N° du semestre Libellé de l’UE 1 Océanographie générale 1 Océanographie biologique 1 Océanographie chimique 1 English for oceanography 1 Projet en environnement I 1 Projet en environnement II 1 Modélisation environnement marin 1 statistique 2 MQEM : Méthodes Quantitatives avancées en milieu marin 2 Contenu en EMFE : Ecologie Microbienne Présentation progressive des connaissances en 3 étapes 1-: rappels des caractéristiques fondamentales des masses d’eau océaniques et des échanges d’énergie à l’interface océan-atmosphère ; 2 : compréhension de grands types de circulation des masses d’eau océaniques et méthodes pratiques de calcul de flux massiques ou de vitesses de courant adaptées aux études d’écologie marine ; 3 application des connaissances acquises sur les caractéristiques hydrologiques et la circulation des masses d’eau océaniques au fonctionnement particulier des bassins Austral, Atlantique et Pacifique et au fonctionnement particulier de la Méditerranée eurafricaine. 1.Les grands ensembles végétaux et la production primaire marine, 2.Les écosystèmes pélagiques : Phytoplancton, zooplancton, réseau microbien, 3.Le contrôle hydrodynamique de la production primaire pélagique ,4.Biogéographie et typologie des écosystèmes pélagiques marins, 5.Les écosystèmes benthiques : Rôle du substrat dans la structuration et le fonctionnement, notions de faciès. 6.Flux de matières et d’énergie : Réseaux trophiques, couplage pelagos–benthos. Composition chimique de l’eau de mer : Les composés majeurs de l’eau de mer exemples de variation de la composition relative des éléments majeurs. Les éléments biologiquement actifs (oxygène et macronutriments) : stock, flux distribution et relation avec la circulation générale. Le système des carbonates Notion de salinité, Oxygène dissous, étude de profils), Macronutriments (fractions mesurables de l’azote et du phosphate, méthodes de mesure, calculs de concentration et de gradients, notion de flux), Equilibre des carbonates (construction des diagrammes log-log). Détermination des variables suivantes dans l’eau de mer: oxygène dissous, salinité, masse volumique, sels nutritifs, chlrophylle a, pH, alcalinité, calcium, azote organique dissous et particulaire. A partir de sources et de sites web professionnels : lire, écouter, regarder, présenter et interagir à l’oral sur des sujets d’actualité en océanographie/océanologie ; apprendre les bases de la rédaction scientifique ; intervenir seul et en groupe dans le contexte de présentations formelles avec support visuel informatique et poster Stage de recherche ou recherche bibliographique sur un sujet environnemental Stage ou de recherche ou recherche bibliographique sur un sujet environnemental Nous présentons dans cette UE les méthodes de conception de modèles dans les sciences de l’environnement. A travers des exemples, nous introduisons les méthodes mathématiques nécessaires pour extraire l’information des modèles. Les notions mathématiques abordées portent sur l’algèbre linéaire, les équations différentielles, l’initiation à la théorie des systèmes dynamiques (notion d’équilibres, stabilité, comportement qualitatif de solutions, …). Les applications portent sur l’étude de modèles classiques de dynamique des populations. En statistique, quelques rappels sur la théorie des probabilités et les lois de probabilités usuelles sont présentées. D’un point de vue théorique, nous abordons des méthodes standards d’analyse multivariées dont l’objectif consiste à extraire l’information contenue dans le tableau de données en tenant compte des relations entre variables. Description d’un tableau de données. Statistiques de base. Corrélation / Covariance. ACP, AFC, Analyse discriminante. ACP pour des courbes. Représentation graphique de courbes. Etudes des communautés et des processus procaryotiques du cycle de l’azote et facteur de régulation (dénitrification, Crédits Volume horaire étudiant 6 60 6 60 6 60 6 38 3 6 2 semaines 4 semaines 3 30 3 30 6 50 6 50 et Fonctionnement Ecosystèmes des 2 GEN : Génétique des populations et phylogéographie 2 PERT : Perturbation Anthropique 2 Nutrition minérale des producteurs primaires 2 Stage 2 DIV ; Diversité du vivant et rôle dans la biosphère marine 2 INDI : Indicateurs de la qualité du milieu marin 2 STRAT : Stratégie adaptatives des organismes marins nitrification, réduction dissimilative du nitrate en ammonium, anammox, fixation d’azote, assimilation, minéralisation de l’azote) Etudes des communautés et des processus procaryotiques impliqués dans le cycle du carbone et facteur de régulation (fixation du carbone, hétérotrophie, méthanogénèse, methanotrophie, minéralisation du carbone)Etudes des communautés et des processus procaryotiques impliqués dans le cycle du soufre et facteur de régulation .