Thèse--Sc. nat.--Paris VI, 1971. / Bibliogr. p. 214 à 248.

Les patterns de biodiversité et les mécanismes qui les maintiennent ont toujours intéressé les biologistes et ont été abordés en considérant des facteurs géologiques, évolutifs et écologiques. Les processus écologiques qui déterminent la co-occurrence des espèces diffèrent en fonction de l'environnement physique de l'écosystème. De nombreuses théories ont proposé des relations entre les tendances observées dans la diversité des espèces et les caractéristiques physiques de l’environnement à grande échelle. Dans les milieux terrestres et aquatiques, l’impact de la température sur la distribution de la biodiversité compte parmi les facteurs les plus influentes et étudiés. Toutefois, de nombreux taxa marins représentent des exceptions à cette influence primaire de la température, alors qu'une fraction dominante des espèces marines est planctonique ou à larves dispersibles. La dispersion par le transport physique a certainement un impact majeur sur les patterns d'abondance des espèces dans l’environnement marin. Certains courants océaniques peuvent en effet contraindre la distribution des stades planctoniques de certaines espèces, même lorsque les paramètres démographiques et physiologiques des espèces sont insensibles aux propriétés de l'eau. Les mécanismes de transport peuvent donc influencer la distribution de la diversité à toutes les échelles, de l’individu aux populations jusqu’aux espèces. Contrairement aux écosystèmes terrestres, les écosystèmes en milieu marin sont sujets à une variabilité dont les échelles spatiales et temporelles sont dictées par les processus du transport physique turbulent. Cet aspect complique l’obtention d’informations synoptiques sur la distribution des espèces marines au niveau global et à haute résolution, alors que cette vision globale est essentielle pour pouvoir comprendre les patterns de biodiversité et les mécanismes impliqués dans leurs variations. En outre, les hotspots de biodiversité sont d’importance primaire pour les efforts de conservation. Les objectifs de cet étude sont les suivants: identifier les hotspots de biodiversité pélagique des producteurs primaires à l'échelle globale et à haute résolution; déterminer les processus physiques de l'océan qui contrôlent la dynamique spatio-temporelle des hotspots, en se focalisant sur les mécanismes de transport, de dispersion, advection et mélange; étudier l'influence de ces mécanismes de structuration de la biodiversité sur les niveaux trophiques supérieurs.Pour obtenir ces résultats, les informations sur les parcelles d’eaux aux caractéristiques biophysiques cohérentes (‘niches fluido-dynamiques’) obtenues par satellite sont utilisées pour identifier les hotspots de biodiversité microbienne comme région de forte variabilité spatiale de ces niches. Ces hotspots et le rôle du transport dans leur structuration sont étudiés par l'analyse des modèles écologiques et biophysiques de circulation globale (Modèle ECCO2-Darwin) et par l’examen de données moléculaires et morphologiques sur la structure de la communauté in-situ collectées par l'expédition Tara Oceans et Atlantic Meridional Transect. Les possibles effets ‘bottom-up’ de la diversité des producteurs primaires sur les niveaux supérieurs de la chaine trophique sont évalués par comparaison avec des modèles globaux qui intègrent des bases de données in situ. / Patterns of biodiversity and the mechanisms that maintain them have always interested biologists and have been addressed considering geological, evolutionary and ecological factors. Ecological processes that determine the co-occurrence of species differ according to the physical environment of the ecosystem. Many theories have proposed relationships between patterns in species diversity and large-scale physical features. In terrestrial and aquatic environments, the impact of temperature on the distribution of biodiversity is among the most influent and studied factors. However, many marine taxa are exceptions in the primary influence of temperature, since a large fraction of marine species is planktonic or with dispersible larvae. In the marine environment, dispersal through physical transport has a major impact on patterns of species abundance. Some ocean currents can indeed determine the distribution of planktonic stages of some species, even when demographic and physiological features of the species are unaffected by water properties. Transport mechanisms may therefore influence the distribution of diversity at all scales, from the individual