Les écosystèmes procurent de nombreux services essentiels aux sociétés humaines à travers les effets positifs de la biodiversité des communautés d'espèces. Par conséquent, identifier le rôle des organismes vivants et les facteurs influençant la diversité de leurs fonctions (ou diversité fonctionnelle), est indispensable pour prédire efficacement l'évolution des écosystèmes soumis aux pressions locales et globales.Cette thèse s'articule donc autour de deux axes: (i) établir un cadre méthodologique pour décrire la structure fonctionnelle locale et régionale des communautés, et (ii) améliorer la connaissance de l'impact des poissons sur la dégradation de la matière organique.Dans un premier temps, nous avons consolidé les outils méthodologiques permettant (i) d'améliorer la fiabilité des dendrogrammes fonctionnels, (ii) l'étude comparative des principaux indices de diversité fonctionnelle à l'échelle locale, et (iii) le développement d'une nouvelle décomposition de la diversité fonctionnelle en composantes locale (α), régionale (γ) et turnover (β). Appliqué aux communautés ichthyologiques échantillonnés le long d'un gradient de salinité, dans le système lagunaire de Patos-Mirim (Brésil), ce socle méthodologique nous a permis de révéler une structure fonctionnelle stable le long du gradient, en dépit d'une forte variabilité en composition d'espèces, ces communautés étant structurées majoritairement par un filtre environnemental agissant sur les capacités de locomotion des poissons.Dans un second temps, nous avons étudié l'impact des communautés ichthyologiques sur le cycle des nutriments. Plus précisément, nous avons estimé le potentiel de dégradation de la matière organique de plusieurs espèces de poissons, en étudiant la diversité fonctionnelle et génétique de leur flore bactérienne intestinale. Nous avons montré que les communautés ichthyologiques pouvaient influencer le recyclage des nutriments de façon non négligeable en raison d'un important potentiel de dégradation commun à la plupart des espèces étudiées, ce potentiel étant peu affecté par la diversité génétique ou les facteurs environnementaux. / Ecosystems provide many services essential to Human societies through the positive effects of biodiversity exhibited by species communities. Therefore, identifying the role of living organisms and the factors influencing the diversity of their functions (i.e. functional diversity) is fundamental to accurately predict the evolution of ecosystems undergoing local and global pressures.This thesis is organized around two axes: (i) establishing a methodological framework to describe the functional structure of local and regional communities, and (ii) improving our knowledge of the impact of fish on the degradation of organic matter.First, we have consolidated the methodological tools through (i) the improvement of functional dendrograms reliability, (ii) the comparative study of the main indices estimating local functional diversity, and (iii) the development of a new decomposition of functional diversity into local (α) and regional (γ) components, and functional turnover (β). Applied to fish assemblages sampled along a salinity gradient in Patos-Mirim lagoons complex (Brazil), this methodological framework allowed us to reveal a steady functional structure, despite a high variability in species composition, these communities being primarily structured by environmental filtering acting on fish locomotion abilities.   In a second step, we studied the impact of fish communities on nutrient cycling. More specifically, we estimated degradation of organic matter potential of several fish species by studying the genetic and functional diversity of their intestinal bacterial flora. We showed that the fish community could significantly influence nutrient cycling through an important degradation potential, common to most species studied, which is weakly affected by genetic diversity or environmental factors.

