Comment les niveaux mi-trophiques marins répondent-ils aux processus à petite échelle ?

Abstract

La compréhension du couplage entre les processus biologiques et physiques est un élément fondamental pour évaluer l’état des océans afin de protéger les écosystèmes marins des effets du changement climatique, de l’exploitation humaine, de la pollution, ainsi que pour comprendre le rôle des océans dans le système climatique. En effet, comme les organismes marins vivent dans un environnement fluide et sont continument transportés par les courants, les phénomènes physiques et biologiques sont intimement liés. Ainsi, au contraire de ce qui se passe sur terre, où la topographie du paysage change sur des échelles de temps évolutionnaires (dans l’ordre de centaines ou millions d’années), dans l’océan le paysage évolue sur les mêmes échelles de temps que celles des processus écologiques. Dans cette thèse j’analyse, en particulier, le rôle des structures à fine échelle (désignées dans la suite de ce document comme les « fine échelles »), qui présentent un pic dans le spectre d’énergie océanique, et dont les échelles de temps (jours à semaines) se superposent avec d’importants processus écologiques tels que le développement des blooms phytoplanctoniques ou la durée des périodes de nourrissage des prédateurs supérieurs. Il a été déjà démontré que les fines échelles jouent un rôle central dans le conditionnement de la production primaire, dans l’abondance et la composition des niveaux trophiques inférieurs, et dans le comportement des prédateurs supérieurs. Cependant, leur influence sur les niveaux trophiques intermédiaires est moins connue, alors que ces échelons constituent une partie essentielle de la chaine trophique et sont sous une pression sans précédents de la part activités humaines. Ceci est principalement causé par la disponibilité limitée des données à grande échelle, et à des difficultés de mesures depuis les navires océanographiques. Cette thèse traite ce manque de connaissances sur deux problématiques. La première question concerne l’impossibilité de détecter les niveaux trophiques intermédiaires par satellite, ce qui nécessite le développement des nouvelles stratégies de surveillance ad hoc. La deuxième question irrésolue concerne l’interaction entre la capacité de nage du necton avec les dynamiques de fine échelle. Pour essayer de répondre à ces questions, dans ce travail j’adopte une approche Lagrangienne, en me focalisant donc sur les trajectoires des particules d’eau, et je l’intègre à des nouvelles méthodologies appliquées aux données acoustiques, à l’analyse des systèmes complexes ainsi qu’à la théorie des réseaux. Je me focalise sur la région de Kerguelen, à cause de son importance écologique et de la grande disponibilité d’information qui a permis de caractériser ses dynamiques écologiques relativement simples, basées principalement sur la limitation de la production primaire par le fer qui est fourni par le plateau. Je considère les myctophidés comme le poisson de référence de cette étude par leur abondance dans tous les bassins océaniques, et par l’intérêt qu’ils pourraient recevoir prochainement de la part de la pêche commerciale. (...)The comprehension of the coupling between physical and biological dynamics is a pivotal step to assess the health of the oceans, in order to protect the ecosystems therein from the effects of global change, human exploitation and pollution as well as for understanding the role of the ocean in the climate system. Indeed, in the oceans, physical phenomena and biological processes are intimately linked, since marine organisms live in a fluid environment, continuously under the effect of the currents. Thus, contrary to what happens on land, where the landscape topography changes over evolutionary timescales (periods in the order of hundreds to millions of year) in the ocean the landscape ("seascape") evolves on the same timescales of ecological processes. In the present thesis I analyse in particular the role of the fine scales, which present a peak in the ocean energy spectrum, and whose time scales (of days to weeks) overlap important marine ecological processes like the development of planktonic blooms and the duration of foraging trips for top predators. The fine scale features have been already shown to play a central role into conditioning primary production, lower trophic levels abundance and composition, and apex predators behaviors. However, less is known on their influence on intermediate trophic levels, i.e. swimming organisms (such as fish), which however constitute an essential part of the trophic chain, and which are under unprecedented pressure by human activities. This is mainly due to the scarce availability of data on them at large scales, and to problems of ship-based measurements. Two knowledge gaps are addressed in this thesis. The first is the fact that intermediate trophic levels distributions cannot be detected by remote sensing, and thus require the development of novel, ad hoc sampling strategies. The second open challenge addressed by this thesis is how the swimming ability of the nekton can interact with the fine scale physical dynamics. In order to address the aforementioned questions, in this work I adopt a Lagrangian approach, therefore focusing on water parcel trajectories, and I integrate it with novel methodologies applied to acoustic data, complex system analysis and network theory. I focus on the Kerguelen region, because of its ecological importance and the large availability of informations, which permitted to characterize its relatively simple ecological dynamics, mainly based on iron limitation which is furnished by the plateau. I consider the myctophids as reference fish of the present study, for their worldwide abundance and for their importance for the ecology of the area, and because they may constitute a future target by commercial fishing. (...