Evolution des habitats marins et adaptation des populations
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L'océan côtier Axe 6 : Evolution des habitats marins et adaptation des populations : Approches rétrospectives et modélisation prédictive Coordinateurs : Cédric Bacher (DYNECO), Christine Paillard (LEMAR) Contexte Les habitats peuvent se définir par un environnement physique et hydrologique, lequel est très fluctuant, mais aussi par la présence associée d'espèces biologiques, évoluant et développant des stratégies adaptatives particulières. Ces fluctuations ont été largement amplifiées ces dernières décennies (ie, changements globaux, invasions, maladies...), impactant fortement le fonctionnement des organismes et la structure des populations marines. . Objectif Général Analyser, modéliser et simuler l'évolution des habitats marins (biotopes et biocénoses) en prenant en compte les réponses adaptatives des organismes et des populations. Questions scientifiques A quels niveaux faut-il formaliser les interactions entre plasticité écophysiologique et adaptation des populations et changements environnementaux ? Quelles sont les conséquences de ces couplages en terme de niches écologiques et à quelles échelles spatio-temporelles sontelles observables ? Quels modèles faut il développer pour simuler l’évolution spatiotemporelle des habitats et des communautés associées ? Quel impact peuvent avoir des stratégies de conservation et de restauration en fonction des scénarios de changements ? II. Réponses adaptatives et physiologiques des organismes Réponse des populations en environnements contrastés I. Fonctionnement des habitats et des communautés Challenges expérimentaux et in situ Mécanismes d’acclimatation ou adaptation des populations aux environnements fluctuants (couplages génotypes/phénotypes/ environnement) Analyse des facteurs structurant les habitats Approches Sclérochimiques (proxies écophysiologiques et environnementaux) Modélisation distribution des communautés Modélisation distribution spatiale d’espèces Modélisation biologique Modélisation des biotopes III. Approche intégrée, scénarios d’évolution Modélisation écologique de la dynamique des populations Modélisation couplée des niches écologiques et traits fonctionnels Evolution des habitats marins en réponse aux changements globaux ; approches rétrospectives et modélisation prédictive I. Fonctionnement des habitats et des communautés Analyse descriptive des habitats Étude organismes & biocénoses Analyse des couplages Écologie & écophysiologie Capacités d’acclimatation Potentialités d’évolution génétique cartographie des habitats Modèles hydrodynamiques (courants/vagues) Couplages morphologiques Modèles sédimentaires Modèles d’habitats potentiels Modèles écologiques d’habitats : 1- sans « adaptation » 2- avec acclimatation 3- avec évolution génétique Exploitation pour réponse à des pressions (climatiques, anthropiques, parasitaires…) Modélisation morphosédimentaire couplée Changement de nature du sédiment superficiel vase sable hiver été Waeles et al., 2008 I. Fonctionnement des habitats et des communautés Étude organismes & biocénoses Analyse descriptive des habitats Analyse des couplages Écologie & écophysiologie Capacités d’acclimatation Potentialités d’évolution génétique Modèles hydrodynamiques (courants/vagues) cartographie des habitats Couplages morphologiques Modèles sédimentaires Modèles d’habitats potentiels Modèles écologiques d’habitats : 1- sans « adaptation » 2- avec acclimatation 3- avec évolution génétique Exploitation pour réponse à des pressions (climatiques, anthropiques, parasitaires…) Modèle d’habitat potentiel de laminaires Veleder et al., 2007 Paramètres environnementaux bathymétrie + éclairement + turbidité + nature du fond + température Fonctionnement des habitats et des communautés Analyse descriptive des habitats Étude organismes biocénoses Analyse des couplages Écologie & écophysiologie Capacités d’acclimatation Potentialités d’évolution génétique cartographie des habitats Modèles hydrodynamiques (courants/vagues) Couplages morphologiques Modèles sédimentaires Modèles d’habitats potentiels Modèles écologiques d’habitats : 1- sans « adaptation » Exploitation pour réponse à des pressions (climatiques, 22- avec avecacclimatation acclimatation anthropiques, 33- avec avecévolution évolutiongénétique génétique parasitaires…) Modèle écologique couplée Modélisation de la distribution de la palourde rose en Manche combinant hydrodynamique, écosystème, écophysiologie et dynamique de population Densité simulée de palourdes de 2 ans et + comparée aux données de présence-absence (●) (Holme, 1966) Savina et al., 2005 II. Réponses physiologiques et adaptatives des organismes