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Deep-sea ecosystem response to climate changes : the eastern Mediterranean case study Roberto Danovaro, Antonio DellAnno, Mauro Fabiano, Antonio Pusceddu.

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1 Deep-sea ecosystem response to climate changes : the eastern Mediterranean case study Roberto Danovaro, Antonio DellAnno, Mauro Fabiano, Antonio Pusceddu et Anastasios Tselepides TRENDS in Ecology & Evolution Vol.16 No.9 September 2001 Sophie DE GRISSACM1BEM Pierre CRESSON UE 39 FLUC

2 Introduction Écosystèmes profonds caractérisés par : –Oligotrophie –Pas de production primaire photosynthétique Dépendant des flux de matière surface-fond –Paramètres physico-géochimiques stables dans le temps et lespace (hors hydrothermalisme).

3 Lascratos et al, zones hivernales de plongée : Bassin Levantin, Golfe du Lion et Adriatique La circulation en Mediterrannée Introduction

4 : Période sèche formation massive d'eau de forte masse volumique en surface relativement chaudes, par de la Salinité (vents, baisse apports d'eau douce). D'après site Internet JP BETHOUX, : Hivers exceptionnellement froids + vents refroidissement des eaux de surface Plongée de ces masses d'eaux (1 Sv) Création d'une nouvelle couche d'eau de fond anormalement froide (-0,3 à 0,4°C) Remontée d'une couche riche en nutrients (TMW) L' Eastern Mediterranean Transient Event (EMT) Réchauffement SST CDW -0,4°C m m Klein et al, 1999

5 Lascaratos et al, 1999 Changement de la zone de formation des eaux profondes de Méditerranée (Adriatique Mer Égée). Remplacement de 20% des anciennes eaux profondes (MDW).

6 Conséquences biogéochimiques Nutrients ++ de production primaire ( g C m -2.y -1 ) taille des UPOs flux verticaux de matière organique ("phytodétritus" x2) des apports organiques et de leur qualité (plus facilement métabolisables). Chl a (µg g -1,log) Depth = 950m Depth = 1540m Protéines/Carbohydrates C/N

7 Conséquences biologiques Attendues : des ressources disponibles des populations benthiques (microorganismes, méio et macrofaune). Observées : Bactéries : 90% de la biomasse, 50% du turnover. Méiofaune : densité -65%, biomasse - 80% (nématodes) L'inverse ! 1540 m 950 m Densité bactérienne (cell x10 8 g -1 ) Méiofaune (nb x10cm -2 )

8 Conséquences biologiques Hypothèses : 1.Impact direct de la baisse de température (effet négatif sur le métabolisme (Danovaro et al., 2004)) 2.Impact direct du changement brutal de température (Organismes adaptés à des conditions stables pendant une longue période). 3.Impact indirect : diminution de la biomasse bactérienne diminution des ressources nutritives pour les nématodes consommateurs de microorganismes. Diminution de la consommation et de la reminéralisation de la matière organique Augmentation de la concentration de matière organique dans le sédiment. Conséquences :

9 Il existe une forte corrélation entre SR et température. Danovaro et al. (2004) Conséquences sur la diversité spécifique Espèces Genres Bottom temperature (°C) SRSR CDW -0,4°C Temperature shift SRSR biodiversité pour tous les indices testés (e.g. : Shannon, Margalef) Richesse Spécifique x2 Réchauffement SST SR genres espèces Retour conditions antérieures

10 Conséquences sur la diversité spécifique Hypothèses : 1. Apports despèces atlantiques par disparition dune barrière hydrologique (température) 2. La diminution de la biomasse laisse de la place et laccès aux ressources à des espèces moins compétitives auparavant = « Théorie des perturbations intermédiaires »). (Dial et al., 1998) Par ailleurs, lindice duniformité (abondance relative des espèces) diminue en même temps que la richesse spécifique changement de structure de la communauté.

11 Résultats attendus : … et sur la diversité fonctionnelle Lien entre diversité spécifique et diversité fonctionnelle. On attend donc que la diversité fonctionnelle augmente de 1989 à Résultats observés : L'inverse ! – de la diversité fonctionnelle ( ) – diversité trophique Prédominance des espèces scavenger et prédateurs + lien avec la baisse de biomasse. Effet feed-back ? Danovaro et al. (2004, 2008)

12 Impact sur le fonctionnement des écosystèmes Une réduction de la biodiversité fonctionnelle serait associée à un déclin exponentiel des processus de lécosystème entier. Danovaro et al. (2008) Functional diversity Trophic diversity traits Ecosystem efficiency Faunal Biomass / Biopolymeric C Artefact ? Simple covariation de plusieurs paramètres en réponse aux changements environnementaux ?

