Paysages énergétiques des oiseaux marins migrateurs en Atlantique nord

par Manon Clairbaux

Projet de thèse en Ecologie fonctionnelle

Sous la direction de David Grémillet.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...) , en partenariat avec CEFE - Centre d'Ecologie Fonctionnelle et Evolutive (laboratoire) depuis le 30-09-2017 .


  • Résumé

    « The irony is that just as the phenomenon of migration is slipping away, we are entering a golden age to study it » David S. Wilcove, Princeton, 2008. Les recherches en écologie théorique et empirique indiquent que la migration des oiseaux a évolué afin de maximiser la valeur sélective des espèces concernées dans un environnement changeant (Alerstam et al. Oikos 2003; Somveille et al. Global Ecol. Biogeogr. 2015). Les oiseaux migrateurs recherchent donc les zones qui leur permettent d'équilibrer leur balance énergétique en fonction des ressources disponibles, au sein de paysages soumis aux changements globaux (Newton, Academic Press 2010). Les correspondances, et discordances spatio-temporelles des espèces migratrices vis à vis de leurs environnements préférentiels conditionnement donc leurs stratégies et dynamiques populationnelles (Newton, HarperCollins 2013). Ces espèces sont particulièrement vulnérables aux conséquences des changements globaux (Robinson et al., End. Species Res. 2009; Newton, Academic Press 2010; van Gils et al., Science 2016). Une majorité des migrateurs aux long-cours nichent à haute latitude sur l'hémisphère nord (Somveille et al. PLOS-ONE 2013), dans des zones fortement affectées par les changements climatiques (IPCC, 2013; Meltofte et al., CAFF 2013). Ceci souligne l'importance d'une meilleure compréhension de l'écologie de la migration chez les oiseaux de l'Arctique (Ward et al., J. Avian Biol. 2016). Ces espèces sont principalement étudiées pendant la saison de reproduction. En particulier, des changements de phénologie notables ont été enregistrés (Sparks & Menzel, Int. J. Climatology 2002; Parmesan, An. Rev. Ecol. Evol. Syst. 2006; Høye et al., Curr. Biol. 2007), menant à des discordances temporelles entre ressources et consommateurs, avec des incidences sur la performance de reproduction des espèces migratrices (Both & Visser, Nature 2001; Robinson et al., End. Species Res. 2009). La phase internuptiale des oiseaux migrateurs a, pour sa part, été moins étudiée (Louzao et al., Front. Ecol. Evol. 2015; van Gils et al., Science 2016), principalement pour des raisons méthodologiques (Newton, Academic Press 2010). Ceci est particulièrement vrai pour les oiseaux marins, qui ne sont traditionnellement pas considérés comme des espèces migratrices, plutôt comme des organismes dispersifs. Les progrès récents des techniques de biotélémétrie ont cependant permis de démontrer que les oiseaux marins, à l'instar de leurs équivalents terrestres, disposent aussi de grandes voies migratoires et de zones d'hivernage préférentielles au sein des océans (Shaffer et al. PNAS 2006 ; Frederiksen et al. Div. Distr. 2012; Fort et al. Front. Ecol Evol. 2012; Fort et al. PLOS-ONE 2012). L'analyse des suivis électroniques de nombreuses espèces d'oiseaux marins a ainsi récemment permis d'identifier un point chaud de leur distribution hivernale au large de Terre-Neuve, inconnu jusqu'alors (BirdLife International, données non-publiées). De manière essentielle, ce point chaud correspond à l'épicentre des tempêtes hivernales, dont la fréquence et l'intensité est censée augmenter sous l'incidence des changements climatiques, avec des conséquences présumées pour les taux de survie interannuels des espèces qui le fréquentent. Afin de tester l'incidence des changements climatiques sur les oiseaux migrateurs pendant la période hivernale, il est essentiel de pouvoir quantifier les bénéfices écologiques de leurs choix d'habitats. Ceci peut être effectué au moyen d'indices de valeur sélective, en partant du principe qu'une relation fonctionnelle existe entre ces indices et la capacité des individus à survivre et à se reproduire (Alves et al., Ecology 2013). Ainsi, plusieurs études ont identifié des liens entre conditions hivernales et probabilité de survie des adultes (e.g. Sandvik et al., J. Anim. Ecol. 2005; Reiertsen et al., MEPS 2014), d'autres indiquant des effets à retardement sur la survie et la reproduction (Marra et al., Science 1998; Bogdanova et al., Proc. Roy. Soc. 2011; O'Connor et al., Ecosphere 2014). Ce type d'approche nécessite souvent des études de terrain multi-décennales, et il paraît important de développer des outils complémentaires utilisables à court et moyen terme. L'approche énergétique apparaît comme particulièrement pertinente (Thomas et al. Science 2001), en particulier en synergie avec le champ émergeant de l'écologie du mouvement (Patterson et al. TREE 2008). Plus spécifiquement, le concept de paysage énergétique ouvre actuellement de nouvelles voies en écologie de la migration. Celui-ci est défini comme « des variations des coûts du transport façonnées par l'environnement » (Wilson et al., Ecol. Let. 2012; Shepard et al., Am Nat. 2013), mais il peut être étendu afin d'englober la dépense énergétique d'un individu à un point donné dans l'espace et le temps. Les oiseaux marins migrateurs se déplacent à l'échelle des océans, parfois sur des dizaines de milliers de kilomètres (Egevang et al., PNAS 2010). Il paraît donc impossible de déterminer leur besoins énergétiques quotidiens. Fort heureusement, des nouveaux modèles mécanistes permettent désormais d'estimer cette dépense énergétique d'un animal donné partout sur la planète (Fort et al., J Exp. Biol. 2009; Kearney & Porter, Ecol. Let. 2009; Deville et al., J. Exp. Biol. 2014). Cette méthodologie, validée par des études empiriques (Fort et al., Comp. Biochem. Phys. 2011; Fitzpatrick et al., PLOS-ONE 2015), permet donc d'appliquer le concept de paysage énergétique à l'échelle des populations et des communautés d'oiseaux migrateurs. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'étudier l'incidence des changements climatiques sur les paysages énergétiques de la communauté des oiseaux marins hivernants en Atlantique Nord.