Réponse des populations en environnements contrastés Challenges expérimentaux et in situ Mécanismes d’acclimatation/adaptation des populations aux environnements fluctuants (couplages génotypes/ phénotypes/ environnement) Approches Sclérochimiques (proxies écophysiologiques et environnementaux) Modélisation biologique Modélisation écologique de la dynamique des populations II. Réponse des organismes et des populations à la variabilité environnementale Évitement Mort (fuite) Contrainte environnementale Acclimatation: modifications réversibles (transitoire) de l’organisme en réponse à des modifications de son environnement. Échelle temporelle: minutes / jours Adaptation: changements stables (héritables) acquis pendant l’évolution pour s’adapter à un environnement particulier. Échelle temporelle: années/siècles Mécanismes d’ adaptation / acclimatation des organismes marins aux environnements fluctuants (couplages génotypes/phénotypes/environnement) Comparaison de populations évoluant dans des habitats contrastés Expression des gènes / protéines Traits de vie et Performances individuelles Génétique quantitative Comparaison d’organismes soumis à des contraintes expérimentales (au laboratoire) Expression des gènes / protéines Performances physiologiques II. Réponses physiologiques et adaptatives des organismes Réponse des populations en environnements contrastés Challenges expérimentaux et in situ Mécanismes d’acclimatation/adaptation des populations aux environnements fluctuants (couplages génotypes/ phénotypes/ environnement) Approches Sclérochimiques (proxies écophysiologiques et environnementaux) Modélisation biologique Modélisation écologique de la dynamique des populations Reconstruire les évolutions passées pour mieux comprendre les interactions organisme/environnement ! Objectifs des études sclérochronologiques / sclérochimiques : . ! Calibration de proxies structuraux / géochimiques dans des archives biogéniques ! Décrire / Reconstruire les climats et environnements passés (le passé commence hier…) Approches paléo-écophysiologiques Séquençage d’ADN ancien (échelle évolutive) Comparaison avec les mécanismes d’adaptation / acclimatation actuels ! Comparer ces données avec l’état actuel : hier était-il comme aujourd’hui? ! Quelle influence des activités anthropiques? Prise en compte des processus adaptatifs dans la modélisation biologique Modélisation bioénergétique du fonctionnement des organismes Modèle Dynamic Energy Budget (DEB) Implémentation des modèles pour une prise en compte des processus d’adaptation / acclimatation II. Réponses adaptatives et physiologiques des organismes Réponse des populations en environnements contrastés Challenges expérimentaux et in situ Mécanismes d’acclimatation ou adaptation des populations aux environnements fluctuants (couplages génotypes/phénotypes/ environnement) I. Fonctionnement des habitats et des communautés Analyse des facteurs structurant les habitats Approches Sclérochimiques (proxies écophysiologiques et environnementaux) Modélisation distribution des communautés Modélisation distribution spatiale d’espèces Modélisation biologique Modélisation des biotopes III. Approche intégrée, scénarios d’évolution Modélisation écologique de la dynamique des populations Modélisation couplée des niches écologiques et traits fonctionnels Evolution des habitats marins en réponse aux changements globaux ; approches rétrospectives et modélisation prédictive Différentes approches Expérimentation Observation Modélisation Différentes échelles spatio-temporelles Molecule Cell Ecosystem Regional futur Global Passé Différents niveaux d’organisation Approches intégratives Choix d’espèces modèles, habitats contrastés : - microorganismes - maerl - zostères - hermelles - crépidules - palourdes - huître gigas - ormeaux - coquille St-Jacques (Manche, Baies St-Brieuc, Seine, rade de Brest) - ophiures - sole ou autre poisson démersal Interactions Biotiques (prédation, compétition, parasitisme, …) Des atouts à disposition : - Réseaux de surveillance : REBENT, REPHY, … - projet de Mésocosme à Brest-Ste-Anne (soumis à Equipex) - multiples compétences sur site : biologie benthique et pélagique hydrodynamique et sédimentologie cartographie Des verrous à surmonter : modélisation biologique avec phénomènes adaptatifs, Modèles écologiques d’habitats avec évolution génétique Principaux laboratoires Laboratoire des Sciences de l‘Environnement Marin, LEMAR (UBO, CNRS, IRD), Unité Dynamiques de l’Environnement Côtier, DYNECO (Ifremer), Unité Physiologie fonctionnelle des organismes marins, PFOM Merci à Pierre Le Hir, Vianney Pichereau, Julien Thébault et Christian Hily pour la conception du diaporama Coordinnateurs : C. Bacher (DYNECO), C. Paillard (LEMAR)
