancer (multivariable relative risk 0.86; 95% CI 0.65–1.14; P-trend = .31). Conclusions: In an analysis of participants in the Health Professionals Follow-up Study, we found that long-term adherence to a dietary pattern associated with sulfur-metabolizing bacteria in stool was associated with an increased risk of distal CRC. Further studies are needed to determine how sulfur-metabolizing bacteria might contribute to CRC pathogenesis

The development of spontaneous facial responses to others’ emotions in infancy. An EMG study

Viewing facial expressions often evokes facial responses in the observer. These spontaneous facial reactions (SFRs) are believed to play an important role for social interactions. However, their developmental trajectory and the underlying neurocognitive mechanisms are still little understood. In the current study, 4- and 7-month old infants were presented with facial expressions of happiness, anger, and fear. Electromyography (EMG) was used to measure activation in muscles relevant for forming these expressions: zygomaticus major (smiling), corrugator supercilii (frowning), and frontalis (forehead raising). The results indicated no selective activation of the facial muscles for the expressions in 4-month-old infants. For 7-month-old infants, evidence for selective facial reactions was found especially for happy faces (leading to increased zygomaticus major activation) and fearful faces (leading to increased frontalis activation), while angry faces did not show a clear differential response. This suggests that emotional SFRs may be the result of complex neurocognitive mechanisms which lead to partial mimicry but are also likely to be influenced by evaluative processes. Such mechanisms seem to undergo important developments at least until the second half of the first year of life

Structuration spatiale et variabilité des écosystèmes mésopélagiques dans l'Océan Indien Sud

The Southern Indian Ocean hosts diverse oceanic environments, pelagic communities, and predator populations that have recently led to the establishment of conservation areas and UNESCO World Heritage recognition. However, predator populations in this region have displayed signs of decline, likely attributed to the impacts of climate change and prey dynamics. These prey populations consist predominantly of zooplankton and micronekton, playing a crucial role in marine ecosystems by influencing biogeochemical cycles and the transfer of energy and biomass along the trophic web. Nevertheless, the study of their structuring is intricate due to their deep distribution in the mesopelagic zone (200-1000 m) and their daily vertical migrations, making it one of the least explored areas on a global scale. In this thesis, we employ active acoustics, which provides high spatial and vertical resolution for tracking these organisms, to investigate the structuring of mesopelagic ecosystems in two contrasting oceanic systems. We initially examined their responses in a transition zone between these oceans, within the Saint-Paul and Amsterdam Islands region. Our findings indicate that nycthemeral migrations are the primary factor vertically structuring pelagic organisms, even within a pronounced transition zone. Three spatially coherent regions were identified, sharing common environmental and acoustic features. Observations at 38 kHz (commonly used in hydroacoustics) confirmed increased biological activity in the subtropical zone and a minimum in the subantarctic zone. However, our analyses also reveal a distinct acoustic response based on the acoustic frequency considered, in terms of vertical structuring and integrated biomass. Additionally, the low levels measured in the Southern Ocean appear inconsistent with the high biomasses consumed by the large marine predator populations in this region. These observations highlight an acoustic resonance issue in the study of these organisms. To investigate this phenomenon, our second study focused on the structuring of communities at a regional scale, proposing a two-frequency acoustic landscape classification, both probing depths of up to 1000 m. Four spatially coherent regions were identified based on the combination of vertical structuring at the two considered frequencies. The results of this study reveal a shift in the dominance of acoustic responses between 38 and 18 kHz at the subantarctic front, supporting the hypothesis of a community change at these latitudes and raising questions regarding the use of 38 kHz as a descriptor for mesopelagic communities. Given the complexity of acoustic data (potentially multivariate, with distinct vertical ranges, and four-dimensional), the work presented in this thesis also contributed to the development of functional analysis methods to reconcile the horizontal, vertical, and temporal variability of these ecosystems. As marine ecosystem management requires an understanding of the dynamics of these systems and the structuring of the communities within them, our work has also had implications in marine conservation. At the national level, it contributed to the extension of the Saint-Paul and Amsterdam Islands Nature Reserve, and at the international level, it contributed to the ecoregionalization of the pelagic zone in the subtropical and subantarctic region of the South Indian Ocean.L'océan Indien Sud abrite une riche diversité de milieux océaniques, de communautés pélagiques et de populations de prédateurs qui ont récemment abouti à des zones de conservation et un classement au patrimoine mondial de l'UNESCO. Cependant, des populations de prédateurs de la région ont montré des signes de déclin, probablement liés aux effets du changement climatique et à