Ecole Doctorale : SEVAB
Spécialité : Ecologie, biodiversité et évolution
Unité de recherche : Evolution & Diversité Biologique
Equipe : AQUAECO
Etablissement de préparation de la thèse : Université Toulouse III – Paul Sabatier
Date de début de la thèse : 01/10/2020
Date limite de candidature : 10/06/2020

Direction de thèse :
CUCHEROUSSET Julien ([email protected])
GRENOUILLET Gaël ([email protected])
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Présentation du projet doctoral
Les changements globaux reçoivent depuis plusieurs années une attention grandissante, mais leurs impacts sur la biodiversité et le fonctionnement des écosystèmes restent mal appréhendés. A ce jour, bien que de nombreuses études aient montré la capacité des espèces à modifier leur phénologie (e.g. avancée d’événements printaniers) ou leur répartition spatiale (e.g. remontée en altitude ou vers les pôles), très peu d’études ont quantifié le rôle relatif du changement climatique par rapport à ceux d’autres facteurs des changements globaux (e.g. dégradation et fragmentation des habitats, introduction d’espèces non natives). De plus, l’essentiel des études repose sur des approches centrées sur les espèces, et les conséquences de ces réponses spécifiques à des niveaux d’organisation biologique supérieurs (communautés et écosystèmes) restent peu explorées. Ainsi, comprendre les impacts des changements globaux sur la structure des communautés et le fonctionnement des écosystèmes reste à ce jour un défi important de l’écologie moderne, tout comme l’attribution des changements de biodiversité observés à des causes climatiques vs non-climatiques.

Dans ce contexte, la taille des organismes est une caractéristique fondamentale et intégrative de nombreuses lois écologiques et processus (e.g. métabolisme, respiration, position dans les réseaux trophiques), dont la distribution non-aléatoire dans les communautés est à la base des travaux fondateurs de Elton (1927) sur le concept de pyramide des biomasses (de nombreux et petits individus à la base des réseaux trophiques représentent une large part de la biomasse tandis que les individus en haut des réseaux trophiques sont plus grands et plus rares). Plus récemment, des avancées méthodologiques ont concerné l’étude de la pente de la relation entre l’abondance et la taille des organismes, proposant une vision alternative de la pyramide Eltonienne (Trebilco et al. 2013). Cette relation taille-abondance (« size-spectrum ») est un indicateur de diversité des communautés liant leurs caractéristiques structurelles à leur rôle fonctionnel, dont la pente (classiquement négative) est susceptible de varier en réponse à des changements environnementaux et des pressions anthropiques (Petchey & Belgrano 2010, Arranz et al. 2019). Elle fournit ainsi un outil puissant et novateur pour quantifier les effets de ces impacts à différents niveaux d’organisation biologique allant jusqu’aux écosystèmes (Mehner et al. 2018). Le sujet de thèse proposé s’inscrit dans cette démarche, et abordera les réponses aux changements globaux des communautés de poissons et des écosystèmes d’eau douce. Présentant une large gamme de réponses aux facteurs environnementaux, les poissons d’eau douce sont particulièrement sensibles à l’intégrité écologique de l’habitat et aux conditions thermiques et ils apparaissent comme un modèle biologique de choix pour l’étude des impacts des changements globaux sur la biodiversité. Le projet visera donc à comprendre comment ces modifications structurelles de la biodiversité peuvent ensuite altérer le fonctionnement des écosystèmes.

Le projet de thèse proposé repose sur l’utilisation de trois approches complémentaires : (1) une approche basée sur l’exploitation de données de « monitoring » (suivis annuels à l’échelle de la France des communautés de poissons) qui décrivent les structures des communautés piscicoles (abondances et tailles individuelles) en cours d’eau et en plan d’eau, (2) une approche empirique de terrain relevant de l’écologie fonctionnelle pour quantifier le lien entre la relation taille-abondance des communautés et la structure des réseaux trophiques (efficacité de transfert de l’énergie via les analyses des isotopes stables), et enfin (3) une approche expérimentale pour tester en milieu contrôlé (mésocosmes) les conséquences de ces modifications structurelles des communautés sur le fonctionnement des écosystèmes.

