Écosystèmes marins arctiques

Le contexte Arctique

L’Arctique est la zone de la planète la plus affectée en intensité et en rapidité par les changements climatiques (Bennett et al. 2015). Ceux-ci ont pour principale origine les activités industrielles et agricoles humaines qui ont atteint une telle influence sur notre planète que nous avons basculé depuis le siècle dernier dans une nouvelle ère, l’anthropocène (Waters et al. 2016). Les changements climatiques se traduisent notamment par une augmentation de température de l’atmosphère et de l’océan. Cette augmentation est au moins trois fois plus rapide et elle atteint des niveaux trois ou quatre fois plus élevés en Arctique que la moyenne du reste du monde (Holland and Bitz 2003; Stocker et al. 2013). Ce phénomène est qualifié d’amplification arctique (Walsh et al. 2008; Johannessen and Miles 2011; Polyakov et al. 2013). Ainsi dans ce contexte de changement climatique, il est primordial d’améliorer notre compréhension du système arctique afin de pouvoir mieux prévoir les futures implications que ces changements pourront avoir à l’échelle de l’Arctique ainsi qu’à l’échelle mondiale. L’impact le plus immédiat et visible des changements dramatiques en cours s’observe sur la dynamique de la glace de mer arctique.

On observe un recul accéléré et très net de la surface et de l’épaisseur de la glace de mer multi-annuelle qui survivait habituellement à plusieurs cycles saisonniers annuels (Lindsay et al. 2009; Comiso 2012; Hinzman et al. 2013). Certains modèles indiquent qu’il est très probable que l’Océan Arctique soit libre de glace en été dès 2030 (Overland and Wang 2013; Wang and Overland 2012). Avec cette tendance pluriannuelle de réduction du couvert de glace, on observe ainsi un retrait saisonnier des glaces de mer plus hâtif d’une année à l’autre. Ce retrait hâtif a des conséquences pour les écosystèmes sympagiques se développant directement dans la glace en réduisant le période pendant laquelle ces écosystèmes peuvent se développer. D’autre part, une réduction de l’épaisseur de la couche de glace, ainsi que de la couche de neige recouvrant cette glace, a été observé au fil des années. Cette réduction a des conséquences pour les écosystèmes pélagiques car ce sera l’épaisseur de la couche de glace, en association avec le couvert de neige, qui modulera la pénétration de la lumière vers les producteurs primaires. Finalement, la glace de mer module les processus de mélanges verticaux dans la colonne d’eau, s’interposant entre les forces atmosphériques au-dessus et les masses d’eau en dessous (Forest et al. 2011; Tremblay et al. 2011). Ainsi, elle a aussi un impact indirect sur l’accès aux nutriments provenant des profondeurs. La tension entre ces deux forçages physiques essentiels, la lumière et les nutriments, sont à la base du contrôle de la production primaire planctonique arctique.

Écosystèmes marins arctiques

La dynamique de l’initiation de la production primaire au printemps est définie par la disponibilité de la lumière. Celle-ci réapparaît au printemps pour devenir maximale et quasicontinue en été. En parallèle, pour les milieux pélagiques arctiques, c’est la faible quantité de nitrates disponibles dans la couche de surface en association avec l’action du zooplancton, qui limitera l’amplitude de la production dans le système (Brugel et al. 2009; Tremblay and Gagnon 2009; Tremblay et al. 2015a). Ces variations environnementales peuvent être modulées en fonction d’un gradient latitudinal, ainsi qu’en fonction du bassin étudié, qui influencent alors la dynamique saisonnière (phénologie) des communautés planctoniques arctiques (figure 1, Ardyna et al. 2011, 2014; Leu et al. 2011; Wassmann and Reigstad 2011).

À la base de tout écosystème marin, le phytoplancton est constitué de cellules photosynthétiques (figure 2). Celles-ci transforment la matière inorganique, composée des nutriments (i.e. nitrates, silicates, fer, calcium) et du CO2 dissous, en matière organique via la photosynthèse. Ces cellules sont ensuite consommées par le zooplancton, un groupe hétéroclite très diversifié composé d’êtres unicellulaires et métazoaires de petites tailles (inférieurs à 1 cm) qui forment un point de concentration et de transfert de la matière organique vers l’ensemble des niveaux supérieurs des réseaux trophiques marins arctiques. Les assemblages de producteurs planctoniques sont composés d’espèces présentant différentes stratégies de survies adaptées à ces environnements variables et extrêmes. À la base de tout écosystème pélagique, les espèces phytoplanctoniques doivent développer des compromis entre leurs tailles, les nutriments qu’elles peuvent assimiler ainsi que la quantité Figure 1 : Différente phénologies phytoplanctoniques le long d’un gradient latitudinal en Arctique (Wassmann and Reigstad 2011). de lumière dont elles ont besoin pour faire de la photosynthèse (Martin et al. 2010). Ces compromis se sont mis en place afin que ces espèces puissent occuper différentes niches écologiques leur permettant de se développer à des moments ou à des endroits différents dans les couches supérieures de la colonne d’eau.

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Table des matières

Résumé
Liste des tableaux
Liste des figures
Remerciements
Avant8propos
1. Introduction générale
1.1. Le contexte Arctique
1.2. Écosystèmes marins arctiques
1.3. Le phytoplancton arctique
1.4. Le zooplancton arctique
1.5. Le métabolisme des lipides
1.6. Problématique et objectifs de recherche
2. Diapause as functional trait of a biogeochemical model of an Arctic pelagic ecosystem
2.1. Résumé
2.2. Abstract
2.3. Introduction
2.4. Model description
2.4.1. Diapause!implementation
2.4.2. Respiration!and!excretion
2.4.3. Ontogenic!vertical!migration
2.4.4. Model!modification
2.4.5. Model!configuration
2.4.6. Calibration
2.4.7. Validation
2.4.8. Sensitivity!analysis
2.5. Results
2.5.1. Environmental!dynamic
2.5.2. Parametrization!of!respiration!and!nitrogen!excretion
2.5.3. Diapause!dynamics
2.5.4. Trophic!relationships
2.5.5. Implications!for!planktonic!production
2.5.6. Sensitivity!analysis
2.6. Discussion
2.6.1. Realistic!allometric!relationships
2.6.2. Realistic!diapause!phenology
2.7. Conclusion
3. Conclusion générale
3.1. Changement de phénologie
3.2. Impact sur la biomasse totale planctonique
3.3. Futures implications
4. Bibliographie