to populations and species. Contrarily to the terrestrial environment, marine ecosystems are characterized by a variability that has spatial and temporal scales defined by specific biophysical processes of turbulent transport. This aspect makes it challenging to provide synoptic information on the distribution of marine species at the global level and at high resolution, features that are essential to understand patterns of biodiversity and the mechanisms involved in their changes. Moreover, hotspots of biodiversity are of primary concerns for conservation efforts. The objectives of this study are therefore: to identify biodiversity hotspots of pelagic primary producers on a global scale and at high resolution; to determine the physical ocean processes that control the spatial and temporal dynamics of such hotspots, focusing on transport-driven mechanisms like dispersion, advection and mixing; study the role of these mechanisms in the structuring of biodiversity at higher trophic levels.To obtain these results, information on water masses with coherent biophysical characteristics ('fluid-dynamical niches') obtained by remote sensing are used to identify hotspots of microbial biodiversity as regions of strong spatial patchiness. These hotspots and the role of transport in shaping their structure are studied by analysing ecological and biophysical global circulation models (Model-ECCO2 Darwin), together with molecular and morphological data on the structure of the community, obtained using in-situ data collected during the Tara-Oceans expedition and Atlantic Meridional Transect. The possible bottom-up effects of the diversity of primary producers on the upper levels of the food chain are evaluated by comparing them with global models integrated with data collected in situ.The ecological models coupled with ocean circulation, identified as biodiversity hotspots of primary producers the most dynamic areas of the global ocean characterized by increased turbulence, mixing and the presence of vortices. These oceanographic features can improve local productivity by transporting nutrients in the photic zone and increase biodiversity by the mixing of species typical of different water masses. In addition, maps of microbial biodiversity suggest a bottom up propagation of biodiversity across the ecosystem, hotspots for primary producers being positively correlated with regions where highest number of top predator species are observed.

Publicación a texto completo no autorizada por el autor / Determina la composición y abundancia del fitoplancton en tres ambientes lénticos de la región central del Perú (embalse de Yuracmayo, laguna Ticticocha y laguna Marca), en dos periodos climáticos específicos (época seca y lluviosa) y determina su correlación con algunos parámetros fisicoquímicos. Para la colecta de muestras se filtraron 80 L de agua en la zona litoral de cada ambiente con una red de fitoplancton de 10 µm e inmediatamente se fija en formaldehído al 4%, y se miden algunos parámetros fisicoquímicos. En el laboratorio se evalúa la composición y abundancia fitoplanctónica con la cámara de Sedgwick Rafter, utilizando un microscopio invertido. Se calcula los índices de Shannon Wiener-H´, equidad-J´ y dominancia-D. Los datos se analizan con métodos de clasificación (CLUSTER) y ordenación (nMDS), pruebas de hipótesis (ANOSIM) y la prueba de correlación de variables ambientales y biológicas (BIOENV). Se registran 131 taxa de fitoplancton distribuidos en 52 familias, 35 órdenes, 13 clases y 7 phyla. La comunidad de fitoplancton no varía significativamente a nivel temporal y sí a nivel espacial; la composición de especies está representada por Bacillariophyceae y Chlorophyceae, especialmente en la época lluviosa; en relación a la abundancia, las Fragilariophyceae y Bacillariophyceae predominan en la época seca y lluviosa lo que se refleja en la alta dominancia mostrada en algunas estaciones, por ello sus valores de diversidad y equidad son bajos. Finalmente, se hallan altas correlaciones entre el fitoplancton y las variables conductividad eléctrica y sólidos disueltos totales. Se logra demostrar que las variables fisicoquímicas son fundamentales para comprender la presencia y abundancia de las especies fitoplanctónicas de los ambientes evaluados. / Tesis

