Modélisation de l’effet de la température sur le phytoplancton : de l’acclimatation à l’adaptation

Modelling the temperature effect on phytoplankton : from acclimation to adaptation

• Auteur / Autrice : Ghjuvan Micaelu Grimaud
• Direction : Olivier Bernard, Antoine Sciandra
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, traitement du signal et des images
• Date : Soutenance le 14/06/2016
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) - Biological control of artificial ecosystems
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Gattuso
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Bernard, Jean-Pierre Gattuso, Jean-Marc Guarini, Jean-Christophe Poggiale, Jef Huisman, Francis Mairet, Sophie Rabouille
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Marc Guarini, Jean-Christophe Poggiale

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Effets du réchauffement de la Terre

Effets de la température

Phytoplancton marin

Mots clés libres

Température

Modélisation

Phytoplancton

Évolution

Réchauffement global

Temperature

Modelling

Phytoplankton

Evolution

Global warning

Résumé

Les organismes unicellulaires photosynthétiques formant le phytoplancton sont la base de la production primaire marine. Ne pouvant pas réguler leur température ce facteur physique contraint fortement leur croissance. L'étude de son impact est d'une actualité brûlante dans un contexte de changement climatique. Dans cette thèse, nous nous sommes efforcés de comprendre comment le phytoplancton s'acclimate à la température. En analysant la réponse du taux de croissance à la température de centaines d'espèces nous avons mis en évidence les liens existant entre températures cardinales ainsi que leurs fondements thermodynamiques grâce au modèle mécaniste de Hinshelwood. Nous avons testé l'hypothèse de Eppley plus chaud implique plus rapide pour 5 groupes phylogénétiques de phytoplancton et défini leurs limites évolutives intrinsèques. Nous avons examiné les mécanismes d'adaptation induits à long terme par des variations de température et construit un modèle évolutif en utilisant la théorie de la dynamique adaptative afin de prévoir l'issue évolutive de l'adaptation d’une espèce à un cycle de température simple. Nos résultats ont été confrontés à une expérience de sélection réalisée en laboratoire sur Tisochrysis lutea. Notre méthode a été étendue pour prédire l'adaptation d'une souche soumise à un profil de température périodique et étudier l'adaptation thermique du phytoplancton à l'échelle de l'océan mondial. Des données in situ de température de surface de l'océan ont permis de forcer le modèle et de montrer qu'une augmentation de température sera critique pour certains groupes dans les zones où l’amplitude thermique annuelle est grande, comme par exemple la mer Méditerranée.

Unicellular photosynthetic organisms forming the phytoplankton are the basis of primary production. Because these organisms cannot regulate their inner temperature, the medium temperature strongly constrains their growth. Understanding the impact of this factor is topical in a global change context. In this PhD thesis we have investigated how phytoplankton adapts to temperature. By analyzing the growth rate as a function of temperature for hundreds of species we highlighted the characteristics that can be accurately described by a mathematical model. We have identied the links between the cardinal temperatures as well as their thermodynamical fundament using the mechanistic Hinshelwood model. We then challenged the Eppley hypothesis `hotter is faster' for 5 phylogenetic phytoplankton groups and determined the evolutionary limits for each of them. We have also studied the adaptation mechanisms associated to long term temperature variations by developing an evolutionary model using the adaptive dynamics theory allowing to predict the evolutionary outcome of species adaptation to a simple temperature cycle. Our results have been compared to a selection experiment carried out in a controlled device on Tisochrysis lutea. Our method has been extended to predict the adaptation of a strain to periodic temperature profiles and study phytoplankton adaptation at the global ocean scale. In situ data of sea surface temperature have been used as a forcing variable and have permitted to show that the elevation of temperature will be critical for several species in particular for those living in areas where the annual temperature fluctuation is high such as the Mediterranean Sea.