la dynamique de leurs proies. Ces dernières sont principalement composées de zooplancton et de micronecton, qui occupent une place centrale dans les écosystèmes marins en influençant les cycles biogéochimiques et le transfert d'énergie et de biomasse le long du réseau trophique. Cependant, l'étude de leur structuration est complexe en raison de leur distribution en profondeur dans la zone mésopélagique (200-1000 m) et de leurs migrations verticales quotidiennes, en faisant l’une des zones les moins connues à l'échelle globale. Dans cette thèse, nous utilisons l'acoustique active, qui permet de suivre ces organismes avec une haute résolution spatiale et verticale, pour étudier la structuration des écosystèmes mésopélagiques dans deux systèmes océaniques contrastés. Nous avons d'abord examiné leur réponse dans une zone de transition entre ces océans, dans la région des îles Saint-Paul et Amsterdam. Nos résultats indiquent que les migrations nycthémérales sont le principal facteur structurant verticalement les organismes pélagiques, même dans une zone de transition marquée. Trois régions ont été identifiées, cohérentes spatialement et partageant des caractéristiques environnementales et acoustiques communes. L'observation à 38 kHz (couramment utilisée en hydroacoustique) a confirmé une activité biologique accrue dans la zone subtropicale et un minimum dans la zone subantarctique. Cependant, nos analyses révèlent également une réponse acoustique distincte en fonction de la fréquence acoustique considérée, en termes de structuration verticale et de biomasse intégrée. De plus, les faibles niveaux mesurés dans l'océan Austral semblent ne pas correspondre aux fortes biomasses consommées par les importantes populations de prédateurs marins de cette région. Ces observations mettent en évidence un problème de résonance acoustique pour l'étude de ces organismes. Pour étudier ce phénomène, notre seconde étude s'est focalisée sur la structuration des communautés mésopélagiques à l'échelle régionale, proposant une classification des paysages acoustiques à deux fréquences permettant de sonder jusqu'à 1000 m de profondeur. Quatre régions spatialement cohérentes ont été identifiées en se basant sur la combinaison de la structuration verticale aux deux fréquences considérées. Les résultats de cette étude révèlent une inversion de la dominance de la réponse acoustique entre le 38 et le 18 kHz au niveau du front subantarctique, confortant l'hypothèse d'un changement de communauté à ces latitudes, et questionnent l'utilisation du 38 kHz comme descripteur des communautés mésopélagiques. Les données acoustiques étant complexes (potentiellement multivariées, en quatre dimensions, et aux portées verticales distinctes), les travaux présentés dans cette thèse ont également contribué au développement de méthodes d'analyse fonctionnelle permettant de concilier la variabilité horizontale, verticale et temporelle de ces écosystèmes. La gestion des écosystèmes marins nécessitant une compréhension des dynamiques de ces systèmes et de la structuration des communautés qui les composent, nos travaux ont également eu des échos en conservation marine; au niveau national, en contribuant au dossier d'extension de la réserve naturelle des îles Saint-Paul et Amsterdam, puis international en contribuant à l'écorégionalisation de la zone pélagique de la région subtropicale et subantarctique de l'océan Indien Sud

Spatial structuring and variability of mesopelagic ecosystems in the southern Indian ocean

L'océan Indien Sud abrite une riche diversité de milieux océaniques, de communautés pélagiques et de populations de prédateurs qui ont récemment abouti à des zones de conservation et un classement au patrimoine mondial de l'UNESCO. Cependant, des populations de prédateurs de la région ont montré des signes de déclin, probablement liés aux effets du changement climatique et à la dynamique de leurs proies. Ces dernières sont principalement composées de zooplancton et de micronecton, qui occupent une place centrale dans les écosystèmes marins en influençant les cycles biogéochimiques et le transfert d'énergie et de biomasse le long du réseau trophique. Cependant, l'étude de leur structuration est complexe en raison de leur distribution en profondeur dans la zone mésopélagique (200-1000 m) et de leurs migrations verticales quotidiennes, en faisant l’une des zones les moins connues à l'échelle globale. Dans cette thèse, nous utilisons l'acoustique active, qui permet de suivre ces organismes avec une haute résolution spatiale et verticale, pour étudier la structuration des écosystèmes mésopélagiques dans deux systèmes océaniques contrastés. Nous avons d'abord examiné leur réponse dans une zone de transition entre ces océans, dans la région des îles Saint-Paul et Amsterdam. Nos résultats indiquent que les migrations nycthémérales sont le principal facteur structurant verticalement les organismes pélagiques, même dans une zone de transition marquée. Trois régions ont été identifiées, cohérentes spatialement et partageant des caractéristiques environnementales et acoustiques communes. L'observation à 38 kHz (couramment utilisée en hydroacoustique) a confirmé une activité biologique accrue dans la zone subtropicale et un minimum dans la zone subantarctique. Cependant, nos analyses révèlent également une réponse acoustique distincte en fonction de la fréquence acoustique considérée, en termes de structuration verticale et de biomasse intégrée. De plus, les faibles niveaux mesurés dans l'océan Austral semblent ne pas correspondre aux fortes biomasses consommées par les importantes populations de prédateurs marins de cette région. Ces observations mettent en évidence