  • Titre traduit

    Energetic landscapes of migratory seabirds in the North Atlantic


  • Résumé

    Theoretical and empirical studies have demonstrated that migration evolves to maximize fitness in a seasonal environment (Alerstam et al., 2003). Migratory animals thereby track the most profitable areas (Newton, 2010), balancing their energy requirements with available resources, within ever-changing ecological landscapes. Such complex spatio-temporal match/mismatch of migratory species with their biotic and abiotic environments shape migratory dynamics and the fate of populations on the move (Newton, 2010). Migrating animals are thus particularly vulnerable to climate change and resulting environmental modifications (Robinson et al., 2009; Newton, 2010; van Gils et al., 2016). Most long-distance migrants breed at high latitudes, where climatic changes have the strongest amplitude and seasonally travel to more favourable wintering grounds (IPCC, 2013; Meltofte et al., 2013). Overall, this puts a strong emphasis on the migratory ecology of birds in a warming Arctic (Ward et al., 2016). Bird sensitivity to climate change has been mainly studied during the breeding season. In particular, drastic changes in phenology have been noticed worldwide, triggered by shorter winters in polar and temperate regions (Sparks & Menzel, 2002; Parmesan, 2006; Høye et al., 2007; Ward et al., 2016). Such phenological changes, that differ between species, can lead to a mismatch between food availability and demands for reproduction with strong impacts on breeding success, particularly for migrating species (Both & Visser, 2001; Parmesan, 2006; Robinson et al., 2009). However, the impacts of climatic changes during winter have been the focus of fewer studies (e.g. (Louzao et al., 2015; van Gils et al., 2016), probably because it is far more challenging to monitor individuals outside the breeding season (Newton, 2010). A prerequisite to understanding how animal wintering is affected by climate change is to quantify the ecological benefits of seasonal habitat choice. For this purpose, it is essential to define and utilize ecological metrics that will allow researchers to rate and compare the profitability of wintering areas. According to evolutionary theory, these fitness proxies should show functional relationships with the capacity of each individual to survive and reproduce (Alves et al., 2013). Indeed, a series of studies have identified the impact of wintering conditions on adult survival probabilities (e.g. Sandvik et al., 2005; Reiertsen et al., 2014), while others have identified significant carry-over effects of such conditions on survival and reproduction in subsequent months (Marra et al., 1998; Bogdanova et al., 2011), or even years (O'Connor et al., 2014). Despite the great success and the necessity of such studies, they require long-term population monitoring and individual phenotyping, which are both extremely time-consuming and costly, particularly for long-lived species, like many migratory birds. Animal energetics offer a powerful, short-term alternative (Thomas et al., 2001). In particular, within the rapidly emerging field of movement ecology (Patterson et al., 2008), the concept of energy landscapes (hereafter ‘energyscapes') seems extremely relevant and attractive for studies of avian migration. Specifically, Wilson, Shepard and coworkers defined energyscapes as “environmentally dependent variation in the cost of transport, driven by variation in parameters such as incline, substrate type, vegetation, current speed, or direction” (Wilson et al., 2012; Shepard et al., 2013). The concept of energyscape can be broadened and defined as the spatial distribution of the energy requirements of an individual at a given point within a landscape, for one specific moment in time. Wild birds notably migrate at the scale of continents, ocean basins, and sometimes the entire globe (Egevang et al., 2010). Hence, determining the immediate energy requirements of a remotely wintering animal seems technically almost impossible. However, the recent development of mechanistic energetic models allows such costs to be estimated for any animal at any location around the globe (Fort et al., 2009, 2012; Kearney & Porter, 2009; Deville et al., 2014). This methodology, which in birds compares well with the accuracy of empirical measurements (Fort et al., 2011; Fitzpatrick et al., 2015), provides a unique opportunity to develop and expand the concept of energyscapes for the study of animal migration. In this context, the objective of this thesis is determine the energyscapes of the seabird community which overwinters in the North Atlantic, and to test the impact of forthcoming climate change on these energyscapes, as well as onto interannual survival probabilities of seabirds from this region.