Prédiction de la réaction du cycle du carbone océanique au changement climatique : modélisation éco-évolutive de la boucle microbienne et rôle des virus

Predicting the response of the oceanic carbon cycle to climate change : eco-evolutionary modeling of the microbial loop and the role of viruses

• Auteur / Autrice : Philippe Cherabier
• Direction : Régis Ferrière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Écologie et évolution
• Date : Soutenance le 24/06/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la nature et de l'Homme - Évolution et écologie (Paris ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie de l'École normale supérieure (Paris ; 2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Marina Lévy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joshua Weitz, Ingrid Obernosterer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Christophe Poggiale, Elena Litchman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles écologiques

Écologie marine

Modèles mathématiques

Cycle du carbone

Changements climatiques

Adaptation

Effets du réchauffement de la Terre

Bactéries marines

Mots clés libres

Boucle microbienne

Processus éco-évolutifs

Sélection naturelle

Dynamique adaptative

Océans

Changement climatique

Microbial loop

Eco-evolutionnary processes

Natural selection

Adaptive dynamics

Oceans

Climate change

Résumé

Les activités humaines ont un impact considérable sur la santé des océans. Le changement climatique causé par les émissions anthropiques de gaz à effet de serre entraîne un réchauffement de la surface de la mer, la fonte des calottes polaires, l'acidification des océans et des changements dans les régimes de circulation et de mélange conduisant à une stratification de la colonne d'eau. Toutes les formes de vie dans l'océan sont touchées, principalement les micro-organismes qui dominent la biodiversité des océans et jouent un rôle majeur dans la fonction des écosystèmes marins. Les communautés microbiennes ont une capacité d'adaptation rapide en raison de la taille importante de leurs populations et de la brièveté de leur temps de génération, ce qui peut potentiellement modifier les cycles globaux du carbone et des nutriments en réponse au changement climatique, mais ces rétroactions sont encore peu comprises. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur les bactéries hétérotrophes et leur capacité à reminéraliser la matière organique dissoute en nutriments inorganiques. Cette ''boucle microbienne'' alimente une voie de recyclage du carbone, mais sa réponse au changement climatique est encore mal déterminée. Grâce à une modélisation éco-évolutive, nous quantifions la boucle de rétroaction potentielle résultant de l'adaptation bactérienne dans différentes régions océaniques, tant à la surface qu'en profondeur dans la colonne d'eau. Nous constatons que l'adaptation bactérienne tend à atténuer l'effet négatif du changement climatique sur la régénération de la matière organique dissoute, avec des degrés variables selon la région biogéographique. Afin de tester les prédictions de notre modèle dans un contexte global, nous développons un nouveau cadre pour intégrer les processus éco-évolutifs aux modèles de circulation océanique. Nous constatons que l'adaptation bactérienne dans la boucle microbienne peut ajouter de l'incertitude à nos prévisions, et appelons à de nouvelles études éco-évolutives à cette échelle. Enfin, nous incluons les bactériophages dans notre modèle et étudions à la fois leur influence biogéochimique sur le cycle du carbone et la façon dont ils pourraient influencer la vitesse d'adaptation des bactéries aux environnements changeants. Dans son ensemble, cette thèse met l'accent sur deux ''angles morts'' actuels des modèles du système terrestre : une représentation explicite de la boucle microbienne et l'intégration des processus éco-évolutifs dans l’analyse de sa dynamique en réponse aux changements globaux.

Human activities are affecting ocean health dramatically. Climate change caused by anthropogenic greenhouse gas emission results in sea-surface warming, polar ice caps melting, ocean acidification, and changes in circulation and mixing regimes leading to stratification. All life forms in the ocean are impacted, primarily microorganisms which dominate ocean biodiversity and play a major role in global ecosystem function. Microbial communities have a capacity for rapid adaptation because of their large population sizes and short generation times, potentially altering the global cycles of carbon and nutrients in response to climate change, but these feedbacks are largely unresolved. In this thesis, we focus on heterotrophic bacteria and their ability to remineralize dissolved organic matter into inorganic nutrients. This `microbial loop' fuels a carbon recycling pathway, but its response to climate change is still poorly understood. Through eco-evolutionary modeling, we resolve the potential feedback loop resulting from bacterial adaptation in different oceanic regions, both at the surface and deep in the water column. We find that bacterial adaptation tends to mitigate the negative effect climate change has on dissolved organic matter regeneration, with varying degrees depending on the biogeographical region. In order to generate predictions of our model at the global scale, we develop a novel framework for integrating eco-evolutionary processes with Earth system models. We find that bacterial adaptation in the microbial loop adds uncertainty to global ocean ecosystem forecasts, and call for further eco-evolutionary studies at this scale. Finally, we extend our eco-evolutionary modeling framework to address the effect of bacteriophages – arguably a major demographic factor of bacterial populations. We present preliminary analyses of bacteriophages’ influence on the carbon cycle and how they may alter the speed and dynamics of bacterial adaptation to changing environments. Overall, this thesis emphasizes two current `blind spots' of Earth system models: an explicit representation of the microbial loop and the integration of eco-evolutionary processes that are mediated by ocean microorganisms.