un problème de résonance acoustique pour l'étude de ces organismes. Pour étudier ce phénomène, notre seconde étude s'est focalisée sur la structuration des communautés mésopélagiques à l'échelle régionale, proposant une classification des paysages acoustiques à deux fréquences permettant de sonder jusqu'à 1000 m de profondeur. Quatre régions spatialement cohérentes ont été identifiées en se basant sur la combinaison de la structuration verticale aux deux fréquences considérées. Les résultats de cette étude révèlent une inversion de la dominance de la réponse acoustique entre le 38 et le 18 kHz au niveau du front subantarctique, confortant l'hypothèse d'un changement de communauté à ces latitudes, et questionnent l'utilisation du 38 kHz comme descripteur des communautés mésopélagiques. Les données acoustiques étant complexes (potentiellement multivariées, en quatre dimensions, et aux portées verticales distinctes), les travaux présentés dans cette thèse ont également contribué au développement de méthodes d'analyse fonctionnelle permettant de concilier la variabilité horizontale, verticale et temporelle de ces écosystèmes. La gestion des écosystèmes marins nécessitant une compréhension des dynamiques de ces systèmes et de la structuration des communautés qui les composent, nos travaux ont également eu des échos en conservation marine; au niveau national, en contribuant au dossier d'extension de la réserve naturelle des îles Saint-Paul et Amsterdam, puis international en contribuant à l'écorégionalisation de la zone pélagique de la région subtropicale et subantarctique de l'océan Indien Sud.The Southern Indian Ocean hosts diverse oceanic environments, pelagic communities, and predator populations that have recently led to the establishment of conservation areas and UNESCO World Heritage recognition. However, predator populations in this region have displayed signs of decline, likely attributed to the impacts of climate change and prey dynamics. These prey populations consist predominantly of zooplankton and micronekton, playing a crucial role in marine ecosystems by influencing biogeochemical cycles and the transfer of energy and biomass along the trophic web. Nevertheless, the study of their structuring is intricate due to their deep distribution in the mesopelagic zone (200-1000 m) and their daily vertical migrations, making it one of the least explored areas on a global scale. In this thesis, we employ active acoustics, which provides high spatial and vertical resolution for tracking these organisms, to investigate the structuring of mesopelagic ecosystems in two contrasting oceanic systems. We initially examined their responses in a transition zone between these oceans, within the Saint-Paul and Amsterdam Islands region. Our findings indicate that nycthemeral migrations are the primary factor vertically structuring pelagic organisms, even within a pronounced transition zone. Three spatially coherent regions were identified, sharing common environmental and acoustic features. Observations at 38 kHz (commonly used in hydroacoustics) confirmed increased biological activity in the subtropical zone and a minimum in the subantarctic zone. However, our analyses also reveal a distinct acoustic response based on the acoustic frequency considered, in terms of vertical structuring and integrated biomass. Additionally, the low levels measured in the Southern Ocean appear inconsistent with the high biomasses consumed by the large marine predator populations in this region. These observations highlight an acoustic resonance issue in the study of these organisms. To investigate this phenomenon, our second study focused on the structuring of communities at a regional scale, proposing a two-frequency acoustic landscape classification, both probing depths of up to 1000 m. Four spatially coherent regions were identified based on the combination of vertical structuring at the two considered frequencies. The results of this study reveal a shift in the dominance of acoustic responses between 38 and 18 kHz at the subantarctic front, supporting the hypothesis of a community change at these latitudes and raising questions regarding the use of 38 kHz as a descriptor for mesopelagic communities. Given the complexity of acoustic data (potentially multivariate, with distinct vertical ranges, and four-dimensional), the work presented in this thesis also contributed to the development of functional analysis methods to reconcile the horizontal, vertical, and temporal variability of these ecosystems. As marine ecosystem management requires an understanding of the dynamics of these systems and the structuring of the communities within them, our work has also had implications in marine conservation. At the national level, it contributed to the extension of the Saint-Paul and Amsterdam Islands Nature Reserve, and at the international level, it contributed to the ecoregionalization of the pelagic zone in the subtropical and subantarctic region of the South Indian Ocean

Structuration spatiale et variabilité des écosystèmes mésopélagiques dans l'Océan Indien Sud