Le picoplancton inclut des organismes dont la taille varie entre 0.2 et 3 μm, comprenant des cyanobactéries, ainsi qu’une grande diversité d’eucaryotes dont l’écologie et la diversité sont peu connues. Ces deux composantes assurent une part importante de la fixation du carbone dans les océans en contribuant de manière significative à la biomasse et à la production primaire. L’objectif de cette thèse a été d’appréhender l’importance relative des espèces picoeucaryotiques autotrophes et hétérotrophes. L’étude a porté sur des échantillons de surface et du maximum de chlorophylle sub-surface prélevés dans le golfe du Maine (Juillet 2010) et le plateau Néo-Écossais (Avril et Octobre 2009). La combinaison de plusieurs techniques moléculaires (banques de clones, pyroséquençage), de plusieurs approches (gène structural 18S ARNr, gène fonctionnel psbA codant pour la proteine D1 du photosystème II), ainsi que la comparaison de l’ADNr vs ARNr ont été appliqués. Il apparait que les picoeucaryotes forment une communauté dynamique avec des assemblages distincts, entre les communautés issues des efflorescences printanières vs conditions automnales, ainsi qu’entre régions proches des côtes vs au large. Les différences de distribution, de composition taxonomique et de structure sont associées à des changements hydrographiques, où la température (qui influence fortement la stratification) semble jouer un rôle majeur. L’étude de la composition taxonomique des picoeucaryotes autotrophes souligne la diversité des haptophytes et l’abondance relative des Mamiellophyceae (Chlorophyta). La diversité au sein des flagellés hétérotrophes montre une variabilité dans le temps pour certains taxons (Choanoflagellates, MAST-1, -4, -7) alors que d’autres persistent. La comparaison ADNr/ARNr a permis d’obtenir une vision d’ensemble sur l’état des communautés et clarifie les potentialités de ces approches. / Picoplankton includes planktonic microbes ranging from 0.2 to 3 μm in diameter. Among photosynthetic groups are cyanobacteria, and microbial eukaryotes whose ecology and diversity are poorly known. These picophytoplankton contribute significantly to oceanic carbon fixation and primary production. The objective of this thesis was to investigate the relative importance of autotrophic plankton along with heterotrophic picoeukaryotes. The study focused on samples of surface and subsurface chlorophyll maximum collected in the Gulf of Maine (July 2010) and the Scotian Shelf (April and October 2009). The combination of molecular techniques clone libraries and pyrosequencing, targeting 18S rRNA genes and transcripts as well as the functional gene psbA, which codes for a protein D1 of photosystem II were used. It was apparent that the picoeukaryotes are dynamic communities with distinct assemblages during the spring blooms compared to late summer - autumn conditions, and between regions near shore vs offshore. Differences in distribution, species composition and community structure were associated with hydrographic changes, where the temperature, which strongly influences the stratification, seemed to play a major role. Overall the study revealed the diversity of haptophytes and the high relative abundance of Mamiellophyceae (Chlorophyta). Heterotrophic flagellates varied over time for some taxa (Choanoflagellates, MAST-1, -4, -7) while others persisted. Comparisons between rRNA genes rRNA provided a new perspection on the status of communities and highlighted the potential of using both approachesto describe the state of the ecosystem.

Le diméthylsulfure (DMS) est un gaz soufré qui exerce un effet refroidissant sur le climat en dispersant les radiations solaires et en contribuant à la formation de nuages dans l’atmosphère. Le DMS provient de la dégradation du diméthylsulfoniopropionate (DMSP), un composé synthétisé par plusieurs espèces de phytoplancton dans les océans. Une part de la production océanique de DMS résulte de la conversion directe du DMSP en DMS par certaines espèces de phytoplancton alors qu’une autre part provient d’une voie de transformation indirecte, via la libération du DMSP phytoplanctonique dans le milieu ambiant puis sa conversion en DMS par le bactérioplancton. En moyenne, près de 10 % du DMSP consommé par le bactérioplancton est converti en DMS, le reste étant assimilé. Quoique la répartition mondiale du DMS océanique soit relativement bien établie, les mécanismes qui régissent la production du DMS par le plancton marin sont complexes et demeurent méconnus. Dans cette thèse, les variations journalières et saisonnières de la production biologique de DMS et des facteurs environnementaux qui la régulent ont été étudiées en relation avec le développement des floraisons phytoplanctoniques dans plusieurs provinces biogéochimiques de l’Atlantique nord-ouest (NO) et du Pacifique NO. Une première étude saisonnière dans l’Atlantique NO révèle une nette distinction entre les facteurs qui influencent la répartition du DMS et de son précurseur le DMSP. Les concentrations de DMSP particulaire (DMSPp) sont fortement corrélées à l’abondance de groupes phytoplanctoniques à forte teneur en DMSPp tels que les dinoflagellés et les prymnésiophycés. La dynamique microbienne du DMSP dissous (DMSPd), c’est-à-dire sa consommation et sa conversion en DMS par les bactéries, est quant à elle affectée par la disponibilité du substrat. À cet égard, la contribution relative du bactérioplancton à la production biologique nette de DMS varie fortement au cours des saisons, de 4 à 100 % selon les stations étudiées. Toutefois, à plusieurs stations, et particulièrement aux stations exhibant de forts taux de production de DMS, une part importante (jusqu’à 96 %) de la production de DMS résulte de processus qui ne sont pas reliés aux bactéries. Cela suggère que la contribution relative du phytoplancton à la production directe de DMS est élevée à ces stations. De plus, nos résultats suggèrent qu’aux échelles latitudinale et saisonnière étudiées, les concentrations de DMS dans la couche de mélange de surface (CMS) sont fortement corrélées à des forçages environnementaux, et plus particulièrement aux doses de radiations solaires atteignant le réseau planctonique. Une deuxième étude ciblée sur le devenir du DMSP lors du déclin de la floraison printanière de diatomées dans l’Atlantique NO montre qu’en dépit de l’importante biomasse phytoplanctonique, les taux de production de DMS dans la CMS peuvent demeurer relativement faibles au cours de cette période, le DMSP étant principalement utilisé en tant que source de soufre par le bactérioplancton en croissance. Une troisième étude ciblée sur le devenir du DMSP lors d’une floraison induite par l’ajout de fer dans le Pacifique NO a révélé que l’addition de fer dans cette région peut mener à une diminution de la conversion bactérienne du DMSPd en DMS dans la CMS. Au cours de la floraison induite par le fer, l’augmentation des besoins en soufre du bactérioplancton a conduit à une augmentation de l’assimilation du DMSPd par les bactéries. Ce résultat suggère que l’ajout de fer dans les eaux de surface du Pacifique NO peut mener à une diminution de la production marine de DMS et de sa ventilation vers l’atmosphère. L’ensemble des résultats présentés met en évidence l’importance du couplage entre la structure et la dynamique de la communauté planctonique, la production et la composition de la matière organique dissoute, qui inclut le DMSPd, et les forçages environnementaux dans le cycle du DMS à différentes échelles temporelles. / Dimethylsulfide (DMS) is a sulfur-containing gas that exerts a cooling effect on climate by dispersing solar radiation and contributing to cloud formation in the atmosphere. DMS stems from the degradation of dimethylsulfoniopropionate (DMSP), a compound synthesized by many phytoplankton species in the oceans. A fraction of the oceanic production of DMS results from the direct conversion of DMSP into DMS by certain phytoplankton species and another fraction results from an indirect transformation pathway, via the release of phytoplanktonic DMSP into the water column and its conversion into DMS by the bacterial community. On average, close to 10 % of the DMSP consumed by bacteria is converted into DMS, the rest being assimilated. While the global distribution of oceanic DMS is relatively well established, significant gaps still remain in our understanding of the mechanisms that regulate its production within the marine food web. In this study, the daily and seasonal variations of the production of DMS and the environmental factors that participate in its regulation have been studied in relation to the development of phytoplankton blooms in many biogeochemical provinces of the northwest (NW) Atlantic and the NW Pacific Ocean. A first seasonal study in the NW Atlantic reveals a striking difference in the factors that influence the distribution of DMS and its precursor DMSP. Concentrations of particulate DMSP (DMSPp) are highly correlated with the abundance of DMSPp-rich phytoplankton groups such as dinoflagellates and prymnesiophytes. The microbial dynamics of dissolved DMSP (DMSPd), that is its consumption and conversion into DMS by bacteria, are affected by the availability of the substrate. Furthermore, the relative contribution of bacteria to total net DMS production varies greatly among seasons, from 4 to 100 % at