- rappels: historique, équilibre de Hardy-Weinberg, dérive, migration, mutation, sélection - structuration des populations en milieu marin - phylogéographie: principes, interprétations, application à la Méditerranée - analyses de données de séquence: impact de la sélection, des processus démographiques, introduction à la théorie de la coalescence - TD d'analyses de données génétiques sur ordinateur - aspects génétiques des processus de spéciation Différents types de perturbations (naturelles et anthropiques) et de stress en milieu marin. 4. Impact des perturbations sur quelques grands types d'écosystèmes marins. 1.Eutrophisation côtière, proliférations de micro et macrophytes, rôle des microorganismes dans la transformation des polluants en milieu marin (biorémédiation des déversements d'hydrocarbures, transferts de polluants dans les réseaux trophiques), 1-Introduction (nutrition minérale et biodiversité – le paradoxe du plancton, caractéristiques d’une culture en milieu fermé, principe de la culture continue, modèles à un compartiment, à deux compartiments, à plus de deux compartiments), 2.Nutrition minérale : les macronutriments (absorption et assimilation de l’azote, du phosphore, mobilité des organismes et compétitivité vis-à-vis du phosphore, métabolisme du silicium et morphogenèse du frustule des diatomées), 3.Nutrition minérale : les métaux-traces (fonctions physiologiques des métaux, biodisponibilité des métaux, mécanismes d’absorption des métaux, relation avec la spéciation, compétition interspécifique et rôle des ligands, mécanismes de régulation de la concentration intracellulaire, compétition entre métaux et toxicité), 4.Les équilibres dissociation-diffusion5.Compétition entre espèces (rapport nutritif optimal, coexistence et dominance, compétition dans un milieu variable, co–limitations nutritionnelles). Stage de recherche sur un sujet environnemental 1.Origine et évolution de la diversité du monde vivant. Les méthodes qui permettent de la comprendre. Diversité et spécificité des principaux phylums et règnes de Procaryotes et d'Eucaryotes : Bactéries, Archées, Alvéolés, Discicristates, Rhizaria, Plantae, Straménopiles, Opisthochontes (Microsporidiues, Fungi, Choanoflagellés et Métazoaires). Pour chacun de ces taxons, on se centrea sur les caractères spécifiques (marqueurs biochimiques, caractères dérivés, biologie, écologie et rôle en milieu marin. Description des principaux indicateur chimique et biologique et de la qualité du milieu dans les sédiment et la colonne d’eau : Ammonium, chlorophylle,DBO,métaux lourds , Espèces indicatrices (macrophyte, métazoaire benthique, phytoplancton toxique, bactérie indicatrice de contamination fécale…), réglementation, réseau nationaux de surveillance. Etude de cas . Physiologie des poissons. Au travers du modèle biologique "poisson", le rôle des systèmes sensoriels (olfaction, vision, chémo- et électro-réception) dans la biologie de ces organismes, et en quoi cela a des implications sur les stratégies de détection des proies, de regroupement des individus, etc.. Modes de vies : caractéristiques majeures de la compétition 6 50 6 50 6 50 6 50 6 50 6 50 6 50 2 PAL :Paléoclimatologie, paléocéanographie 2 Initiation à la modélisation côtière 2 ECON : Initiation à l’économie de l’environnement 2 HET : Hétérogénéité des Ecosystème approche Théorique et appliquée 2 TEMP : Analyse de séries chronologiques et traitement de signal. intra- et interspécifiques, en particulier pour mieux aborder les stratégies larvaires et de colonisation, mais aussi le parasitisme. Stratégies