The Southern Indian Ocean hosts diverse oceanic environments, pelagic communities, and predator populations that have recently led to the establishment of conservation areas and UNESCO World Heritage recognition. However, predator populations in this region have displayed signs of decline, likely attributed to the impacts of climate change and prey dynamics. These prey populations consist predominantly of zooplankton and micronekton, playing a crucial role in marine ecosystems by influencing biogeochemical cycles and the transfer of energy and biomass along the trophic web. Nevertheless, the study of their structuring is intricate due to their deep distribution in the mesopelagic zone (200-1000 m) and their daily vertical migrations, making it one of the least explored areas on a global scale. In this thesis, we employ active acoustics, which provides high spatial and vertical resolution for tracking these organisms, to investigate the structuring of mesopelagic ecosystems in two contrasting oceanic systems. We initially examined their responses in a transition zone between these oceans, within the Saint-Paul and Amsterdam Islands region. Our findings indicate that nycthemeral migrations are the primary factor vertically structuring pelagic organisms, even within a pronounced transition zone. Three spatially coherent regions were identified, sharing common environmental and acoustic features. Observations at 38 kHz (commonly used in hydroacoustics) confirmed increased biological activity in the subtropical zone and a minimum in the subantarctic zone. However, our analyses also reveal a distinct acoustic response based on the acoustic frequency considered, in terms of vertical structuring and integrated biomass. Additionally, the low levels measured in the Southern Ocean appear inconsistent with the high biomasses consumed by the large marine predator populations in this region. These observations highlight an acoustic resonance issue in the study of these organisms. To investigate this phenomenon, our second study focused on the structuring of communities at a regional scale, proposing a two-frequency acoustic landscape classification, both probing depths of up to 1000 m. Four spatially coherent regions were identified based on the combination of vertical structuring at the two considered frequencies. The results of this study reveal a shift in the dominance of acoustic responses between 38 and 18 kHz at the subantarctic front, supporting the hypothesis of a community change at these latitudes and raising questions regarding the use of 38 kHz as a descriptor for mesopelagic communities. Given the complexity of acoustic data (potentially multivariate, with distinct vertical ranges, and four-dimensional), the work presented in this thesis also contributed to the development of functional analysis methods to reconcile the horizontal, vertical, and temporal variability of these ecosystems. As marine ecosystem management requires an understanding of the dynamics of these systems and the structuring of the communities within them, our work has also had implications in marine conservation. At the national level, it contributed to the extension of the Saint-Paul and Amsterdam Islands Nature Reserve, and at the international level, it contributed to the ecoregionalization of the pelagic zone in the subtropical and subantarctic region of the South Indian Ocean.L'océan Indien Sud abrite une riche diversité de milieux océaniques, de communautés pélagiques et de populations de prédateurs qui ont récemment abouti à des zones de conservation et un classement au patrimoine mondial de l'UNESCO. Cependant, des populations de prédateurs de la région ont montré des signes de déclin, probablement liés aux effets du changement climatique et à la dynamique de leurs proies. Ces dernières sont principalement composées de zooplancton et de micronecton, qui occupent une place centrale dans les écosystèmes marins en influençant les cycles biogéochimiques et le transfert d'énergie et de biomasse le long du réseau trophique. Cependant, l'étude de leur structuration est complexe en raison de leur distribution en profondeur dans la zone mésopélagique (200-1000 m) et de leurs migrations verticales quotidiennes, en faisant l’une des zones les moins connues à l'échelle globale. Dans cette thèse, nous utilisons l'acoustique active, qui permet de suivre ces organismes avec une haute résolution spatiale et verticale, pour étudier la structuration des écosystèmes mésopélagiques dans deux systèmes océaniques contrastés. Nous avons d'abord examiné leur réponse dans une zone de transition entre ces océans, dans la région des îles Saint-Paul et Amsterdam. Nos résultats indiquent que les migrations nycthémérales sont le principal facteur structurant verticalement les organismes pélagiques, même dans une zone de transition marquée. Trois régions ont été identifiées, cohérentes spatialement et partageant des caractéristiques environnementales et acoustiques communes. L'observation à 38 kHz (couramment utilisée en hydroacoustique) a confirmé une activité biologique accrue dans la zone subtropicale et un minimum dans la zone subantarctique. Cependant, nos analyses révèlent également une réponse acoustique distincte en fonction de la fréquence acoustique considérée, en termes de structuration verticale et de biomasse intégrée. De plus, les faibles niveaux mesurés dans l'océan Austral semblent ne pas correspondre aux fortes biomasses consommées par les importantes populations de prédateurs marins de cette région. Ces observations mettent en évidence un problème de résonance acoustique pour l'étude de ces organismes. Pour étudier ce phénomène, notre seconde étude s'est focalisée sur la structuration des communautés mésopélagiques à l'échelle régionale, proposant une classification des paysages acoustiques à deux fréquences permettant de sonder jusqu'à 1000 m de profondeur. Quatre régions spatialement cohérentes ont été identifiées en se basant sur la combinaison de la structuration verticale aux deux fréquences considérées. Les résultats de cette étude révèlent une inversion de la dominance de la réponse acoustique entre le 38 et le 18 kHz au niveau du front subantarctique, confortant l'hypothèse d'un changement de communauté à ces