Ce travail de thèse s'inscrit dans l'effort actuel de construction d'une écologie intégrative. J'y étudie les mécanismes d'interaction entre ressources abiotiques, réseaux trophiques et propriétés des écosystèmes, au moyen d'une expérience d'évolution, d'un modèle de méta-écosystème et d'un modèle bioénergétique d'assemblage d'écosystèmes. Les organismes modifient la disponibilité des ressources en les prélevant pour leur croissance. Inversement, la disponibilité des ressources influence la diversité et la composition en espèces du réseau trophique, en agissant comme force de sélection sur les traits d'acquisition des ressources (chap. 1, 5). Les propriétés de l'écosystème, telles que stabilité et productivité, dérivent des interactions entre la dynamique des ressources et celle du réseau trophique (chap. 2). Enfin, le fonctionnement de l'écosystème rétroagit sur les ressources abiotiques via le recyclage de la biomasse (chap. 2, 5). Ces processus interviennent lors de l'assemblage des réseaux trophiques et structurent le développement des écosystèmes (chap. 3-5). Dans cette thèse j'analyse ces mécanismes de rétroaction biotique-abiotique sur plusieurs échelles d'organisation, d'espace et de temps. Notamment, les modèles développés ici fournissent des outils novateurs pour étudier les mécanismes de construction des écosystèmes, en mettant en évidence les liens entre métabolisme des espèces, structure du réseau trophique et fonctionnement de l'écosystème, et leur variation au cours du temps. Ce travail ouvre de vastes perspectives de recherche en combinant les derniers progrès d'une écologie intégrative dans une conception mécaniste du développement des écosystèmes. / This thesis participates to the current effort towards the construction of an integrative ecology. I study the feedback mechanisms between abiotic resources, food webs and ecosystem properties, through an evolution experiment, a model of metaecosystem, and a bioenergetic ecosystem assembly model. Organisms modify resource availability by consuming them for their growth. Conversely, resource availability influences the species diversity and composition of the food web, by acting as a selection pressure on traits for resource acquisition (chap. 1, 5). Ecosystem properties, such as stability and productivity, derive from the interactions between resource and food web dynamics (chap. 2). Finally, ecosystem functioning feeds back on abiotic resources through the recycling of biomass (chap. 2 and 5). These processes occur during the food web assembly and drive the development of ecosystems (chap. 3-5). In this thesis I analyze these biotic-abiotic feedback mechanisms on several scales of organization, space and time. The models developed here provide innovative tools to study the mechanisms of ecosystem construction by pointing out the links between species metabolism, food web structure and ecosystem functioning, and their variation through time. This work opens wide research perspectives, as it combines the most recent progress of an integrative ecology into a mechanistic framework of ecosystem development.

L'objectif de ce travail est d'étudier les relations entre la diversité des macro-invertébrés détritivores et la dynamique de la matière organique (MO) dans les sols limoneux des plateaux de Haute-Normandie. Ce travail vise à répondre à deux hypothèses : (H1) la biodiversité et les MO du sol sont influencées par les modifications environnementales induites par les gestions agricole et forestière et (H2) les assemblages de macro-détritivores influencent la dynamique de la MO du sol. Les systèmes étudiés incluent une culture intensive et des prairies d'âge croissant (0,5 à 33 ans), ainsi que des parcelles gérées en futaie régulière de hêtre (30 à 200 ans). La relation a été étudiée à l'échelle de la parcelle ainsi que dans des microcosmes réalisés au laboratoire. Dans les sols forestiers, la diversité spécifique des macro-détritivores diminue avec l'âge du peuplement. Les stocks de C dans le sol ne varient pas au cours de la rotation forestière, alors qu'ils augmentent dans l'episolum humifère jusqu'à 120-140 ans avant de se stabiliser. Si ces résultats empiriques ne permettent d'établir un lien entre diversité des macro-détritivores et stocks de C, une relation apparaît toutefois avec certaines fractions des horizons holorganiques. L'impact des macrodétritivores sur la biodégradation des feuilles de hêtre a donc été testé en conditions expérimentales. Les résultats expérimentaux permettent de classer les macro-détritivores en groupes distincts à partir de leurs effets spécifiques sur la biodégradation des feuilles. En faisant varier le nombre d'espèces dans les assemblages expérimentaux, nous mettons en évidence que la biodégradation est davantage liée à la diversité fonctionnelle (mesurée ici par la dissimilitude morphologique) qu'à la diversité spécifique. Les assemblages sont plus performants lorsqu'ils présentent une similarité morphologique intermédiaire. Ce