Dynamique terrestres des nutriments médiée par les animaux : étude des déchets, du transfert trophique et des signatures isotopiques

Animal-mediated terrestrial nutrient dynamics : investigating wastes, trophic transfer, and isotopic patterns

• Auteur / Autrice : Samuel M. Charberet
• Direction : Jérôme Mathieu, Isabelle Gounand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie des organismes
• Date : Soutenance le 22/12/2023
• 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 d’écologie et des sciences de l’environnement de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Julien Gasparini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christiane Gallet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Tanguy Daufresne, Marie-Elodie Perga

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lépidoptères

Biogéochimie

Homéostasie

Stoechiométrie

Chaînes alimentaires

Cycles nutritifs

Mots clés libres

Recyclage des nutriments

Théorie métabolique de l'écologie

Physiologie

Stœchiométrie écologique

Nutrient cycling

Metabolic theory of ecology

Physiology

Ecological stoichiometry

Résumé

Certains éléments chimiques sont particulièrement importants pour les organismes. Le carbone (C), le squelette des biomolécules, l’azote (N) des protéines essentielles à toute fonction, et le phosphore (P), au cœur de l’énergie chimique de l’ATP sont si importants que la structure des écosystèmes terrestres, dépend en partie des flux de ces éléments, ainsi que de leur proportion relative, ou stœchiométrie, dans le sol. Or, les animaux se nourrissent et produisent des déchets sous forme de fèces et d’urine contenant ces mêmes éléments (C, N, P), dont le devenir dépend fortement de la quantité et de la qualité de ces déchets. Cependant, la quantité et la qualité des déchets varient entre espèces, a priori en fonction de paramètres physiologiques et alimentaires, mais cette relation est peu documentée. En particulier, la masse corporelle, qui détermine le taux métabolique de l’individu, et le régime alimentaire (herbivore, carnivore, omnivore, détritivore), la richesse nutritionnelle ou la quantité disponible de la ressource sont tous des facteurs susceptibles d’influencer la qualité et la quantité des déchets produits par les animaux, mais aussi leur homéostasie chimique. Afin d’étudier les facteurs déterminants la composition chimique des fèces et l’homéostasie chimique de l’animal à une large échelle phylogénétique, nous avons assemblé des données bibliographiques sur un grand nombre d’espèces animales terrestres. Pour compléter la gamme d’espèces, nous avons par ailleurs effectué de nouvelles mesures. L’analyse montre que le régime alimentaire et la qualité de la ressource sont les facteurs principaux affectant la composition des déchets. La taille corporelle, quant à elle, a peu d’effets. Nous avons également mené une expérience au niveau intraspécifique pour déterminer l’effet de la quantité de ressource sur l’homéostasie chimique, le temps de rétention et les propriétés chimiques des fèces chez Spodoptera littoralis, et ce tant sur les éléments (C, N, P) que sur certains isotopes du carbone et de l’azote. La réduction de la quantité de ressource induit des changements physiologiques importants, dont l’augmentation de l’efficacité d’absorption élémentaire et des isotopes lourds, et réciproquement une réduction de l’excrétion des nutriments (dont N et P). Cela provoque une augmentation du temps de rétention des nutriments dans la biomasse ainsi qu’une diminution de la qualité et de la quantité des déchets. En somme, le recyclage est ralenti lorsque la ressource devient rare. L’ensemble de ces résultats montrent que les animaux sont des noeuds biogéochimiques capables d’adaptations qui interagissent avec le cycle des nutriments et les propriété des chaînes trophiques.

Certain chemical elements are particularly important for organisms. Carbon (C), the skeleton of biomolecules, nitrogen (N) from proteins essential to all functions, and phosphorus (P), at the heart of the chemical energy of ATP, are so important that the structure of terrestrial ecosystems depends in part on the flow of these elements, but also on the relative proportion, or stoichiometry, of these elements in the soil. Heterotrophs, particularly animals, feed and produce waste in the form of faeces and urine containing these elements (C, N, P), the fate of which highly depends on the quantity and quality of this waste. Quantity and quality vary between species depending on physiological and dietary parameters, but this relationship is poorly documented. Body mass, which determines an individual’s metabolic rate, as well as diet (herbivore, carnivore, omnivore, detritivore), resource quantity and quality are all factors likely to influence the quality and quantity of waste produced by animals, as well as the chemical homeostasis of their own body. To study the factors determining the chemical composition of faeces and the chemical homeostasis of the animal on a broad phylogenetic scale, we assembled bibliographical data on a large number of terrestrial animal species and carried out new measurements. The analysis of this dataset shows that diet and resource quality are the main factors affecting waste composition. We also conducted an experiment to determine the effect of resource quantity on the chemical homeostasis, retention time and chemical properties of faeces in Spodoptera littoralis, both for the elements (C, N, P) and for certain isotopes of carbon and nitrogen. The reduction in the quantity of resources induces major physiological changes, including an increase in the efficiency of elemental absorption and of heavy isotopes, and conversely a reduction in the excretion of nutrients (including N and P). This leads to an increase in the retention time of nutrients in the biomass and a reduction in the quality and quantity of waste products. In short, recycling slows down when resources become scarce. These results show that animals are biogeochemical nodes capable of adaptations that interact with the nutrient cycle and the properties of trophic chains.