different stations. However, at many stations and particularly at those exhibiting high production rates of DMS, a large fraction (as much as 96 %) of the production of DMS results from non-bacterial processes. This suggests that the relative contribution of phytoplankton to the direct conversion of DMSP into DMS is high at these stations. Finally, results from this study suggest that on the latitudinal and seasonal scales considered, concentrations of DMS are highly correlated with environmental forcings, and particularly with doses of solar radiation reaching the planktonic food web. A second study specifically aimed at investigating the fate of DMSP during the decline of the spring diatom bloom in the NW Atlantic shows that despite the important phytoplankton biomass, production rates of DMS remained relatively low during the decline of the phytoplankton bloom in the SML because DMSP was principally utilized as a source of sulfur by the developing bacterial community. A third study focused on the fate of DMSP during an iron-induced bloom in the NW Pacific reveals that the addition of iron in this region resulted in a reduction of the bacterial conversion of DMSPd into DMS within the SML. During the iron-induced bloom, the increase in sulfur demand by the bacterial community lead to an increase in the proportion of consumed DMSPd being assimilated as a sulfur source. This result suggests that the addition of iron in the NW Pacific may diminish the oceanic production of DMS and its ventilation to the atmosphere. Overall, the results presented shed light on the importance of the coupling between the structure and dynamics of the plankton community, the production and composition of dissolved organic matter, which includes DMSPd, and environmental forcing in the cycling of DMS at different temporal scales.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Un des défis actuels en écologie du plancton est de déterminer la contribution relative des processus abiotiques et biotiques dans le contrôle environnemental des communautés planctoniques selon différentes échelles spatiales et suivant un continuum d'hétérogénéité environnementale. Cette thèse répond à ces attentes et vise deux principaux objectifs: (1) déterminer l'hétérogénéité spatiale de la biomasse et de la structure en taille des communautés planctoniques aux échelles intra- et inter-lacs; (2) évaluer la contribution relative des facteurs environnementaux ascendants "Bottom-Up" et/ou descendants "Top-Down" à l'origine de cette hétérogénéité. Afin de répondre à ces objectifs, quatre études ont été réalisées à différentes échelles spatiales intra-lac et inter-lacs. A l'échelle intra-lac, nous avons déterminé dans un lac de tourbière l'influence de la prédation par les invertébrés (Chaoboridae) et de la physico-chimie des eaux sur la distribution horizontale et verticale de la biomasse zooplanctonique et sur sa structure en taille (Chapitre 1). Dans le lac Geai, l'hétérogénéité du zooplancton était aussi importante sur l'axe horizontal que vertical. La prédation était le facteur le plus important influençant la répartition horizontale et verticale du zooplancton. La taille et la densité des Chaoboridae, ainsi que la conductivité des eaux influençaient la répartition horizontale du zooplancton dans le lac. Sur l'axe vertical, la biomasse zooplanctonique diminuait avec la profondeur. Le zooplancton évitait les eaux hypolimnétiques froides et anoxiques où se retrouvaient de fortes densités de gros prédateurs Chaoboridae. La seconde étude à l'échelle intra-lac avait pour objectif d'évaluer dans un lac subalpin les effets de la prédation par les juvéniles de perche (Perca fluviatilis) sur la distribution horizontale et verticale des daphnies et des copépodes cyclopoïdes au cours d'un cycle jour-nuit (Chapitre 2). La répartition horizontale et verticale du zooplancton était inverse à celle des poissons. Sur l'axe vertical, le zooplancton était situé de jour dans l'hypolimnion évitant ainsi la prédation par les juvéniles de perche situés dans les eaux épilimnétiques. Une forte opposition horizontale a été identifiée autant de jour que de nuit. La majorité de la densité zooplanctonique a été enregistrée en zone littorale, tandis que la biomasse de perche était principalement pélagique. Nous avons proposé l'hypothèse que la répartition inverse horizontale et verticale du zooplancton face à leur prédateur était due à la prédation des poissons, ainsi que par leur comportement d'anti-prédation (migrations horizontale et verticale). Au cours de la