niveau optimal de similarité pourrait correspondre à un point d'équilibre entre interactions compétitives et complémentarité au sein des assemblages. Dans les sols agricoles, il existe une augmentation simultanée de la diversité spécifique des vers de terre, des stocks de C et de la stabilité de la structure du sol dans les premières années de prairie. Cependant, dans les prairies plus âgées, le stock de C et la stabilité de la structure continuent d'augmenter alors que la diversité des lombriciens reste stable. Il n'y a donc pas de lien net entre la diversité des lombriciens et les stocks de C ou la stabilité structurale. Les résultats obtenus en conditions contrôlées montrent que les effets des vers de terre sur le dégagement de C-CO2, la teneur en MO et la stabilité structurale des gros macro-agrégats dépendent de l'espèce impliquée et du taux de MO initial du sol. De plus, dans un sol pauvre en MO (sol de culture intensive), l'augmentation de la diversité spécifique des lombriciens stabilise la minéralisation du C et augmente la stabilité structurale et la teneur en MO des agrégats. Ce résultat peut être expliqué par l'augmentation de la protection physique de la MO dans des agrégats stables avec la diversité spécifique des vers. D'une façon générale, les résultats obtenus au champ montrent que la richesse spécifique des macro-détritivores est plus influencée par le type d'occupation du sol que par la dynamique des systèmes, réfutant ainsi en partie l'hypothèse H1. D'autre part, les stocks de C dans les sols ne varient pas avec l'âge du peuplement de hêtre alors qu'ils augmentent avec l'âge des prairies, réfutant ainsi en partie l'hypothèse H1. D'autre part, les résultats des expérimentations en microcosmes permettent de classer les espèces en fonction de leurs effets sur la dynamique de la MO. En outre, la dynamique de la MO est modifiée lorsque la diversité des macro-détritivores change, confirmant donc l'hypothèse H2. Les recherches futures devront maintenant se pencher sur les relations complexes qui relient : les traits fonctionnels des macro-détritivores, les interactions entre ces espèces et les processus écologiques dans le système sol.

Dans les écosystèmes aquatiques, l'activité anthropique, mais aussi le contexte naturel induisent chez les organismes aquatiques des situations de stress multiples. Parmi les sources potentielles de perturbation, trois d'entre elles, d’origine chimique, ont été étudiées : contamination métallique, une contamination par un herbicide, par un mélange d’alkylphénols polyéthoxylés et enfin une contamination par un produit pétrolier. Cette démarche entre dans le cadre de la directive européenne REACh (Registration Evaluation Autorisation of CHemicals) mais aussi de la directive cadre eau DCE (directive 2000/60/CE) du parlement Européen et du Conseil établissant une politique communautaire dans le domaine de l'eau. Il s’agit en fait d'évaluer la pertinence d’une série d’indicateurs précoces de pollution (ex : biomarqueurs) afin de prédire l'effet des substances chimiques lors de contaminations chroniques ou ponctuelles du milieu aquatique. Une approche intégrée des interactions des substances ou produits sélectionnés sur la réponse génétique, protéique, cellulaire, histologique et individuelle chez la truite arc-en-ciel, Onchorynchus mykiss, a été entreprise en mésocosmes ouverts et dynamiques et en laboratoire. In vivo, une étude multimarqueurs sur des truites juvéniles femelles diploïdes a été menée à chaque exposition, de 21 ou 28 jours, et durant une période de « récupération » afin d'estimer les effets sur la physiologie des truitelles. Le mélange de nonylphénols polyéthoxylés et l’essence utilisés pour les expositions montrent ainsi des effets qui perdurent jusqu’à la fin de cette période de « récupération ». Les mésocosmes, utilisés lors de cette thèse, offrent des conditions favorables au maintien et à la croissance de truites juvéniles. (...) Dans une démarche de recherche de biomarqueurs d’effets chez une espèce modèle, transposer ces travaux chez des poissons (mâles et femelles) à des stades de développement différents pourrait ainsi permettre d’isoler les paramètres les plus pertinents, à chaque stade ou pour l’ensemble du cycle de l’espèce, afin d’apporter de nouveaux outils pour la surveillance des milieux aquatiques. / In the aquatic ecosystems, anthropic activity, but also natural environment induce several kind of stress in aquatic organisms. Among the potential sources of stress, three chemicals were studied here: a metal, a bipyridylium herbicide, a mixture of nonylphenol polyethoxylate and an oil product exposure. This study enters within the framework of the European directive REACh (Registration Evaluation Authorization of CHemicals) but also of the Directive Cadre Eau, DCE (directive 2000/60/CE) of the European Parliament. The aim is to evaluate the relevance of an early pollution indicator pool (biomarkers) in order to predict chemical substance effects during chronic