latitudes, et questionnent l'utilisation du 38 kHz comme descripteur des communautés mésopélagiques. Les données acoustiques étant complexes (potentiellement multivariées, en quatre dimensions, et aux portées verticales distinctes), les travaux présentés dans cette thèse ont également contribué au développement de méthodes d'analyse fonctionnelle permettant de concilier la variabilité horizontale, verticale et temporelle de ces écosystèmes. La gestion des écosystèmes marins nécessitant une compréhension des dynamiques de ces systèmes et de la structuration des communautés qui les composent, nos travaux ont également eu des échos en conservation marine; au niveau national, en contribuant au dossier d'extension de la réserve naturelle des îles Saint-Paul et Amsterdam, puis international en contribuant à l'écorégionalisation de la zone pélagique de la région subtropicale et subantarctique de l'océan Indien Sud

Structuration spatiale et variabilité des écosystèmes mésopélagiques dans l'Océan Indien Sud

The Southern Indian Ocean hosts diverse oceanic environments, pelagic communities, and predator populations that have recently led to the establishment of conservation areas and UNESCO World Heritage recognition. However, predator populations in this region have displayed signs of decline, likely attributed to the impacts of climate change and prey dynamics. These prey populations consist predominantly of zooplankton and micronekton, playing a crucial role in marine ecosystems by influencing biogeochemical cycles and the transfer of energy and biomass along the trophic web. Nevertheless, the study of their structuring is intricate due to their deep distribution in the mesopelagic zone (200-1000 m) and their daily vertical migrations, making it one of the least explored areas on a global scale. In this thesis, we employ active acoustics, which provides high spatial and vertical resolution for tracking these organisms, to investigate the structuring of mesopelagic ecosystems in two contrasting oceanic systems. We initially examined their responses in a transition zone between these oceans, within the Saint-Paul and Amsterdam Islands region. Our findings indicate that nycthemeral migrations are the primary factor vertically structuring pelagic organisms, even within a pronounced transition zone. Three spatially coherent regions were identified, sharing common environmental and acoustic features. Observations at 38 kHz (commonly used in hydroacoustics) confirmed increased biological activity in the subtropical zone and a minimum in the subantarctic zone. However, our analyses also reveal a distinct acoustic response based on the acoustic frequency considered, in terms of vertical structuring and integrated biomass. Additionally, the low levels measured in the Southern Ocean appear inconsistent with the high biomasses consumed by the large marine predator populations in this region. These observations highlight an acoustic resonance issue in the study of these organisms. To investigate this phenomenon, our second study focused on the structuring of communities at a regional scale, proposing a two-frequency acoustic landscape classification, both probing depths of up to 1000 m. Four spatially coherent regions were identified based on the combination of vertical structuring at the two considered frequencies. The results of this study reveal a shift in the dominance of acoustic responses between 38 and 18 kHz at the subantarctic front, supporting the hypothesis of a community change at these latitudes and raising questions regarding the use of 38 kHz as a descriptor for mesopelagic communities. Given the complexity of acoustic data (potentially multivariate, with distinct vertical ranges, and four-dimensional), the work presented in this thesis also contributed to the development of functional analysis methods to reconcile the horizontal, vertical, and temporal variability of these ecosystems. As marine ecosystem management requires an understanding of the dynamics of these systems and the structuring of the communities within them, our work has also had implications in marine conservation. At the national level, it contributed to the extension of the Saint-Paul and Amsterdam Islands Nature Reserve, and at the international level, it contributed to the ecoregionalization of the pelagic zone in the subtropical and subantarctic region of the South Indian Ocean.L'océan Indien Sud abrite une riche diversité de milieux océaniques, de communautés pélagiques et de populations de prédateurs qui ont récemment abouti à des zones de conservation et un classement au patrimoine mondial de l'UNESCO. Cependant, des populations de prédateurs de la région ont montré des signes de déclin, probablement liés aux effets du changement climatique et à la dynamique de leurs proies. Ces dernières sont principalement composées de zooplancton et de micronecton, qui occupent une place centrale dans les écosystèmes marins en influençant les cycles biogéochimiques et le transfert d'énergie et de biomasse le long du réseau trophique. Cependant, l'étude de leur structuration est complexe en raison de leur distribution en profondeur dans la zone mésopélagique (200-1000 m) et de leurs migrations verticales quotidiennes, en faisant l’une des zones les moins connues à l'échelle globale. Dans cette thèse, nous utilisons l'acoustique active, qui permet de suivre ces organismes avec une haute résolution spatiale et verticale, pour étudier la structuration des écosystèmes mésopélagiques dans deux systèmes océaniques contrastés. Nous avons d'abord examiné leur réponse dans une zone de transition entre ces océans, dans la région des îles Saint-Paul et Amsterdam. Nos