Thesis overview
Global changes have received increasing attention for several years, but their impacts on biodiversity and ecosystem functioning remain poorly understood. To date, although numerous studies have shown the ability of species to modify their phenology (eg early spring events) or their spatial distribution (eg upward or poleward), very few studies have quantified the relative importance of climate change compared to other global change factors (eg habitat degradation and fragmentation, introduction of non-native species). In addition, most of the studies are based on species-specific approaches, and the consequences of these specific responses at higher levels of biological organization (communities and ecosystems) remain little explored. Thus, understanding the impacts of global changes on community structure and ecosystem functioning remains a major challenge of modern ecology, as does the attribution of observed changes in biodiversity to climatic vs non-climatic causes.

In this context, the size of organisms is a fundamental and integrative characteristic of many ecological laws and processes (eg metabolism, respiration, position in food webs), whose non-random distribution in communities is the basis of the founding work of Elton (1927) on the concept of biomass pyramid (many small individuals at the base of food webs represent a large part of the biomass while the individuals at the top of the food chains are larger and rarer). More recently, methodological advances have concerned the study of the slope of the relationship between the abundance and the size of organisms, proposing an alternative vision of the Eltonian pyramid (Trebilco et al. 2013). This size-abundance relationship (« size-spectrum ») is an indicator of community diversity linking their structural characteristics to their functional role, whose slope (classically negative) is likely to vary in response to environmental changes and anthropogenic pressures (Petchey & Belgrano 2010, Arranz et al. 2019). It thus provides a powerful and innovative tool for quantifying the effects of these impacts at different levels of biological organization, from communities to ecosystems (Mehner et al. 2018). The thesis proposal is in line with this approach, and will address the responses of fish communities and freshwater ecosystems to global changes. Presenting a wide range of responses to environmental factors, freshwater fish are particularly sensitive to the ecological integrity of the habitat and to thermal conditions, and appear to be a key biological model for studying the impacts of global changes on biodiversity. The project will therefore aim to understand how these structural changes in biodiversity can then alter ecosystem functioning.

The thesis proposal is based on the use of three complementary approaches: (1) an approach based on the exploitation of monitoring data (annual surveys across France of fish communities) which describe fish community structure (abundances and individual sizes) in rivers and water bodies, (2) an empirical field approach based on functional ecology to quantify the link between the size-abundance relationship of communities and food web structure (energy transfer efficiency via stable isotope analyzes), and finally (3) an experimental approach to test in a controlled environment (mesocosms) the consequences of these structural modifications of communities on ecosystem functioning.

Objectifs
Le projet de thèse s’articule autour de trois objectifs :
(1) Analyser la variabilité spatiale (comparaison le long de gradients environnementaux et entre types d’écosystèmes) et la dynamique temporelle de la relation taille-abondance dans les communautés de poissons, et identifier les déterminants naturels et anthropiques de cette variabilité spatiale et temporelle.
(2) Quantifier le lien entre la relation taille-abondance et la structure des réseaux trophiques en quantifiant l’efficacité de transfert de l’énergie dans les écosystèmes.
(3) Tester expérimentalement les conséquences des modifications structurelles des communautés sur le fonctionnement des écosystèmes aquatiques.

Contexte
D’un point de vue fondamental, le laboratoire EDB (Évolution et Diversité Biologique) s’intéresse à l’évolution et la structuration de la biodiversité en se basant sur l’écologie des communautés, l’écologie évolutive et comportementale, l’écologie fonctionnelle et la génétique évolutive. Au sein d’EDB, l’équipe AQUAECO (Ecologie Aquatique et Changements Globaux) s’intéresse exclusivement aux milieux aquatiques d’eau douce et à l’étude des processus structurant les communautés et le fonctionnement des écosystèmes dans un contexte de changements globaux (changement climatique, invasions biologiques, pollutions et fragmentation). Ces travaux allient des approches théoriques (relation entre biodiversité et fonctionnement des écosystèmes) à des applications pratiques visant à conserver l’intégrité de la biodiversité, des écosystèmes et des services associés. Dans ce contexte, le sujet de thèse proposé se situe dans la continuité et à l’interface de travaux antérieurs sur des approches structurelles relative aux réponses des communautés piscicoles aux pressions environnementales et des approches fonctionnelles relatives aux réseaux trophiques (approches isotopiques) et au fonctionnement des écosystèmes aquatiques.
D’un point de vue appliqué, la Stratégie Nationale pour la Biodiversité s’appuie sur divers indicateurs construits pour renseigner sur l’état et l’évolution de la biodiversité en France métropolitaine. Pour les milieux d’eau douce, les communautés de poissons sont utilisées comme indicateurs de l’intégrité écologique des milieux en se basant sur des métriques sensibles à l’intensité des perturbations humaines (abondance des différentes espèces, structure taxonomique des communautés). Il apparaît aujourd’hui nécessaire de développer des indicateurs complémentaires qui intègrent des modifications fonctionnelles (traits biologiques) des peuplements de poissons et renseignent sur le fonctionnement des milieux aquatiques (flux d’énergie). Dans ce contexte, le sujet de thèse proposé a pour ambition de permettre également aux gestionnaires de mieux caractériser la biodiversité des milieux aquatiques en intégrant à la fois des aspects structurels et fonctionnels dans l’évaluation de l’état écologique de ces milieux, et de développer une approche rapidement opérationnelle qui pourra contribuer à l’Observatoire National de la Biodiversité.

