Planktonic biodiversity hotspots in the open ocean : detection, drivers and implications at the global scale
Hotspots de biodiversité du plancton dans l'océan ouvert : détection, drivers et implications à l'échelle globale
Résumé
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.
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.
Origine : Version validée par le jury (STAR)