Comprendre la succession planctonique annuelle et ses modifications dans le contexte des changements climatiques passés, contemporains et futurs

Understanding annual plankton succession and its modifications in the context of past, present and future climate change

• Auteur / Autrice : Loïck Kléparski
• Direction : Grégory Beaugrand, Clare Ostle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences agronomiques et écologiques. Sciences de la Mer - Biologie et écologie
• Date : Soutenance le 30/09/2022
• Etablissement(s) : Littoral
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Océanologie et de Géosciences (LOG) - Laboratoire d'Océanologie et de Géosciences / LOG
• Partenaire(s) de recherche : Financeur : Hauts-de-France. Conseil régional - Marine biological association of the United Kingdom
• Jury : Président / Présidente : Philippe Koubbi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lars Stemmann, Lawrence Sheppard, Christophe Luczak
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Koubbi, Lars Stemmann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Changements climatiques

Effets du climat

Distribution géographique

Plancton

Mots clés libres

Global Alliance of the CPR survey

Succession annuelle planctonique

Théorie METAL

Changement climatique

Global Alliance of the CPR survey

Annual plankton succession

METAL Theory

Climate change

Résumé

L'arrangement spatial de la biodiversité et la succession annuelle du plancton sont des phénomènes clés influençant la biogéochimie des océans (par exemple la pompe biologique du carbone) et le cycle de vie de nombreuses espèces. La biodiversité et les changements phénologiques induits par le dérèglement climatique pourraient altérer la succession des espèces et conduire à une désynchronisation trophique ainsi qu'à une réorganisation des communautés dans l'espace et dans le temps. L'objectif de cette thèse est d'améliorer notre compréhension de la biodiversité et de la phénologie du plancton en identifiant les facteurs et processus qui les contrôlent, et en modélisant la succession annuelle du plancton dans le contexte du dérèglement climatique. Pour ce faire, nous avons utilisé une approche basée sur la théorie METAL ("MacroEcological Theory on the Arrangement of Life") et les observations recueuillies par le programme de suivi du plancton marin appelé "Continuous Plankton Recorder" (CPR). Pour comprendre comment la succession planctonique annuelle et la phénologie des espèces seront affectées par le réchauffement climatique, il est important d'identifier quels paramètres et processus contrôlent ces phénomènes. Ainsi, dans la première partie de cette thèse, nous décrivons les variations saisonnières des principaux taxons phytoplanctoniques en mer du Nord, et démontrons que la phénologie des espèces résulte de l'interaction entre la niche des espèces et les fluctuations de l'environnement. Nous montrons également que les diatomées avec une forme de cellule similaire ont également une phénologie et des niches similaires ; les oblates (cellules aplaties) dominent les périodes du printemps et de l'automne tandis que les prolates (cellules allongées) dominent la période estivale. Nous établissons donc un lien saillant entre les traits fonctionnels, la niche et la phénologie. Dans une deuxième partie, nous examinons l'organisation spatio-temporelle de la biodiversité planctonique dans l'océan Atlantique Nord et montrons que cette région est caractérisée par de grandes coenoclines spatiales (gradient de biocénose ou communauté) induites par l'interaction niche-environnement. Nous développons également une nouvelle méthode, appelée "chromatogramme spécifique", qui donne un résumé graphique de la niche en représentant ensemble des gradients d'abondance selon les différentes dimensions environnementales. Cette méthode peut être utilisée pour caractériser et afficher les niches écologiques multidimensionnelles des espèces et comparer les niches au moyen d'un indice qui quantifie leur degré de chevauchement. Nous utilisons cette méthode pour démontrer que les espèces planctoniques appartenant aux mêmes guildes trophiques ont des niches suffisamment distinctes pour coexister dans un environnement impermanent et hétérogène dans l'espace et dans le temps. Enfin, nous appliquons un modèle basé sur la théorie METAL et les projections de six modèles de système Terre impliqués dans le projet d'intercomparaison des modèles couplés phase 6 (CMIP6) pour projeter les changements phénologiques passés, contemporains et futurs des diatomées oblates et prolates ainsi que les dinoflagellés, dans trois zones clés de l'océan atlantique nord. Nous montrons que la durée de la saison d'abondance des oblates va poursuivre sa diminution et que leur abondance va probablement encore décliner. Au contraire, la phénologie des prolates et des dinoflagellés va s'étendre et leur abondance augmenter. Nos résultats suggèrent que le dérèglement climatique va modifier l'organisation des communautés phytoplanctoniques dans l'espace et le temps et affectera le rythme de génération d'énergie endosomatique, ce qui aura probablement de fortes conséquences sur le fonctionnement des écosystèmes et les services écosystémiques.

The spatial arrangement of biodiversity and annual plankton succession are key phenomena influencing ocean biogeochemistry (e.g. the biological pump) and the life cycle of many species. Biodiversity and phenological shifts induced by climate change might alter species succession and lead to trophic desynchronization and community reorganisation in space and time. The aim of this PhD is to improve our understanding of plankton biodiversity and phenology by identifying factors and processes that control them and by modelling the annual plankton succession in the context of global climate change. To do so, we used an approach based on the MacroEcological Theory on the Arrangement of Life (METAL) and observations collected by the Continuous Plankton Recorder (CPR) survey. To understand how annual plankton succession and species phenology will be altered in the context of global warming, it is important to identify what parameters and processes control these phenomena. Therefore, in the first part of this PhD, we describe the seasonal variations of major phytoplanktonic taxa in the North Sea and demonstrate that species' phenology results from the interaction between species' niche and the environment. We also show that diatoms with similar cell shape have also similar phenology and niches, i.e. that oblates (flattened cells) dominate the spring and autumn periods whereas prolates (elongated cells) dominate the summer period. We therefore establish a salient link between functional traits, the niche and the phenology. In the second part, we examine the spatio-temporal organisation of plankton biodiversity in the North Atlantic Ocean and show that this region is characterised by large spatial coenoclines (i.e. gradient of biocoenosis or community) induced by the niche-environment interaction. We also develop a new method, called a "species chromatogram", that gives a graphical summary of the niche by representing together abundance gradients along various environmental dimensions. This method can be used to characterise and display the multidimensional ecological niches of different species and also to compare the niches of different species by means of an index that quantify the degree of niche overlapping. We use this index to demonstrate that the plankton belonging to the same trophic guildshave sufficiently distinct niches to coexist is an impermanent and heterogeneous environment in space and time. Finally, we apply a model based on METAL and the projections of six Earth Systems Mdels involved in the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) to project the past, present and future phenological changes of three phytoplanktonic groups, i.e. oblate and prolate diatoms and dinoflagellates, in three keys areas of the North Atlantic Ocean. We show that the phenology of oblates is likely to continue to shrink and their abundance to decline whereas the phenology of prolates and dinoflagellates will expand and their abundance rise. Our results suggest a climate-induced reorganisation of the phytoplanktonic community in space and time that will affect the rhythm of generation of endosomatic energy, which may have strong consequences on ecosystem functioning and services.