exposure or after specific contaminations of the aquatic compartment. An integrated approach of the substance effects on the genetic, proteinic, cellular, histological and individual answers in the rainbow trout, Onchorynchus mykiss, were undertaken in open and dynamic mesocosms and also laboratory. In vivo, a multibiomarker study on female juvenile trout was done at each exposure, over 21 or 28 days, followed by a period of “recovery». The mixture of nonylphenol polyethoxylate and the gasoline used for the exposures thus show effects which perdurent until the end of this period of “recovery. The mesocosms used in this study offer favorable conditions for juvenile survival and growth. (...) In addition to the assessment of the measurement robustness and the biomarker relevance, we compared the data obtained in this study with the in vivo tests and those obtained using in vitro tests. This approach made possible to highlight coherent answers between in vitro the tests and in vivo markers. But in vitro tests are only one preliminary approach to quickly seek a specific toxic action. The modulation monitoring of key genes in the fish reproduction function, during a gasoline exposure, offers complementary informationabout the pollutant mode of action. We noted that the effects of the contamination on the hormonal rates were differed in time compared to the modulation of the gene transcription. In order to bring new tools for the monitoring, in a model species, of the aquatic environment,transposing this work in male and female fish at different developmental stages would enableisolating still most relevant parameters.

L'étude de l'écologie des bactéries, du phytoplancton et du zooplancton est d'intérêt majeur puisque ces organismes constituent la base du réseau trophique. En milieux côtiers, ces communautés planctoniques sont soumises à des apports anthropiques susceptibles de modifier leur écologie. C'est dans cette problématique que se situe ce travail de thèse. Un suivi annuel (avec un pas d'échantillonnage bimensuel) ainsi que nycthéméral, des bactéries, du phytoplancton et du zooplancton a été effectué dans deux écosystèmes différemment influencés par les apports anthropiques, la Petite Rade et la Grande Rade de Toulon (France, Méditerranée occidentale). Durant le cycle annuel, les concentrations de cuivre, plomb et cadmium ont également été dosées dans l'eau, la matière particulaire en suspension, les bactéries, le phytoplancton et le zooplancton. Il en a résulté que l'écologie planctonique était principalement influencée par les facteurs météorologiques, les deux rades démontrant une écologie différente du fait de leur géomorphologie. La Petite Rade a notamment mis en évidence une densité planctonique supérieure et une diversité inférieure à celles de la Grande Rade. Concernant les métaux, l'étude in situ a permis de mettre en évidence des concentrations métalliques plus importantes dans la Petite Rade que dans la Grande Rade, quel que soit le compartiment étudié. Il a été également montré que certains facteurs tels que la densité, la composition taxonomique et le milieu dans lequel évoluent les communautés planctoniques, avaient une influence sur l'évolution des concentrations métalliques dans les communautés planctoniques. Les bactéries et le phytoplancton ont démontré des capacités d'accumulation des métaux, en particulier pour le cuivre et le plomb, très importantes. En revanche, le zooplancton semble constituer une rupture dans la bioaccumulation des métaux dans le réseau trophique. Enfin, le rôle prépondérant de la matière particulaire en suspension dans le piégeage des métaux a été confirmé, démontrant de ce fait la nécessité de travailler sur des échantillons planctoniques purs pour avoir une bonne estimation des concentrations métalliques dans les différents compartiments planctoniques

La problématique de recherche développée concerne la modélisation de milieux complexes sous différentes approches. Initialement centrée sur la simulation d'écoulements fluides implémentée sur des systèmes informatiques parallèles, la thématique a évoluée vers des conceptions et des domaines d'applications plus vastes et notamment la modélisation des écosystèmes aquatiques dans leur complexité naturelle. On développe des aspects méthodologiques permettant la représentation d'organisations dynamiques détectées par des techniques de clustering puis représentées globalement dans des simulations multi-échelles. Les aspects liés à l'implémentation sont développés dans le cadre de systèmes informatiques distribués dynamiques et abordent quelques problèmes liés à la migration dynamique de codes. Le travail présenté ici traduit un instantané d'une recherche qui s'inscrit dans une dynamique qui a conduit à l'émergence d'une activité de recherche significative dans le cadre de la montée en puissance d'un laboratoire, le LIH (Laboratoire d'Informatique du Havre), et d'une formation doctorale, le DEA ITA (Informatique Théorique et Applications).