alimentaires :différents types de réponses alimentaires, pour ensuite aborder les mécanismes et stratégies de sélection des proies. Elements et principes de climatologie, fonctionnement du climat Rôle des circulations générales atmosphériques et océaniques dans la régulation du climat. Réponses des environnements aux changements du climat. Notions de proxies paléoclimatiques dans les séquences sédimentaires et les glaces polaires et calibration chronologique des enregistrements. Théorie astronomique des paléoclimats : variations climatiques à l’échelle des derniers millions d’années. Développements récents en paléoclimatologie : la haute résolution temporelle des derniers cycles climatiques. Contraintes géodynamiques à long terme sur le Climat global : tectonique des plaques et paléocéans. Conséquences d'un impact : la limite Crétacé/Tertiaire, Strangelove Ocean. Climats chauds et océans stratifiés du Crétacé. Les événements du Miocène et le développement du système océan/climat actuel. Le système d'équations de la dynamique des fluides intégrées sur la verticale La grille de calcul du modèle_Discrétisation des équations selon le schéma numérique en différences finies de type AD-Présentation de l'organigramme et du code Fortran du modèlé-Rappels sur les fluides et leur écoulement : définition d’un fluide, Propriétés des fluides et de leur écoulement – masse volumique et densité, viscosités moléculaire, cinématique et dynamique, viscosité d’un mélange fluide-particules –, écoulement laminaire et turbulent – nombre de Reynolds -Les principaux processus hydrodynamiques côtiers et leur impact sur le sédiment : écoulement en chenal ouvert – les fleuves –, écoulements oscillatoires – marée, vagues et les houles, ondes internes, courants de turbidité-Tensions exercées sur le fond par un courant ou par un mouvement oscillatoire Qu'est-ce que l'économie de l'environnement ? Les outils de l'économie Fondements théoriques de l'évaluation environnementale. Les différentes méthodes de l'évaluation environnementale. Défaillances de marché, biens publics et externalités. La régulation politique de l'environnement. L'internalisation des effets externes. Les politiques de l'environnement. Le changement climatique et le protocole de Kyoto. Comparaison et choix des instruments en absence et en présence d'incertitude. - Les concepts et théories en écologie : origine et évolution ; - Le concept d’écosystème et d’hétérogénéité ;- Ecologie des paysages ;- Théorie des systèmes et complexité (réseaux de communication) ;- Structures et intégration des structures dans l’écosystème, variabilité, stabilité, échelles spatiales et temporelles, évolution des structures ; Géométrie de la Nature (fractale, théorie constructale) ;Thermodynamique appliquée à l’écologie (concepts d’émergie et d’exergie) ;- Mesure de l’hétérogénéité ;Impact de l’hétérogénéité sur la dynamique des populations. Méthodes et techniques d'analyse des séries temporelles en biologie, écologie et océanographie (essentiellement les séries temporelles stationnaires). Point de vue des observations, point de vue des variables. - Introduction : amplitude, fréquence, échantillonnage, exemples de séries réelles, problèmes à résoudre. -Analyse dans le domaine du temps : tendance, saisonnalité, modèles de prévision simple (additif, multiplicatif), Estimation de modèle, Stationarité à l'ordre 2, fonctions d'autocovariance et d'autocorrélation, moments d'ordre supérieur, modèles AR, ARMA. Etude de cas. - Analyse dans le domaine des fréquences : analyse spectrale des séries stationnaires d'ordre 2, Analyse de Fourier, périodogramme, densité spectrale, filtrage linéaire. - Modélisation par chaînes de Markov, processus de renouvellement, processus de diffusion 6 50 6 50 6 50 6 50 6 60 2 MODA : Modélisation des Environnements Marins, techniques Avancées 3 EMM : Ecologie microbienne marine avancée 3 ACLAP : Apprentissage classification et prévision 3 AERME1 : Approche Ecosystème ressource Marine exploitée I 3 AERME2 : Approche Ecosystème ressource Marine exploitée II 3 PROT 1: Protection restauration Gestion Durable 1 Elément de réflexion sur les apports de la théorie et de la