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Comprendre la dynamique et la diversit´e du phytoplancton

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Academic year: 2022

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Texte intégral

(1)

phytoplancton

Fr´ ed´ eric Barraquand, Coralie Picoche

Institut de Math´ ematiques de Bordeaux

8 Octobre 2019

frederic.barraquand@u-bordeaux.fr

(2)

1 - Qu’est-ce qui g´ en` ere les efflorescences ou “blooms”?

Croissance exponentielle de la biomasse sur des surfaces importantes (ha ` a km 2 et plus) Des raisons toujours d´ ebattues Importance pour l’´ ecologie : pompe ` a carbone, eutrophisation, toxines et intoxications

(alimentaires) induites...

Phaeocystis globosa blooming in Boulogne (IFREMER)

Chlorophyll a in the North Atlantic

(May 21 st , 2016, PREVIMER)

F. Barraquand, C. Picoche Le phytoplancton et ses maths

(3)

2 - Qu’est-ce qui maintient la diversit´ e du plancton?

The paradox of the plankton

[...] how it is possible for a number of species to coexist in a relatively isotropic or unstructured environment all competing for the same

sorts of materials. — Hutchinson, 1961

(4)

Blooms : les “mar´ ees rouges” – red tides

Bloom de Karenia Brevis, Floride. Credit: NOAA.

F. Barraquand, C. Picoche Le phytoplancton et ses maths

(5)

Deux protagonistes et leur histoire

Lawrence Basil Slobodkin

Tout juste sorti de th` ese, ´ ecologue int´ eress´ e par la mod´ elisation du vivant, autour de 1950.

Karenia Brevis

Entre 20 et 40 µm, 2 flagelles.

Credit: FWC Fish and Wildlife

Research Institute.

(6)

Pr´ eambule : la diffusion comme mod` ele de mouvement

a) flux laminaire; b) flux turbulent

Approximation diffusive – mouve- ment al´ eatoire des particules

∂p

∂t = D 2 p

∂x 2 (1)

pour une densit´ e d’organismes p(x, t) dans l’eau. Approxime :

La turbulence du fluide Le comportement actif des organismes

R´ eorientation apr` es chocs (mouvement Brownien original)

F. Barraquand, C. Picoche Le phytoplancton et ses maths

(7)

Observations et conjectures

Tir´ e de Okubo and Levin – Diffusion and Ecological Problems: Modern Perspectives (2001)

∃ Taille minimale des “red tides”

Probablement associ´ ees aux masses d’eau de faible salinit´ e

(NB masses d’eau = f(temp´ erature, salinit´ e) → densit´ e )

(8)

The size of water masses containing plankton blooms

Kierstad and Slobodkin, Journal of Marine Research, 1953. Adapt´ e de Okubo & Levin 2001.

∂S

∂t = D 2 S

∂x 2 + rS (2)

avec

S (x, t) = 0 pour x < 0 et x > L S (x, 0) = f (x) > 0 sauf aux bornes qui a pour solution

S (x, t) = A n

X

n=1

sin ( nπx

L ) exp (r − Dn 2 π 2 /L 2 )t (3) avec A n = 2 L R 0 L f (x) sin ( nπx L )dx .

F. Barraquand, C. Picoche Le phytoplancton et ses maths

(9)

The size of water masses containing plankton blooms

De ce mod` ele on d´ eduit

L c = π s

D

r (4)

et en 2 dimensions

R c = 2.4048 s

D

r (5)

L c Longeur et R c rayon critique D diffusivit´ e horizontale

r taux de croissance per capita

(10)

En r´ ealit´ e, c’est plus compliqu´ e...

Distribution verticale

D´ emographie complexe des esp` eces toxiques Pr´ edateurs, parasites, etc.

Fischer et al., 2014. Sixty years of Sverdrup: A retrospective of progress in the study of phytoplankton blooms.

Oceanography.

F. Barraquand, C. Picoche Le phytoplancton et ses maths

(11)

Mod` ele de distribution verticale (s = profondeur)

∂ω

∂t (s , t) = (p(I(s , t))l d )ω(s , t) + ν ∂ω

∂s (s, t) + D 2 ω

2 s (s , t) I(s , t) = I 0 exp

− Z z max

0

k ω(σ, t)d σK bg z max

νω(s , t) + D ∂ω

∂s (s , t) = 0 ∀t, s ∈ {0, z max }

(6)

ω(s, t) plankton abundance

p(I(s, t)) production related to light intensity l d mortality and sinking loss

ν laminar flow (advection)

D diffusion (turbulence)

k light interception

K bg background turbidity

(12)

Huisman & Weissing : comp´ etition pour la lumi` ere

∂ω i

∂t (s , t) = (p i (I(s , t))−l i,di (s, t)+ dD i ds (s) ∂ω i

∂s (s , t)+D i (s ) 2 ω i

2 s (s, t) R´ eponses ` a la lumi` ere esp` ece-sp´ ecifique

Huisman & Weissing, 1999. Species and dynamics in Phytoplank- ton Blooms: Incomplete Mixing and Competition for Light. The American Naturalist.