Les écosystèmes alpins, au même titre que les écosystèmes arctiques, séquestrent des quantités importantes de carbone dans leurs sols. Dans ces écosystèmes, la topographie locale détermine la répartition de la neige; un facteur qui, sur le court terme, affecte les paramètres physiques de l'environnement (effets directs) et qui, sur le long terme, a sélectionné des communautés végétales et microbiennes très différentes aux deux extrêmes du gradient de mésotopographie (effets indirects). Au regard des modifications futures des régimes d'enneigement prédits par les différents modèles climatiques, cette étude vise à explorer les contrôles directs et indirects exercés par l'enneigement sur la fixation du CO2 et la minéralisation du carbone organique dans les écosystèmes alpins. Les paramètres physiques des sols (eau et température) ont été mesurés pendant plusieurs années révélant les effets directs. Afin de quantifier les effets indirects de l'enneigement sur les flux biogéochimiques, nous avons utilisé les caractéristiques fonctionnelles des végétaux (leurs traits). Différentes approches (mesures in situ, manipulations expérimentales et modélisation) ont été employées. Cette étude démontre que la fixation du carbone le long des gradients de mésotopographie est à la fois déterminée par les traits fonctionnels végétaux, les propriétés des canopées et la longueur de la saison de végétation. Un allongement de la saison de végétation devrait entraîner une augmentation marquée de la production primaire si les événements de gel en début de saison de végétation demeurent limités. La minéralisation du carbone est au contraire largement dépendante de la qualité de la matière organique contenue dans les sols. Des changements de composition en traits fonctionnels de la végétation, notamment ceux affectant les concentrations en lignine des litières, devraient avoir un impact déterminant sur les vitesses de minéralisation de la matière organique. Enfin, l'étude des flux de carbone et d'azote dans les plantes dominantes et à l'interface plante – sol révèle un couplage temporel et spatial essentiel chez les espèces dont la croissance est limitée par la longueur de la saison de végétation. Ce couplage apparaît plus limité dans les communautés végétales bénéficiant d'une plus longue saison de végétation. L'évolution des flux et stocks de carbone au sein des écosystèmes alpins dans un contexte de changement climatique est discutée.

Les 'révolutions vertes' des 50 dernières années ont permis à l'agriculture de répondre à une demande croissante en produits agricoles, grâce aux progrès génétiques et à l'apport généralisé d'intrants permettant de lever des contraintes à la croissance des cultures. Ces pratiques n'ont toutefois pas été sans conséquences pour les écosystèmes, mettant en danger leur capacité à fournir leurs services actuels: production de nourriture et d'énergie, purification de l'eau, régulation du climat, etc... L'agriculture se trouve ainsi face à un dilemme: peut-on concilier la satisfaction de besoins en constante augmentation avec la préservation de l'environnement?<br /><br />Mes recherches s'inscrivent dans cette problématique, et sont centrées sur l'évaluation des systèmes de grandes cultures, avec une approche intégrée sous forme de bilan environnemental. Le bilan prend en compte de façon simultanée les impacts des pratiques culturales sur les milieux sol, eau, et atmosphère, pour un niveau de production donné, permettant ainsi de minimiser les transferts de pollution entre compartiments. Les impacts envisagés concernent les éléments carbone et azote, ainsi que les pesticides, à la fois pour les échanges gazeux, la rétention dans les sols et le rejet vers les eaux souterraines. La quantification des pertes environnementales repose sur une modélisation des cycles bio-géochimiques dans les systèmes sol-plante.<br /><br />Le développement de modèles intégrés de simulation des processus d'émission de polluants, avec un accent particulier sur les échanges gazeux, a constitué la majeure partie de mon activité, et dans ses différentes facettes: intégration de processus, test sur jeux de données expérimentales, extrapolation dans le temps et dans l'espace, et enfin application au diagnostic environnemental dans des contextes finalisés. Ces derniers ont impliqué des domaines comme les bio-énergies, le recyclage de déchets urbains en agriculture, ou l'introduction de cultures tolérantes aux herbicides à large spectre.<br /><br />La conclusion de ces analyses est que les marges de manoeuvre sont: i/ relativement faibles si l'on raisonne les pratiques de façon incrémentale dans le paradigme actuel, relativement intensif, ou ii/ intéressantes mais uniquement sur certains enjeux (eg, effet de serre pour bio-énergie), les autres enjeux étant plus difficiles à quantifier car tributaires des contextes locaux. Mes recherches futures vont donc porter sur une approche plus systémique des productions ou fonctions évaluées, intégrant des disciplines comme la micro-économie ou l'agronomie, et se déroulant dans un territoire décrit de façon explicite.

