Deep-sea ecosystem response to climate changes : the eastern

Mediterranean case study

Roberto Danovaro, Antonio Dell’Anno, Mauro Fabiano, Antonio Pusceddu et

Anastasios TselepidesTRENDS in Ecology & Evolution Vol.16 No.9 September 2001

Sophie DE GRISSAC M1BEM

Pierre CRESSON UE 39 FLUC

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 l’espace (hors hydrothermalisme).

Lascratos et al, 1999

3 zones hivernales de plongée : Bassin Levantin, Golfe du Lion et Adriatique

La circulation en Mediterrannée

Introduction

• 1987-1992 : 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,1996• 1992-94 :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

900-1000m

1500-1600m

Klein et al, 1999

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).

Conséquences biogéochimiques

• Nutrients ++ de production primaire(20-2560-80 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

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 mDensité bactérienne

(cell x108g-1)

Méiofaune (nb x10cm-2)

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 :

Il existe une forte corrélation entre SR et température. Danovaro et al. (2004)

Conséquences sur la diversité spécifique

Espèces

Genres

Bottom temperature (°C)

SR

CDW -0,4°C

Temperature shift

SR

1989-1995

• biodiversité pour tous les indices testés (e.g. : Shannon, Margalef)

• Richesse Spécifique x2

Réchauffement SST

SR

genres

espèces

Retour conditions antérieures

Conséquences sur la diversité spécifique

Hypothèses :

1. Apports d’espèces atlantiques par disparition d’une barrière hydrologique (température)

2. La diminution de la biomasse laisse de la place et l’accès aux ressources à des espèces moins compétitives auparavant = « Théorie des perturbations intermédiaires »).

(Dial et al., 1998)

Par ailleurs, l’indice d’uniformité (abondance relative des espèces) diminue en même temps que la richesse spécifique changement de structure de la communauté.

• 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 1995.

• Résultats observés : L'inverse !

– de la diversité fonctionnelle (1989-1995)

– diversité trophiquePrédominance des espèces scavenger et prédateurs + lien avec la baisse de biomasse. Effet feed-back ?

Danovaro et al. (2004, 2008)

Impact sur le fonctionnement des écosystèmes

Une réduction de la biodiversité fonctionnelle serait associée à un déclin exponentiel des processus de l’écosystème entier.

Danovaro et al. (2008)

Functional diversityTrophic diversity traits

Ecosystem efficiencyFaunal Biomass / Biopolymeric C

Artefact ? Simple covariation de plusieurs paramètres en réponse aux changements environnementaux ?

+ +

Plongée d'eau froide et salée Remontée de

nutrients

prod 1aire

de la pluie organique

densité bactérienne

densité nématodes? biodiversité et RS

Indice trophique

T -0,4°C

reminéralisationAccumulation matière organique

Apport d'espèces atlantiques

Modif de l'éco-système

De 1989 à 1995

?

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 l’indice de Shannon (au niveau des genres) et diversité trophique.

• Tous les autres indices : retour aux valeurs antérieures semble amorcé mais pas significatif.

• Sauf indice d’uniformité : aucun retour, continue de baisser.

• Après la crise la Méditerranée ressemble plus à l’Atlantique qu'avant (2%16% puis 11% de similarité après la crise)

Conclusion• Les écosystèmes profonds répondent directement et indirectement à un

changement climatique à l’échelle 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 c’est de biodiversité fonctionnelle qu’il faut parler.

• Quelle résilience des écosystèmes profonds ? manque de recul et d’études.

• 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 d’autres fluctuations naturelles (NAO, AO) (Belgrano, 2002)

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

SourcesPublications :

• Belgarno A., Danovaro R. Letters. News &Comment TRENDS in Ecology & Evolution Vol.17 No.1 January 2002.

• Bethoux JP , Gentili B , Morin P, Nicolas E, Pierre C;, Ruiz-Pino. D 1999. 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. 1990. Warming trend in the western Mediterranean deep water. Nature, 347, 660–662.

• Danovaro, R., Dell’Anno, A., Fabiano, M., Pusceddu, A. & Tselepides, A. 2001 Deep-sea ecosystem response to climate changes: the eastern Mediterranean case study. Trends in Ecology and Evolution, 16, 505–510.

• Danovaro R., Dell’Anno A., & Pusceddu A, 2004, Biodiversity response to climate change in a warm deep sea, Ecology Letters 7: 821–828

• Danovaro R., Gambi C., Dell’Anno 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., Dell’Anno 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. 1998. Theory of marine communities: the intermediate disturbance hypothesis. Ecology 79: 1412-1424.

• Klein, B., Roether, W., Manca, B.B., Bregant, D., Beitzel, V., Kovačević V., Lucchetta, A., 1999. The large deep water transient in the Eastern Mediterranean. Deep-Sea Research I 46, 371–414

• Lascaratos, A., Roether, W., Nittis, K. & Klein, B. 1999. Recent changes in deep water formation and spreading in the eastern Mediterranean Sea: a review. Progress in Oceanography, 44, 5–36.

Web• http://www.obs-vlfr.fr/~bethoux/publications/CNRS_Environ_janv_96.html, consulté avril 2008

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

Prokaryotebiomass

… et sur la diversité fonctionnelle

Danovaro et al. (2008)