modélisation en écologie et en évolution des stratégies des organismes. Nous présentons une démarche qui permet, à partir d’une liste d’hypothèses biologiques et écologiques, d’élaborer une formulation pour un processus, puis de l’intégrer dans un modèle. La théorie des systèmes dynamiques, la théorie des jeux évolutive. méthodes de résolution analytique. Nous présentons des modèles enzymatiques, des modèles de croissance de populations, d’interactions biotiques et des modèles de biogéochimie. La structuration des populations (en âge, poids, spatiale, …). Le principe d’exclusion compétitive, le paradoxe du plancton, le paradoxe de l’enrichissement, les effets d’une structuration, les problèmes d’hétérogénéité environnementale fournissent des exemples étudiés en TD. Les modèles d'évolution de stratégies individuelles sont abordés de manière générale à travers la théorie des jeux et avec eux les notions d'équilibre de Nash et de stratégie évolutivement stable (ESS). Les jeux évolutifs en "forme normale" constituent un développement important du cours et amènent à la présentation d'outils spécifiques. Les modèles de dynamique des réplicatieurs complètent cette partie du cours en permettant d'évaluer de manière très fine comment peut agir la dynamique de la sélection naturelle confrontée à plusieurs stratégies en concurrence. Les applications sont basées sur des exemples d'interactions de coopération, de parasitisme, de compétition, de sélection sexuelle .-La boucle microbienne. Apport de la métagénomique dans la compréhension des acteurs écologique microbiens marins -Impact des éléments génétiques en écologie microbienne Communauté et éléments nutritifs (oligotrophie, Carence nutritionnelle, Etat viable/non viable-actifs/non actifs -Impact de la nature du carbone (labile/récalcitrant) - intervention d’enzyme extracellulaire pour la mobilisation des éléments nutritifs Impact des conditions environnementales sur l’activité et la présence des microorganismes -présence/absence d’oxygène (particule, OMZ, sédiment) -remaniement sédimentaire -les nouveaux métabolismes marins impliquant l’énergie lumineuse -l’impact de la pression -l’impact de la température Notion de distance entre objets. Arbre de régression, arbre phylogénétique, SVM, Classification supervisée et non-supervisée, moindres carrés, plus proche voisin, bootstrap, prédicteurs agrégés, mesure d’incertitude, erreur de prévision Enjeu et contexte des approches écosystémiques des ressources marines et de leur exploitation. Ecologie trophique et quantification des interactions trophiques par microchimie et analyses isotopiques. Modéliser les interactions trophiques dans les écosystèmes marins. Interactions ressources et environnement : dynamique spatio-temporelle du recrutement des poissons. Interactions ressources et environnement : régime shift et alternance d'espèces. Effets de la pêche et du climat sur la dynamique des écosystèmes hauturiers. Modélisation spatiale des interactions ressources pêche- environnement en dynamique des populations hauturières. Interactions spatiales ressources-environnement : approches géostatistiques. Le développement durable, dans un contexte de conflits entre usages et protection ; biodiversité et protection des espèces. Instruments de protection du milieu marin : conventions internationales, législation, AMP, ZNIEFF, Natura 2000, contrôle des rejets solides et liquides, etc. 3. Les instruments et les pratiques de gestion : réseaux de surveillance, bioindicateurs, bio-marqueurs. Eléments généraux sur les effets de la pêche et de l’aquaculture sur les milieux marins. 