Macroecology of Southern Ocean echinoids : distribution, biogeography and modelisation

Macroécologie des échinides de l'océan Austral : Distribution, Biogéographie et Modélisation

Benjamin Pierrat (1)

1 BGS - Biogéosciences [UMR 6282]

What are the forcing factors and main patterns of species distribution? This question is the core of macroecological issues and is of particular interest in the present context of global warming. The main objectives of this thesis were to determine the current distribution patterns of Antarctic and sub-Antarctic echinoid species at the scale of the whole Southern Ocean and to highlight the forcing factors that control them. The ecological niche modelling of 19 echinoid species showed that distribution is mainly structured in two patterns: (1) a first one represented by species that are not limited to the south of the Polar Front and distributed from the Antarctic coasts to the sub-Antarctic and cold temperate areas, and (2) a second one with species restricted to the Antarctic area. Within these two main patterns, five sub-patterns were also identified that depend on differences in the latitudinal and depth range of species groupings. In addition to this approach of biogeography by ecological niche modelling, a similarity analysis of echinoid, bivalve and gastropod fauna between bioregions of the Southern Ocean was performed at species and genus levels. This analysis reveals faunal connections between southern South America and sub-Antarctic areas in echinoids and bivalves, along with a partition between the East and West Antarctic. On the contrary, sub-Antarctic gastropod fauna show Antarctic rather than South American affinities and the Antarctic form a sole and unique province in this clade. These differences between clades are interpreted as the result of distinct biogeographic and evolutionary histories between echinoids and bivalves on the one hand, and gastropods on the other hand. The proposed hypothesis is that clades developped different evolutionary responses to the environmental changes that occurred during the Cenozoic. Finally, in the three clades, trans-Antarctic faunal connections are shown and interpreted as a result of West Antarctic Ice Sheet collapses and the setting up of trans-Antarctic sea-ways during the Pleistocene. Among the environmental parameters used for the ecological niche modelling, results show that the three following parameters play the main part in echinoid distribution: depth, sea-ice cover and sea surface temperature. However, the relative importance of these parameters depends on the species under studies. These differences are particularly emphasized in the case study of the genus Sterechinus. The species S. neumayeri is indeed the most dependent on environmental conditions that prevail along the Antarctic coasts (sea surface temperature and sea-ice cover), while S. antarcticus doesn’t seem to be so much under the control of these parameters. Accordingly, the potential distribution of S. antarcticus in latitude is the most extended. However, S. antarcticus is not present over the whole area of its potential distribution, what can be explained as the result of either (1) oceanographic factors (role of the Polar Front as a biogeographical barrier), (2) biotic interactions (inter-specific competition) or (3) the temporal context (still ongoing colonization).

Quels sont les grands patrons de distribution des espèces et quels sont les facteurs qui les contrôlent? Ces questions sont au cœur des problématiques macroécologiques et prennent un intérêt tout particulier au regard du réchauffement climatique global actuel. L’objectif principal de ce travail de thèse était de déterminer les patrons de distribution actuels des espèces d’oursins antarctiques et subantarctiques à l’échelle de l’océan Austral et de mettre en évidence les facteurs qui contrôlent ces distributions. La modélisation des niches écologiques d’une vingtaine d’espèces d’oursins a permis de mettre en évidence deux grands patrons de distribution : (1) un premier représenté par les espèces dont la distribution n’est pas limitée au sud du Front Polaire et s’étend des côtes antarctiques aux zones subantarctiques et tempérées froides et (2) un deuxième constitué d’espèces restreintes à la zone antarctique. Au sein de ces deux patrons, cinq sous-patrons ont également pu être défini sur la base de différences de distribution latitudinale et bathymétrique entre groupes d’espèces. Cette approche biogéographique par modélisation de niche écologique a été complétée par l’analyse de similarité de l’ensemble des faunes d’oursins, de bivalves et de gastéropodes, au niveau spécifique et générique, entre biorégions de l’océan Austral. Cette analyse démontre qu’il existe chez les oursins et les bivalves des connexions fauniques entre l’Amérique du Sud et les zones subantarctiques ainsi qu’une séparation entre l’Est et l’Ouest antarctique. Au contraire, les faunes de gastéropodes subantarctiques montrent des affinités plutôt antarctiques que sud-américaines, l’Antarctique ne formant qu’une unique province pour ce clade. Ces différences entre clades sont interprétées comme étant le résultat d’histoires évolutive et biogéographique distinctes entre oursins et bivalves d’une part et gastéropodes d’autre part. L’hypothèse d’une réponse évolutive différente des clades aux changements environnementaux survenus au cours du Cénozoïque est avancée. Enfin, l’existence de connexions fauniques trans-antarctiques est mise en évidence dans l’étude des trois clades ; celles-ci sont interprétées comme le résultat de la dislocation de la calotte ouest-antarctique et l’ouverture de bras de mer trans-antarctiques au cours du Pléistocène. Parmi les paramètres environnementaux utilisés dans la modélisation des niches écologiques, les résultats montrent que trois paramètres jouent un rôle majeur dans la distribution des oursins : la profondeur, la couverture de glace et la température des eaux de surface. Toutefois, l’importance relative de ces paramètres diffère selon les espèces d’oursins étudiées. L’étude du genre Sterechinus souligne tout particulièrement ces différences. En effet, l’espèce S. neumayeri est plus sensible aux conditions environnementales qui prédominent près des côtes antarctiques (température des eaux de surface et couverture de glace), alors que S. antarcticus semble être beaucoup moins contraint par ces mêmes paramètres. La distribution potentielle de S. antarcticus est d’ailleurs beaucoup plus étendue en latitude. Cependant, S. antarcticus n’est pas présent sur l’ensemble de son aire de distribution potentielle, ceci pouvant être expliqué alternativement par le résultat (1) de facteurs océanographiques (rôle de barrière biogéographique joué par le Front Polaire), (2) d’interactions biotiques (phénomènes de compétition inter-spécifique) et (3) du contexte temporel (colonisation toujours en cours).

Mots clés: Southern Ocean; Echinoids; Macroecology; Ecological niche modelling; Biogeography

Mots clés: Macroécologie; Modèles de niche écologique; Biogéographie; Échinides; Océan Austral

Domaines: Sciences agricoles; Biologie animale

Benjamin Pierrat. Macroécologie des échinides de l'océan Austral : Distribution, Biogéographie et Modélisation. Sciences agricoles. Université de Bourgogne, 2011. Français. ⟨NNT : 2011DIJOS074⟩. ⟨tel-00717643⟩