nuit, les cyclopoïdes qui constituaient le principal item du régime alimentaire des perches, étaient plus abondants dans les eaux métalimnétiques plus froides qui étaient évitées par les jeunes perches. A l'échelle inter-lacs, nous avons testé l'influence de la géologie sur la relation phosphore-chlorophylle a (Chapitre 3). Des modèles phosphore-chlorophylle a déterminant la réponse quantitative de la biomasse algale totale et pour 4 classes de taille (< 3 pin, 3 - 20 pm, < 20 pm, et> 20 pm) face aux gradients de TP ont été établis pour les lacs du sud du Québec. Nous avons finalement évalué l'influence d'autres paramètres physicochimiques sur ces relations. Les lacs étudiés reposait sur un socle granitique caractéristique du bouclier canadien. Ces lacs présentaient des concentrations en chlorophylle a plus faible par unité de phosphore que les lacs retrouvés sur des socles sédimentaires. Les lacs les plus productifs étaient dominés par des algues de grandes tailles (>20 pm), tandis que les algues de petites tailles (< 20 pm) étaient plus abondantes dans les lacs de type oligotrophe. L'identification de l'alcalinité comme variable complémentaire à nos modèles de prédiction a permis de proposer l'hypothèse d'un contrôle algal par broutage par le gros zooplancton herbivore dans les lacs plus productifs et alcalins. Les sources de variations spatiales de la biomasse zooplanctonique ont été quantifiées aux échelles intra- (entre les strates) et inter-lacs (entre les lacs) (Chapitre 4). L'influence des facteurs environnementaux abiotiques et biotiques "Bottom-Up" et "TopDown" sur les variations de la biomasse et de la structure en taille du zooplancton (53-100 pm, 100-202 pm, 202-500 pm, > 500 pm) ont été évalués dans les 3 strates limnétiques des lacs du sud du Québec. La variation de la biomasse zooplanctonique était plus importante entre les lacs qu'entre les strates d'un même lac. Cependant, les variations entre les strates n'étaient pas constantes d'un lac à l'autre. Les facteurs "Bottorn-Up" ont été identifiés comme la plus importante source de variation épilimnétique de la biomasse zooplanctonique entre les lacs. Les facteurs "Top-Down", soit la présence ou l'absence de piscivore dans les lacs, expliquaient la structure en taille des communautés zooplanctoniques ainsi que leur variation verticale (entre les strates). Les lacs où les piscivores étaient absents (dominance des planctivores) présentaient des communautés zooplanctoniques dominées par des petits individus. L'ensemble de ces résultats permet de conclure que l'hétérogénéité des communautés planctoniques augmentent avec l'échelle d'observation. A petites échelles (intra-lac, inter-strates), les facteurs biotiques (prédation) exercent un contrôle sur les communautés planctoniques, tandis qu'à plus grandes échelles (inter-lacs), ce sont les facteurs abiotiques (physico-chimie et morphométrie) qui expliquent en premier lieu la variabilité du plancton. La complémentarité des facteurs abiotiques et biotiques "BottomUp" et biotiques "Top-Down" dans le contrôle des communautés planctoniques est omniprésente quel que soit l'échelle d'observation.

La partie nord du Système du courant de Humboldt (NSCH) couvre moins de 0.1% de la surface océanique mondiale mais produit plus de poisons, en particulier d'anchois du Pérou (Engraulis ringens), par unité de surface que n'importe quelle autre région du monde. Bien que ce système produise suffisamment de macrozooplancton pour alimenter les populations de poisson fourrage, le manque d'informations sur ce compartiment limite nos capacités d'étude. L'objectif de cette thèse est d'étudier la dynamique de la distribution spatiotemporelle de la biomasse en macrozooplancton du NSCH en relation avec l'environnement physique et les poissons fourrage, à différentes échelles. Pour ce faire une méthode acoustique bi-fréquences a été développée et appliqué à des séries de données acoustiques historiques. Des informations à haute résolution ont ainsi pu être extraite sur la biomasse et les patrons de distribution du macrozooplancton, de la galathée pélagique 'munida', des poissons et des autres compartiments. Cette méthode nous a également permis d'estimer l'extension verticale de la communauté épipélagique (ZVEEC). Nous avons démontré que ZVEEC coïncide avec la limite supérieure de la zone de minimum d'oxygène (ZMO), ce qui permet de produire des donnés spatialisées à haute résolution de la limite supérieure de la ZMO et d'estimer le volume d'habitat de l'anchois. Notre estimation de biomasse en macrozooplancton, environ quatre fois supérieures aux estimations antérieures, est en accord avec les découvertes récentes sur l'écologie trophique des poissons fourrage du NSCH et fournit des éléments étayant les théories actuelles sur l'origine de la haute productivité en poissons du NSCH. L'étude des impacts des structures physiques de submeso- et mesoéchelle sur la distribution du macrozooplancton supporte l'hypothèse d'une structuration de type 'bottom-up'. Nous avons également mis en évidence l'impact de la structuration spatiale du macrozooplancton sur la distribution des poissons fourrage. Les données physiques et biologiques à haute résolution obtenues grâce à cette étude ouvrent de nouvelles perspectives pour réaliser des études écologiques intégrées à échelles multiples et pour calibrer les modèles biogéochimiques, trophiques ou End-to-End. / The Northern Humboldt Current system (NHCS) represents less than 0.1% of the world ocean surface but produces more fish, mainly Peruvian anchovy (Engraulis ringens), per unit area than any other region in the world. Although this system produces enough macrozooplankton to feed its high production of forage fish, the paucity of information on zooplankton hampers research in the system. The objective of this study was to investigate the multiscale dynamics of the spatiotemporal distribution of the macrozooplankton biomass off Peru in relation to the physical environment and their fish predators. For that a bi-frequency acoustic method was developed and applied to extract, from historical acoustic data, high-resolution information on the biomass and the patterns of distribution of macrozooplankton, the pelagic red squad 'munida', fish and other marine compartments. This method also allows estimating the vertical extension of this epipelagic community (ZVEEC). We demonstrated that ZVEEC coincide with the upper limit of the oxygen minimum zone (OMZ), which allowed both producing high-resolution spatial data of the upper limit of the OMZ and estimating the volume habitat of anchovy. The estimated macrozooplankton biomass was about four times higher than previously reported. This estimate is in agreement with the recent findings on forage fish trophic ecology and supports the current hypotheses explaining the NHCS high fish production. The study of the impacts of the submeso- and mesoscale physical structures on macrozooplankton provided evidence of the bottom-up physical effect on the distribution of macrozooplankton biomass. We also found further evidence of the structuring bottom-up effect that macrozooplankton exert on forage fish. The high-resolution biological and physical data obtained in this study opens new perspective to perform integrated multiscale ecological studies and to calibrate biogeochemical, trophic and End-to-End models.

L'étude de l'impact que les structures hydrodynamiques à mésoéchelle peuvent avoir sur la distribution spatiale des organismes planctoniques et le transport de matière entre la zone côtière et le large est essentielle à la compréhension du fonctionnement de l'écosystème planctonique dans l'océan côtier. L'influence des tourbillons anticycloniques et des processus physiques associés sur l'écosystème planctonique pélagique est examinée au moyen d'un modèle couplé physique-biogéochimie. Dans un premier temps, les sorties du modèle sont confrontées à des données in situ et satellitales afin de vérifier le réalisme du modèle. Pendant la majeure partie de la simulation, et plus particulièrement sur la partie ouest du golfe de Lion pendant la période estivale, l'erreur commise par le modèle sur l'estimation de la chlorophylle de surface (proxy du phytoplancton) est inférieure à celle donnée par le calcul issu de la télédétection. Ensuite, la distribution du plancton en présence d'un tourbillon a été étudiée. Dans les sorties du modèle, un filament avec une forte concentration en chlorophylle est systématiquement observé sur le bord nord/nord-est de la structure, est confirmé par des données satellitales. Enfin, grâce à une simulation longue sur la période 2011-2004, plusieurs tourbillons ont été comparés du point de vue de leur impacts sur les échanges entre la côte et le large de matière et plancton. L'intensité et la direction de ces échanges sont hétérogènes et dépendent des forçages physiques qui ont donné lieu à la génération de ces tourbillons. / The role that mesoscale physical structures play in driving plankton community shifts and transporting matter is key to the understanding of food web dynamics at the regional scale.