6 50 6 50 3 25 3 30 3 30 3 25 3 PROT 2: Protection restauration Gestion Durable 2 3 CONT : Hydrocarbures et contaminants organiques : devenir et impact 3 SDME : Système dynamique en écologie 3 SPAT : Statistique spatial 3 EVACO : Evolution adaptation et co- évolution 3 Macroevolution et environnement 3 Evolution des génomes, outils bio informatiques Génétique de la conservation. Les aires marines protégées et les récifs artificiels. . Les stratégies de restauration. . Gestion intégrée des espaces et des usages - Contaminants organiques (origine, nature, caractéristiques physico-chimiques, taux de contamination des écosystèmes marins) ;- Devenir en mer : processus abiotiques et biotiques régissant leur devenir en mer ;- Impact sur la structure et le fonctionnement des écosystèmes marins (transferts au sein des réseaux trophiques, écotoxicologie) ;Impact sur les activités anthropiques (exploitation des ressources marines, tourisme, santé) ;- Moyens de lutte (physique, chimiques et biologique) ;- Groupes microbiens (Bacteria, Archaea, Fungi) impliqués dans les processus de transformation et de dégradation des contaminants organiques ;- voies métaboliques et gènes impliqués dans la transformation et la dégradation des hydrocarbures (aérobiose et anaérobiose) ;- bioremédiation des écosystèmes marins contaminés ;- Etude de cas (travail étudiant personnel d’analyse critique portant sur des cas de pollution d'écosystèmes marins par les contaminants : cause, impact, devenir de la pollution et moyens de lutte employés). Nous présentons ici : les attracteurs d’un système dynamique, la sensibilité aux conditions initiales, l’exposant de Lyapunov, la section de Poincaré, notions de théorie des bifurcations, stabilité structurelle, dynamique symbolique, exemples de modèles de dynamiques des populations présentant des comportements dynamiques complexes. Toutes les notions vues en cours seront également appliquées au cours de séances sur ordinateur 1.Panorama des méthodes de statistiques spatiales et des recherches dans le domaine; hypothèses et modèles en géostatistique; étude variographique de données spatiales ; les différents krigeages (KS, KO, KU, KDE) et leur mise en oeuvre. Introduction rapide à la géostatistique multivariable (cokrigeage). Introduction aux processus ponctuels (modèles de PP, fonctions K et L, tests de type MC, interaction entre 2 PP). Modèles de dynamiques adaptatives. Adaptation par variation-selection de caractères quantitatifs sujets à mutations de faible effet. Modélisation de la valeur sélective. Equation canonique des dynamiques adaptatives. Notion de singularité évolutive et classification de leurs propriétés. Conséquences des mutations à grands effets. Réponses aux changements globaux : analyse des bifurcations. Autres méthodes de modélisation : Théorie des jeux, Génétique quantitative, IBMs. Analyse numérique.Etude numérique des fonctions de fitness, de l'équation canonique, des singularités évolutives. Analyse de bifurcations. Simulations individus-centrées. Applications.Radiation adaptative chez E. coli, co-évolution d’un système mutualiste, co-évolution de la prédation, diversification évolutive, suicide évolutif, dynamiques "reine rouge. -Definition de l'evo-devo. Historique et grandes questions (chez les plantes et métazoaires) ou l'utilisation d' outils et concepts modernes au service de l'évolution et de l'anatomie comparée. -une discipline récente l'éco-dévo ou identifier l'influence de l'environnement sur les processus développementaux -les liens entre évo-dévo et éco-dévo: changements environnementaux et conséquences potentielles à court et long terme sur l'évolution des organismes TD/TP: quelques exemples illustrant liens entre territoire d'expression de gènes et structures morphoanatomiques; exposés sur analyse d'articles, TP sur effets de produits chimiques sur processus développementaux -Taille et composition des génomes: composition, codon (et usage), séquences codantes/non codantes, introns, séquences régulatrices, junk DNAprincipaux mécanismes d'évolution des génomes: modifications de séquence, duplications, évolution concertée/divergence, transferts horizontaux, éléments transposables, translocation/recombinaison, domain shuffling, taux d'évolution 3 25 6 50 3 30 3 30 6 50 3 30 6 60 4 stage -rappels sur les techniques d'acquisition de séquences et présentation des outils bioinformatiques pour l'étude des génomes- Exemples pratiques d'utilisations et débouchés -recherche/rapatriements/alignements de séquences; comparaison de séquences (composition, codon usage bias, taux d'évolution...), détermination d'amorces pour PCR, séquençage..., prédictions de sites, ORF et domaines... Stage dans un laboratoire de recherche de 4 mois 30