résultats indiquent que les migrations nycthémérales sont le principal facteur structurant verticalement les organismes pélagiques, même dans une zone de transition marquée. Trois régions ont été identifiées, cohérentes spatialement et partageant des caractéristiques environnementales et acoustiques communes. L'observation à 38 kHz (couramment utilisée en hydroacoustique) a confirmé une activité biologique accrue dans la zone subtropicale et un minimum dans la zone subantarctique. Cependant, nos analyses révèlent également une réponse acoustique distincte en fonction de la fréquence acoustique considérée, en termes de structuration verticale et de biomasse intégrée. De plus, les faibles niveaux mesurés dans l'océan Austral semblent ne pas correspondre aux fortes biomasses consommées par les importantes populations de prédateurs marins de cette région. Ces observations mettent en évidence un problème de résonance acoustique pour l'étude de ces organismes. Pour étudier ce phénomène, notre seconde étude s'est focalisée sur la structuration des communautés mésopélagiques à l'échelle régionale, proposant une classification des paysages acoustiques à deux fréquences permettant de sonder jusqu'à 1000 m de profondeur. Quatre régions spatialement cohérentes ont été identifiées en se basant sur la combinaison de la structuration verticale aux deux fréquences considérées. Les résultats de cette étude révèlent une inversion de la dominance de la réponse acoustique entre le 38 et le 18 kHz au niveau du front subantarctique, confortant l'hypothèse d'un changement de communauté à ces latitudes, et questionnent l'utilisation du 38 kHz comme descripteur des communautés mésopélagiques. Les données acoustiques étant complexes (potentiellement multivariées, en quatre dimensions, et aux portées verticales distinctes), les travaux présentés dans cette thèse ont également contribué au développement de méthodes d'analyse fonctionnelle permettant de concilier la variabilité horizontale, verticale et temporelle de ces écosystèmes. La gestion des écosystèmes marins nécessitant une compréhension des dynamiques de ces systèmes et de la structuration des communautés qui les composent, nos travaux ont également eu des échos en conservation marine; au niveau national, en contribuant au dossier d'extension de la réserve naturelle des îles Saint-Paul et Amsterdam, puis international en contribuant à l'écorégionalisation de la zone pélagique de la région subtropicale et subantarctique de l'océan Indien Sud

Structuration spatiale et variabilité des écosystèmes mésopélagiques dans l'Océan Indien Sud

The Southern Indian Ocean hosts diverse oceanic environments, pelagic communities, and predator populations that have recently led to the establishment of conservation areas and UNESCO World Heritage recognition. However, predator populations in this region have displayed signs of decline, likely attributed to the impacts of climate change and prey dynamics. These prey populations consist predominantly of zooplankton and micronekton, playing a crucial role in marine ecosystems by influencing biogeochemical cycles and the transfer of energy and biomass along the trophic web. Nevertheless, the study of their structuring is intricate due to their deep distribution in the mesopelagic zone (200-1000 m) and their daily vertical migrations, making it one of the least explored areas on a global scale. In this thesis, we employ active acoustics, which provides high spatial and vertical resolution for tracking these organisms, to investigate the structuring of mesopelagic ecosystems in two contrasting oceanic systems. We initially examined their responses in a transition zone between these oceans, within the Saint-Paul and Amsterdam Islands region. Our findings indicate that nycthemeral migrations are the primary factor vertically structuring pelagic organisms, even within a pronounced transition zone. Three spatially coherent regions were identified, sharing common environmental and acoustic features. Observations at 38 kHz (commonly used in hydroacoustics) confirmed increased biological activity in the subtropical zone and a minimum in the subantarctic zone. However, our analyses also reveal a distinct acoustic response based on the acoustic frequency considered, in terms of vertical structuring and integrated biomass. Additionally, the low levels measured in the Southern Ocean appear inconsistent with the high biomasses consumed by the large marine predator populations in this region. These observations highlight an acoustic resonance issue in the study of these organisms. To investigate this phenomenon, our second study focused on the structuring of communities at a regional scale, proposing a two-frequency acoustic landscape classification, both probing depths of up to 1000 m. Four spatially coherent regions were identified based on the combination of vertical structuring at the two considered frequencies. The results of this study reveal a shift in the dominance of acoustic responses between 38 and 18 kHz at the subantarctic front, supporting the hypothesis of a community change at these latitudes and raising questions regarding the use of 38 kHz as a descriptor for mesopelagic communities. Given the complexity of acoustic data (potentially multivariate, with distinct vertical ranges, and four-dimensional), the work presented in this thesis also contributed to the development of functional analysis methods to reconcile the horizontal, vertical, and temporal variability of these ecosystems. As marine ecosystem management requires an understanding of the dynamics of these systems and the structuring of the communities within them, our work has also had