13 + + Plongée d'eau froide et salée Remontée de nutrients prod 1 aire de la pluie organique densité bactérienne densité nématodes ? biodiversité et RS Indice trophique T -0,4°C reminéralisation Accumulation matière organique Apport d'espèces atlantiques Modif de l'éco- système De 1989 à 1995 ?

14 Retour aux conditions moyennes antérieures? Après 1994 : retour à des conditions atmosphériques/climatiques proches des moyennes antérieures Retour progressif aux valeurs antérieures à 1992 pour les paramètres physiques et chimiques Retour aux valeurs d'avant 1989 pour lindice de Shannon (au niveau des genres) et diversité trophique. Tous les autres indices : retour aux valeurs antérieures semble amorcé mais pas significatif. Sauf indice duniformité : aucun retour, continue de baisser. Après la crise la Méditerranée ressemble plus à lAtlantique qu'avant (2% 16% puis 11% de similarité après la crise)

15 Conclusion Les écosystèmes profonds répondent directement et indirectement à un changement climatique à léchelle régionale. Cette variation dans les forçage climatique affecte la biomasse et la diversité spécifique mais également le fonctionnement global de l'écosystème par effet « cascade » ainsi que les cycles biogéochimiques de C et N. « Les écosystèmes profonds sont extrêmement vulnérables à la perte de biodiversité ». (Danovaro et al., 2008) Ici cest de biodiversité fonctionnelle quil faut parler. Quelle résilience des écosystèmes profonds ? manque de recul et détudes. Méditerranée = modèle de la potentielle instabilité de la circulation océanique (Bethoux et al, 1990, 1999) ? Peut-on prédire les effets du changement global sur les écosystèmes profonds de la planète ? + pas de prise en compte dautres fluctuations naturelles (NAO, AO) (Belgrano, 2002)

16 Écosystèmes profonds Réservoir important de biodiversité Biens fournis : biomasse, molécules bioactives, hydrocarbures, minéraux. Services rendus : régulation du climat, régénération des nutrients et approvisionnement de la zone euphotique nourriture. Implication importante dans les processus bio-géochimiques et écologiques. Les écosystèmes profonds sont donc essentiels au fonctionnement « durable » de notre biosphère. Quels moyens de conservation ? Danovaro et al., 2008 Conclusion

17 Sources Publications : Belgarno A., Danovaro R. Letters. News &Comment TRENDS in Ecology & Evolution Vol.17 No.1 January Bethoux JP, Gentili B, Morin P, Nicolas E, Pierre C;, Ruiz-Pino. D The Mediterranean Sea: a miniature ocean for climatic and environmental studies and a key for the climatic functioning of the North Atlantic. Progress in Oceanography 44, 131–146 Bethoux, J.P., Gentili, B., Raunet, J. & Tailliez, D Warming trend in the western Mediterranean deep water. Nature, 347, 660–662. Danovaro, R., DellAnno, A., Fabiano, M., Pusceddu, A. & Tselepides, A Deep-sea ecosystem response to climate changes: the eastern Mediterranean case study. Trends in Ecology and Evolution, 16, 505–510. Danovaro R., DellAnno A., & Pusceddu A, 2004, Biodiversity response to climate change in a warm deep sea, Ecology Letters 7: 821–828 Danovaro R., Gambi C., DellAnno A., Corinaldesi C., Fraschetti S, Vanreusel A., Vincx M., & Gooday A. J., 2008, Exponential Decline of Deep-Sea Ecosystem Functioning Linked to Benthic Biodiversity Loss, Current Biology 18, 1–8. Danovaro R., Gambi C., DellAnno A., Corinaldesi C., Fraschetti S, Vanreusel A., Vincx M., & Gooday A. J., 2008, Exponential Decline of Deep-Sea Ecosystem Functioning Linked to Benthic Biodiversity Loss, Current Biology 18, 1–8. Supplemental Data Dial R., et J. Roughgarden Theory of marine communities: the intermediate disturbance hypothesis. Ecology 79: Klein, B., Roether, W., Manca, B.B., Bregant, D., Beitzel, V., Kovačević V., Lucchetta, A., The large deep water transient in the Eastern Mediterranean. Deep-Sea Research I 46, 371–414 Lascaratos, A., Roether, W., Nittis, K. & Klein, B Recent changes in deep water formation and spreading in the eastern Mediterranean Sea: a review. Progress in Oceanography, 44, 5–36. Web consulté avril 2008

18 Prise en compte de l'hétérogénéité Danovaro et al, 2008 Supplemental Data

19 Diversité fonctionnelle Mais ! La diversité fonctionnelle est aussi liée à la biomasse des bactéries et de la méiofaune. Explication de la contradiction précédente ? Dans quel sens faut-il voir la relation ? Finalement, la forte diminution de biomasse observée pourrait aussi résulter de la perte de diversité fonctionnelle. (effet feed-back). Meiofaunal biomass Prokaryote biomass … et sur la diversité fonctionnelle Danovaro et al. (2008)


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