Les diatomées sont des micro-algues unicellulaires, qui jouent un rôle primordial dans l’eco-système marin. En effet, elles sont responsables de 20% de l’activité photosynthétique sur Terre, et sont à la base de la chaîne alimentaire marine, toujours plus menacée par le changement climatique. Les diatomées établissent diverses interactions microbiennes avec des organismes issus de l’ensemble de l’arbre du vivant, à travers des méchanismes complexes tels que la symbiose, le parasitisme ou la compétition. L’objectif de ma thèse a été de comprendre comment ces interactions structurent la communauté du plancton, à grande échelle spatiale. Pour ce faire, j’ai développé de nouvelles approches basées sur le jeu de données inédit de Tara Océans, une expédition mondiale qui a exploré la diversité et les fonctions des microbes marins, en récoltant plus de 40.000 échantillons à travers 210 sites autour du monde. Grâce à l’analyse de réseaux de co-occurrence microbiens, je montre d’une part que les diatomées agissent comme des « ségrégateurs répulsifs » à l’échelle globale, en particulier envers les organismes potentiellement dangeureux tels que les prédateurs et les parasites, et d’autre part que la co-occurrence des espèces ne s’explique qu’en minorité par les facteurs environnementaux. Grâce à la richesse des données Tara Océans, j’ai par ailleurs permis la charactérisation d’une interaction biotique impliquant une diatomée et un cilié hétérotrophe à l’échelle de l’eco-système, illustrant de surcroît le succès des approches dirigées par les données. Dans l’ensemble, ma thèse contribue à notre compréhension des interactions biotiques impliquant les diatomées, de l’échelle globale à la cellule unique. / Diatoms are unicellular photosynthetic microeukaryotes that play a critical role in the functioning of marine ecosystems. They are responsible for 20% of global photosynthesis on Earth and lie at the base of marine food webs, ever more threatened by climate change.Diatoms establish microbial interactions with numerous organisms across the whole tree of life, through complex mechanisms including symbiosis, parasitism and competition. The goal of my thesis was to understand how those biotic interactions structure the planktonic community at large spatial scales, by using new approaches based on the unprecedented Tara Oceans dataset, a unique and worldwide circumnavigation that collected over 40.000 samples across 210 sites to explore the diversity and functions of marine microbes. Through the analysis of microbial association networks, I show that diatoms act as repulsive segregators in the ocean, in particular towards potentially harmful organisms such as predators as well as parasites, and that species co-occurrence is driven by environmental factors in a minority of cases. By leveraging the singularity of the Tara Oceans data, I provide a comprehensive characterization of a prevalent biotic interaction between a diatom and heterotrophic ciliates at large spatial scale, illustrating the success of data-driven research. Overall, my thesis contributes to our understanding of diatom biotic interactions, from the global patterns to the single cell.

Les changements globaux ont le potentiel d'altérer les cycles biogéochimiques entraînant des répercussions pour tout le réseau alimentaire. Puisque l'azote est généralement l'élément limitant en milieu estuarien, une altération de son cycle pourrait influencer l'ampleur et le type de production primaire ainsi que la composition de la communauté phytoplanctonique qui l'effectue. Il en va de même pour la composition de la matière organique qui peut affecter la valeur nutritive des algues pour les consommateurs de même que l'efficacité de la pompe biologique. Actuellement, aucune étude portant sur les impacts combinés de l'acidification et du réchauffement des eaux de l'estuaire maritime du Saint-Laurent n'a été réalisée. L'objectif de ce projet de maîtrise fut d'évaluer expérimentalement, à l'aide de mésocosme, les impacts cumulés que ces changements pourraient avoir sur la dynamique des nutriments et de l'azote en particulier ainsi que sur la composition élémentaire de la matière organique. Une combinaison factorielle de six pH (7,2; 7,4; 7,6; 7,8; 8,0 et un pH sans contrôle) et de deux températures (10 et 15°C) fut employée. Les résultats de l'expérience suggèrent que les organismes responsables des processus à l'étude sont tolérants à une diminution considérable du pH. Ceux-ci furent toutefois affectés par la hausse de température, qui entraîna une diminution du ratio N:P de consommation des nutriments, accéléra le développement de la floraison phytoplanctonique et l'épuisement des nutriments, puis mena à un changement taxonomique en fin d'expérience. Ce changement est possiblement responsable des différences observées dans la composition de la matière organique particulaire (POM) lors du déclin de la floraison planctonique (diminution des ratios POC:PON, POC:POP, POC:BSi et hausse du ratio BSi:PON). Ces résultats suggèrent que pour l'estuaire maritime du Saint-Laurent, le réchauffement pourrait entraîner des changements stœchiométriques au sein de la POM avec des conséquences probables pour les niveaux trophiques supérieurs et la pompe biologique.