implications in marine conservation. At the national level, it contributed to the extension of the Saint-Paul and Amsterdam Islands Nature Reserve, and at the international level, it contributed to the ecoregionalization of the pelagic zone in the subtropical and subantarctic region of the South Indian Ocean.L'océan Indien Sud abrite une riche diversité de milieux océaniques, de communautés pélagiques et de populations de prédateurs qui ont récemment abouti à des zones de conservation et un classement au patrimoine mondial de l'UNESCO. Cependant, des populations de prédateurs de la région ont montré des signes de déclin, probablement liés aux effets du changement climatique et à la dynamique de leurs proies. Ces dernières sont principalement composées de zooplancton et de micronecton, qui occupent une place centrale dans les écosystèmes marins en influençant les cycles biogéochimiques et le transfert d'énergie et de biomasse le long du réseau trophique. Cependant, l'étude de leur structuration est complexe en raison de leur distribution en profondeur dans la zone mésopélagique (200-1000 m) et de leurs migrations verticales quotidiennes, en faisant l’une des zones les moins connues à l'échelle globale. Dans cette thèse, nous utilisons l'acoustique active, qui permet de suivre ces organismes avec une haute résolution spatiale et verticale, pour étudier la structuration des écosystèmes mésopélagiques dans deux systèmes océaniques contrastés. Nous avons d'abord examiné leur réponse dans une zone de transition entre ces océans, dans la région des îles Saint-Paul et Amsterdam. Nos résultats indiquent que les migrations nycthémérales sont le principal facteur structurant verticalement les organismes pélagiques, même dans une zone de transition marquée. Trois régions ont été identifiées, cohérentes spatialement et partageant des caractéristiques environnementales et acoustiques communes. L'observation à 38 kHz (couramment utilisée en hydroacoustique) a confirmé une activité biologique accrue dans la zone subtropicale et un minimum dans la zone subantarctique. Cependant, nos analyses révèlent également une réponse acoustique distincte en fonction de la fréquence acoustique considérée, en termes de structuration verticale et de biomasse intégrée. De plus, les faibles niveaux mesurés dans l'océan Austral semblent ne pas correspondre aux fortes biomasses consommées par les importantes populations de prédateurs marins de cette région. Ces observations mettent en évidence un problème de résonance acoustique pour l'étude de ces organismes. Pour étudier ce phénomène, notre seconde étude s'est focalisée sur la structuration des communautés mésopélagiques à l'échelle régionale, proposant une classification des paysages acoustiques à deux fréquences permettant de sonder jusqu'à 1000 m de profondeur. Quatre régions spatialement cohérentes ont été identifiées en se basant sur la combinaison de la structuration verticale aux deux fréquences considérées. Les résultats de cette étude révèlent une inversion de la dominance de la réponse acoustique entre le 38 et le 18 kHz au niveau du front subantarctique, confortant l'hypothèse d'un changement de communauté à ces latitudes, et questionnent l'utilisation du 38 kHz comme descripteur des communautés mésopélagiques. Les données acoustiques étant complexes (potentiellement multivariées, en quatre dimensions, et aux portées verticales distinctes), les travaux présentés dans cette thèse ont également contribué au développement de méthodes d'analyse fonctionnelle permettant de concilier la variabilité horizontale, verticale et temporelle de ces écosystèmes. La gestion des écosystèmes marins nécessitant une compréhension des dynamiques de ces systèmes et de la structuration des communautés qui les composent, nos travaux ont également eu des échos en conservation marine; au niveau national, en contribuant au dossier d'extension de la réserve naturelle des îles Saint-Paul et Amsterdam, puis international en contribuant à l'écorégionalisation de la zone pélagique de la région subtropicale et subantarctique de l'océan Indien Sud

Structuration spatiale et variabilité des écosystèmes mésopélagiques dans l'Océan Indien Sud

The Southern Indian Ocean hosts diverse oceanic environments, pelagic communities, and predator populations that have recently led to the establishment of conservation areas and UNESCO World Heritage recognition. However, predator populations in this region have displayed signs of decline, likely attributed to the impacts of climate change and prey dynamics. These prey populations consist predominantly of zooplankton and micronekton, playing a crucial role in marine ecosystems by influencing biogeochemical cycles and the transfer of energy and biomass along the trophic web. Nevertheless, the study of their structuring is intricate due to their deep distribution in the mesopelagic zone (200-1000 m) and their daily vertical migrations, making it one of the least explored areas on a global scale. In this thesis, we employ active acoustics, which provides high spatial and vertical resolution for tracking these organisms, to investigate the structuring of mesopelagic ecosystems in two contrasting oceanic systems. We initially examined their responses in a transition zone between these oceans, within the Saint-Paul and Amsterdam Islands region. Our findings indicate that nycthemeral migrations are the primary factor vertically structuring pelagic organisms, even within a pronounced transition zone. Three spatially coherent regions were identified, sharing common environmental and acoustic features. Observations at 38 kHz (commonly used in hydroacoustics) confirmed increased biological