Méthode
En valorisant des données recueillies par l’Office Français de la Biodiversité dans le cadre des réseaux de surveillance des écosystèmes aquatiques d’eau douce (cours d’eau et plans d’eau), le projet de thèse proposé ici repose, dans un premier temps, sur une modélisation de la relation taille-abondance des communautés de poissons. Ce jeu de données considérable et unique en écologie, collecté depuis près de 40 ans, renseigne pour plus de 9000 stations en France les abondances et tailles d’espèces de poissons, ainsi que les conditions (habitat, climat, environnement) du milieu. Pour chaque opération d’échantillonnage, la pente de la relation taille-abondance sera estimée, permettant ensuite d’identifier les déterminants de la variabilité spatiale et de la dynamique temporelle de cette relation.

Une approche empirique sur le terrain sera mise en place pour décrire les structures trophiques des communautés de poissons via l’utilisation d’isotopes stables (δ13C et δ15N). Les données recueillies permettront de quantifier l’efficacité de transfert de l’énergie au sein des réseaux trophiques et de les comparer aux relations taille-abondance des communautés. Cette approche reposera sur des données existantes au sein de l’Equipe d’Accueil (50 réseaux trophiques suivis) et sera complétée par de nouveaux échantillonnages réaliser pendant la thèse. Dans un deuxième temps, une approche expérimentale sera mise en place au sein du Métatron Aquatique de la Station d’Écologie Théorique et Expérimentale à Moulis, un dispositif unique qui permettra de tester les effets relatifs de facteurs environnementaux (e.g. conditions thermiques) et de la structure des communautés (e.g. structure des réseaux trophiques) sur le fonctionnement des écosystèmes aquatiques lentiques et lotiques.

Références bibliographiques
Arranz I. et al. (2019) Systematic deviations from linear size spectra of lake fish communities are correlated with predator–prey interactions and lake-use intensity. Oikos 128: 33-44.
Elton C.S. (1927) Animal Ecology. Sidgwick & Jackson Ltd., London.
Mehner T. et al. (2018) Empirical correspondence between trophic transfer efficiency in freshwater food webs and the slope of their size spectra. Ecology 99: 1463-1472.
Petchey O.L. & Belgrano A. (2010) Body-size distributions and size-spectra: universal indicators of ecological status? Biology Letters 6: 434-437.
Trebilco et al. (2013) Ecosystem ecology: size-based constraints on the pyramids of life. Trends in Ecology & Evolution 28 : 423-431.

Financement du projet doctoral : Concours pour un contrat doctoral

Profil et compétences recherchées
Compétences en analyse de données et modélisation. Un attrait pour la mise en place et le suivi d’expérimentations en milieu contrôlé, le travail de terrain, et l’écologie aquatique seront appréciés.

Profile
Skills in data analysis and modeling. An interest in setting up and monitoring experiments, field work, and aquatic ecology will be appreciated.

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Pièces à envoyer ([email protected] et [email protected]) :
– CV
– lettre de motivation

Etapes : sélection des candidats par les encadrants (un seul candidat par sujet), puis l’étudiant-e présélectionné-e sera auditionné-e par le jury de l’Ecole Doctorale SEVAB (7-8 juillet).
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