Structuration spatiale et variabilité des écosystèmes mésopélagiques dans l'Océan Indien Sud

Spatial structuring and variability of mesopelagic ecosystems in the southern Indian ocean

• Auteur / Autrice : Lloyd Izard
• Direction : Jean-Benoît Charrassin, Cédric Cotté
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation, télédétection, observation et techniques spatiales pour l'océan, l'atmosphère et le climat
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'océanographie et du climat : expérimentations et approches numériques (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Damien Cardinal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Severine Martini
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Arnaud Bertrand, Alice Della Penna

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acoustique sous-marine

Écologie pélagique

Indien, Océan (sud)

Effets du climat

Zooplancton marin

Mots clés libres

Océan Indien Sud

Écosystèmes mésopélagiques

Acoustique active

Analyse de données fonctionnelle

Southern Indian Ocean

Mesopelagic ecosystems

Active acoustics

Functional data analysis

Résumé

L'océan Indien Sud abrite une riche diversité de milieux océaniques, de communautés pélagiques et de populations de prédateurs qui ont récemment abouti à des zones de conservation et un classement au patrimoine mondial de l'UNESCO. Cependant, des populations de prédateurs de la région ont montré des signes de déclin, probablement liés aux effets du changement climatique et à la dynamique de leurs proies. Ces dernières sont principalement composées de zooplancton et de micronecton, qui occupent une place centrale dans les écosystèmes marins en influençant les cycles biogéochimiques et le transfert d'énergie et de biomasse le long du réseau trophique. Cependant, l'étude de leur structuration est complexe en raison de leur distribution en profondeur dans la zone mésopélagique (200-1000 m) et de leurs migrations verticales quotidiennes, en faisant l’une des zones les moins connues à l'échelle globale. Dans cette thèse, nous utilisons l'acoustique active, qui permet de suivre ces organismes avec une haute résolution spatiale et verticale, pour étudier la structuration des écosystèmes mésopélagiques dans deux systèmes océaniques contrastés. Nous avons d'abord examiné leur réponse dans une zone de transition entre ces océans, dans la région des îles Saint-Paul et Amsterdam. Nos résultats indiquent que les migrations nycthémérales sont le principal facteur structurant verticalement les organismes pélagiques, même dans une zone de transition marquée. Trois régions ont été identifiées, cohérentes spatialement et partageant des caractéristiques environnementales et acoustiques communes. L'observation à 38 kHz (couramment utilisée en hydroacoustique) a confirmé une activité biologique accrue dans la zone subtropicale et un minimum dans la zone subantarctique. Cependant, nos analyses révèlent également une réponse acoustique distincte en fonction de la fréquence acoustique considérée, en termes de structuration verticale et de biomasse intégrée. De plus, les faibles niveaux mesurés dans l'océan Austral semblent ne pas correspondre aux fortes biomasses consommées par les importantes populations de prédateurs marins de cette région. Ces observations mettent en évidence un problème de résonance acoustique pour l'étude de ces organismes. Pour étudier ce phénomène, notre seconde étude s'est focalisée sur la structuration des communautés mésopélagiques à l'échelle régionale, proposant une classification des paysages acoustiques à deux fréquences permettant de sonder jusqu'à 1000 m de profondeur. Quatre régions spatialement cohérentes ont été identifiées en se basant sur la combinaison de la structuration verticale aux deux fréquences considérées. Les résultats de cette étude révèlent une inversion de la dominance de la réponse acoustique entre le 38 et le 18 kHz au niveau du front subantarctique, confortant l'hypothèse d'un changement de communauté à ces latitudes, et questionnent l'utilisation du 38 kHz comme descripteur des communautés mésopélagiques. Les données acoustiques étant complexes (potentiellement multivariées, en quatre dimensions, et aux portées verticales distinctes), les travaux présentés dans cette thèse ont également contribué au développement de méthodes d'analyse fonctionnelle permettant de concilier la variabilité horizontale, verticale et temporelle de ces écosystèmes. La gestion des écosystèmes marins nécessitant une compréhension des dynamiques de ces systèmes et de la structuration des communautés qui les composent, nos travaux ont également eu des échos en conservation marine; au niveau national, en contribuant au dossier d'extension de la réserve naturelle des îles Saint-Paul et Amsterdam, puis international en contribuant à l'écorégionalisation de la zone pélagique de la région subtropicale et subantarctique de l'océan Indien Sud.

The Southern Indian Ocean hosts diverse oceanic environments, pelagic communities, and predator populations that have recently led to the establishment of conservation areas and UNESCO World Heritage recognition. However, predator populations in this region have displayed signs of decline, likely attributed to the impacts of climate change and prey dynamics. These prey populations consist predominantly of zooplankton and micronekton, playing a crucial role in marine ecosystems by influencing biogeochemical cycles and the transfer of energy and biomass along the trophic web. Nevertheless, the study of their structuring is intricate due to their deep distribution in the mesopelagic zone (200-1000 m) and their daily vertical migrations, making it one of the least explored areas on a global scale. In this thesis, we employ active acoustics, which provides high spatial and vertical resolution for tracking these organisms, to investigate the structuring of mesopelagic ecosystems in two contrasting oceanic systems. We initially examined their responses in a transition zone between these oceans, within the Saint-Paul and Amsterdam Islands region. Our findings indicate that nycthemeral migrations are the primary factor vertically structuring pelagic organisms, even within a pronounced transition zone. Three spatially coherent regions were identified, sharing common environmental and acoustic features. Observations at 38 kHz (commonly used in hydroacoustics) confirmed increased biological activity in the subtropical zone and a minimum in the subantarctic zone. However, our analyses also reveal a distinct acoustic response based on the acoustic frequency considered, in terms of vertical structuring and integrated biomass. Additionally, the low levels measured in the Southern Ocean appear inconsistent with the high biomasses consumed by the large marine predator populations in this region. These observations highlight an acoustic resonance issue in the study of these organisms. To investigate this phenomenon, our second study focused on the structuring of communities at a regional scale, proposing a two-frequency acoustic landscape classification, both probing depths of up to 1000 m. Four spatially coherent regions were identified based on the combination of vertical structuring at the two considered frequencies. The results of this study reveal a shift in the dominance of acoustic responses between 38 and 18 kHz at the subantarctic front, supporting the hypothesis of a community change at these latitudes and raising questions regarding the use of 38 kHz as a descriptor for mesopelagic communities. Given the complexity of acoustic data (potentially multivariate, with distinct vertical ranges, and four-dimensional), the work presented in this thesis also contributed to the development of functional analysis methods to reconcile the horizontal, vertical, and temporal variability of these ecosystems. As marine ecosystem management requires an understanding of the dynamics of these systems and the structuring of the communities within them, our work has also had implications in marine conservation. At the national level, it contributed to the extension of the Saint-Paul and Amsterdam Islands Nature Reserve, and at the international level, it contributed to the ecoregionalization of the pelagic zone in the subtropical and subantarctic region of the South Indian Ocean.