activity in the subtropical zone and a minimum in the subantarctic zone. However, our analyses also reveal a distinct acoustic response based on the acoustic frequency considered, in terms of vertical structuring and integrated biomass. Additionally, the low levels measured in the Southern Ocean appear inconsistent with the high biomasses consumed by the large marine predator populations in this region. These observations highlight an acoustic resonance issue in the study of these organisms. To investigate this phenomenon, our second study focused on the structuring of communities at a regional scale, proposing a two-frequency acoustic landscape classification, both probing depths of up to 1000 m. Four spatially coherent regions were identified based on the combination of vertical structuring at the two considered frequencies. The results of this study reveal a shift in the dominance of acoustic responses between 38 and 18 kHz at the subantarctic front, supporting the hypothesis of a community change at these latitudes and raising questions regarding the use of 38 kHz as a descriptor for mesopelagic communities. Given the complexity of acoustic data (potentially multivariate, with distinct vertical ranges, and four-dimensional), the work presented in this thesis also contributed to the development of functional analysis methods to reconcile the horizontal, vertical, and temporal variability of these ecosystems. As marine ecosystem management requires an understanding of the dynamics of these systems and the structuring of the communities within them, our work has also had implications in marine conservation. At the national level, it contributed to the extension of the Saint-Paul and Amsterdam Islands Nature Reserve, and at the international level, it contributed to the ecoregionalization of the pelagic zone in the subtropical and subantarctic region of the South Indian Ocean.L'océan Indien Sud abrite une riche diversité de milieux océaniques, de communautés pélagiques et de populations de prédateurs qui ont récemment abouti à des zones de conservation et un classement au patrimoine mondial de l'UNESCO. Cependant, des populations de prédateurs de la région ont montré des signes de déclin, probablement liés aux effets du changement climatique et à la dynamique de leurs proies. Ces dernières sont principalement composées de zooplancton et de micronecton, qui occupent une place centrale dans les écosystèmes marins en influençant les cycles biogéochimiques et le transfert d'énergie et de biomasse le long du réseau trophique. Cependant, l'étude de leur structuration est complexe en raison de leur distribution en profondeur dans la zone mésopélagique (200-1000 m) et de leurs migrations verticales quotidiennes, en faisant l’une des zones les moins connues à l'échelle globale. Dans cette thèse, nous utilisons l'acoustique active, qui permet de suivre ces organismes avec une haute résolution spatiale et verticale, pour étudier la structuration des écosystèmes mésopélagiques dans deux systèmes océaniques contrastés. Nous avons d'abord examiné leur réponse dans une zone de transition entre ces océans, dans la région des îles Saint-Paul et Amsterdam. Nos résultats indiquent que les migrations nycthémérales sont le principal facteur structurant verticalement les organismes pélagiques, même dans une zone de transition marquée. Trois régions ont été identifiées, cohérentes spatialement et partageant des caractéristiques environnementales et acoustiques communes. L'observation à 38 kHz (couramment utilisée en hydroacoustique) a confirmé une activité biologique accrue dans la zone subtropicale et un minimum dans la zone subantarctique. Cependant, nos analyses révèlent également une réponse acoustique distincte en fonction de la fréquence acoustique considérée, en termes de structuration verticale et de biomasse intégrée. De plus, les faibles niveaux mesurés dans l'océan Austral semblent ne pas correspondre aux fortes biomasses consommées par les importantes populations de prédateurs marins de cette région. Ces observations mettent en évidence un problème de résonance acoustique pour l'étude de ces organismes. Pour étudier ce phénomène, notre seconde étude s'est focalisée sur la structuration des communautés mésopélagiques à l'échelle régionale, proposant une classification des paysages acoustiques à deux fréquences permettant de sonder jusqu'à 1000 m de profondeur. Quatre régions spatialement cohérentes ont été identifiées en se basant sur la combinaison de la structuration verticale aux deux fréquences considérées. Les résultats de cette étude révèlent une inversion de la dominance de la réponse acoustique entre le 38 et le 18 kHz au niveau du front subantarctique, confortant l'hypothèse d'un changement de communauté à ces latitudes, et questionnent l'utilisation du 38 kHz comme descripteur des communautés mésopélagiques. Les données acoustiques étant complexes (potentiellement multivariées, en quatre dimensions, et aux portées verticales distinctes), les travaux présentés dans cette thèse ont également contribué au développement de méthodes d'analyse fonctionnelle permettant de concilier la variabilité horizontale, verticale et temporelle de ces écosystèmes. La gestion des écosystèmes marins nécessitant une compréhension des dynamiques de ces systèmes et de la structuration des communautés qui les composent, nos travaux ont également eu des échos en conservation marine; au niveau national, en contribuant au dossier d'extension de la réserve naturelle des îles Saint-Paul et Amsterdam, puis international en contribuant à l'écorégionalisation de la zone pélagique de la région subtropicale et subantarctique de l'océan Indien Sud