F. Barraquand, C. Picoche Le phytoplancton et ses maths

(13)

Huisman & Weissing : comp´ etition pour la lumi` ere

∂ω i

∂t (s , t) = (p i (I(s , t))−l i,di (s, t)+ dD i ds (s) ∂ω i

∂s (s , t)+D i (s ) 2 ω i

2 s (s, t) Effet de l’environnement

Huisman & Weissing, 1999. Species and dynamics in Phytoplankton Blooms: Incomplete Mixing and Competition

for Light. The American Naturalist.

(14)

2 - Qu’est-ce qui maintient la diversit´ e du plancton?

Coexistence ` a petite ´ echelle spatiale, e.g. dans les mˆ emes 10 mL.

F. Barraquand, C. Picoche Le phytoplancton et ses maths

(15)

La coexistence dans des mod` eles de Lotka-Volterra (1926)

dN i

dt = r i N i

n

X

j =1

α ij N j N i (7)

N i > 0, N j > 0 si α ii > α ij (et vice versa) pour n = 2

α ii >> α ij pour n grand (Barabas et al. American Naturalist 2016)

α ii >> α ij traduit le fait que les esp` eces ne rentrent pas beaucoup en comp´ etition parce qu’elles ont des

Ressources (nutriments, lumi` eres) diff´ erentes Pr´ edateurs diff´ erents

Habitats diff´ erents

(16)

Th´ eorie neutre de la biodiversit´ e (2000) - esp` eces indistinguables (` a un mˆ eme niveau trophique)

Si les esp` eces sont indistinguables, α ii = α ij par d´ efinition.

F. Barraquand, C. Picoche Le phytoplancton et ses maths

(17)

Test des m´ ecanismes de coexistence sur donn´ ees r´ eelles

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2 3 4 5 6 7

Chaetoceros spp.

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Teychan Buoy 7

2000 2005 2010 2015

Log ab undance

1987 ` a maintenant Deux sites

tous les 15 jours

>300 taxa (≈ esp` eces) Variables

“environnementales”

0102030405060

Nitrogen/Silicon (µM/l)

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● Teychan Buoy 7 Nitrogen Silicon

(18)

Simplification du syst` eme phytoplancton

>300 taxa → 12 groupes au niveau genre

G´ en´ eralement la mˆ eme taille Comp´ etiteurs possible

Log10 Bio v olume ( µ m 3 ) AST NIT PSE SKE CHA GUI LEP RHI GYM PRP CR Y EUG

−2 0 1 2 3 4 5 6 7

F. Barraquand, C. Picoche Le phytoplancton et ses maths

(19)

Hypoth` eses des mod` eles Lotka-Volterra

dN i

dt = r i N i

n

X

j =1

α ij N j N i (8)

Effet lin´ eaire des densit´ es sur les taux de croissance par individu 1

N i dN i

dt = r i

n

X

j =1

α ij N j (9)

(20)

Mod` eles alternatifs

Effet nonlin´ eaire g (N) 1 N i

dN i

dt = r i

n

X

j=1

α ij g (N j ) (10)

Log

1 N i

dN i

dt = r i

n

X

j =1

α ij ln(N j ) (11)

Astuce

d ln(N i )

dt = r i

n

X

j=1

α ij ln(N j ) (12)

et finalement avec x = ln(N) dx i

dt = r i

n

X

j =1

α ij x j (13)

F. Barraquand, C. Picoche Le phytoplancton et ses maths

(21)

Mod` eles autor´ egressifs multivari´ es (statistiques)

x t = (x i,t ) i=1,...,12 , x t+1 = x t + Ax t + Cu t + e t , e t ∼ N 12 (0, Σ) (14)

EUGCRYPRPGYMRHILEPGUICHASKEPSENITAST

AST NIT PSESKECHAGUI LEP RHIGYMPRPCRYEUG Sal. Irr. WindSeas.

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A ` a gauche, C ` a droite; u t environnement (lumi` ere, vent, ...).

(22)

Mod` eles autor´ egressifs multivari´ es (statistiques)

x t = (x i,t ) i=1,...,12 , x t+1 = x t + Ax t + Cu t + e t , e t ∼ N 12 (0, Σ) (14)

EUGCRYPRPGYMRHILEPGUICHASKEPSENITAST

AST NIT PSESKECHA GUI LEP RHIGYMPRPCRYEUG Sal. Irr. WindSeas.

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A ` a gauche, C ` a droite; u t environnement (lumi` ere, vent, ...).

F. Barraquand, C. Picoche Le phytoplancton et ses maths

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