Cette recherche analyse le marché émergent de la télémédecine. La télémédecine concerne les actes médicaux, réalisés à distance, au moyen des TIC. Le concept de marché est envisagé ici en tant que construit social, dans une perspective socio-technique, de jeux d'acteurs situés dans un environnement institutionnel mais également des dynamiques d'usage des dispositifs TIC. Notre recherche vise à analyser l'articulation des logiques d'offre technologique avec la construction d'usages pertinents. Nous visons à construire un cadre d'analyse du marché en émergence de la télémédecine permettant d'avancer des hypothèses sur sa structuration. Depuis plusieurs années, le marché de la télémédecine est caractérisé par des projets d'expérimentation de dispositifs TIC appliqués à la santé. Ces projets d'expérimentation, configurations organisationnelles dominantes, sont portés par des enjeux d'innovation technologique ou par des enjeux d'intégration organisationnelle et socio-économique des dispositifs. Ce constat fonde le parti pris analytique et méthodologique de notre travail : étudier, in situ et au travers de cadres conceptuels spécifiques, deux projets d'expérimentation en forme d'archétypes de projets de télémédecine. La thèse avancée est que le marché de la télémédecine peut être structuré par la coalition d'acteurs hétérogènes autour d'une valeur commune, s'exprimant à travers un standard technologique, des plateformes d'offres technologiques et de services médicaux ou une vision stratégique territoriale partagée. En cela, le modèle des écosystèmes d'affaires pourrait être une configuration organisationnelle pertinente pour dynamiser le marché émergent de la télémédecine.

Depuis 15 ans, l'approche de la TRIADE, qui vise une division du territoire en trois aires d'utilisation a été proposée comme une alternative qui tend vers un aménagement durable de la forêt. De ce fait, l'objectif de la présente étude était de mieux comprendre les effets à long terme de différentes proportions allouées pour chacune des zones (conservation, aménagement écosystémique et intensif) sur la biodiversité et la récolte de la matière ligneuse en forêt boréale mixte. L'impact de six scénarios d'aménagement a été évalué par rapport à un scénario de perturbations naturelles en fonction de cinq indices de paysage ainsi que de la structure des classes d'âge et des volumes récoltés. Pour ce faire, un modèle spatialement explicite à l'échelle du paysage a été utilisé pour simuler un territoire de 390000 ha en Mauricie, au Québec pour une période de 490 ans. Les résultats obtenus indiquent que le pourcentage de vieilles forêts (100 ans ou plus) était principalement influencé par la proportion occupée par la zone d'aménagement écosystémique. De plus, tous les scénarios d'aménagement mènent à une augmentation importante de la fragmentation de la forêt. En comparaison avec le scénario de statu quo, tous les scénarios TRIADE présentent une baisse de volume à court terme. À long terme, les volumes varient selon les décennies, mais certains scénarios montrent des gains face au statu quo. De façon générale, les résultats confirment que les changements de patrons à l'échelle du paysage sont un processus très long et que la TRIADE est une option qui doit être considérée pour atteindre un aménagement durable de la forêt boréale mixte. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : TRIADE, Zonage fonctionnel, Aménagement durable de la forêt, Fragmentation, Forêt boréale mixte.