L’éveil microbien restructure les réseaux trophiques des hautes latitudes à mesure que le pergélisol fond

L’une de ces espèces est le campagnol de la toundra, l’un des quatre animaux de la forêt arctique ou boréale que Philip Manlick, chercheur en biologie de la faune à la station de recherche du nord-ouest du Pacifique du service forestier de l’USDA à Juneau, en Alaska, a examiné dans le cadre de sa nouvelle étude publiée aujourd’hui dans le journal Changement climatique. En collaboration avec des collaborateurs de l’Université du Nouveau-Mexique et de l’Université du Texas à Austin, Manlick a utilisé une nouvelle technique pour quantifier les impacts du changement climatique sur les flux d’énergie et les flux de carbone entre les réseaux trophiques aériens ou verts supportés par les plantes et les réseaux trophiques alimentés par les microbes. des réseaux alimentaires souterrains ou bruns utilisant deux espèces de campagnols, une musaraigne et une araignée comme fenêtres sur des mondes complexes.

« Comprendre comment l’énergie circule dans les réseaux alimentaires nous aide à comprendre comment fonctionnent les écosystèmes et comment les animaux peuvent réagir à des facteurs de stress comme le changement climatique », a déclaré Manlick. « Dans les écosystèmes arctiques et boréaux, il est bien connu que le climat se réchauffe, que le pergélisol fond et que les microbes prospèrent. Mais nous savons très peu de choses sur les impacts de ce processus sur les réseaux alimentaires terrestres et les animaux qu’ils abritent. »

Une nouvelle technique prometteuse

La nouvelle technique au cœur de l’étude impliquait de mesurer les « empreintes digitales » uniques des isotopes du carbone dans les acides aminés essentiels que seules les plantes, les bactéries et les champignons peuvent produire. Les animaux ne peuvent acquérir ces molécules que par leur alimentation. Cela a permis à ces acides aminés essentiels de servir de biomarqueur qui a aidé les chercheurs à suivre la façon dont le carbone se déplaçait entre les réseaux trophiques verts et bruns, ce qui, en fin de compte, les a aidés à détecter les changements.

« Les scientifiques discutent souvent de l’importance des animaux dans les processus écosystémiques comme le cycle du carbone, mais lorsqu’ils consomment des ressources provenant de différents réseaux alimentaires, ils déplacent le carbone entre les réservoirs de stockage », a déclaré Manlick. « À l’avenir, nous pensons que cet outil pourra être utilisé pour retracer le devenir du carbone à travers les réseaux alimentaires afin de comprendre les rôles fonctionnels des animaux dans les fonctions des écosystèmes, comme le cycle des nutriments. »

L’étude a analysé le collagène osseux de spécimens de musée de toundra, de campagnols à dos roux et de musaraignes masquées de la forêt expérimentale de Bonanza Creek, près de Fairbanks, en Alaska, en 1990 et 2021, un échantillon représentant des animaux exposés au réchauffement climatique à long terme. Pour étudier les effets du réchauffement climatique à court terme sur les animaux, les chercheurs ont échantillonné des araignées-loups arctiques près du lac Toolik, en Alaska. Certaines araignées ont été rassemblées comme témoins et d’autres ont été exposées à un réchauffement de 2 °C dans des habitats extérieurs compartimentés appelés « mésocosmes » dans lesquels les scientifiques ont pu augmenter la température à une micro-échelle pour simuler le réchauffement climatique.

S’étendant sur un peu plus de 12 000 acres et englobant des habitats de forêts intérieures et de plaines inondables, la forêt expérimentale de Bonanza Creek est un site idéal pour étudier les impacts du changement climatique sur les forêts boréales et les réseaux trophiques, car elle fournit un enregistrement à long terme des changements dans l’intérieur de l’Alaska. . Il a été créé par le service forestier de l’USDA il y a 60 ans et est un site de recherche écologique à long terme de la National Science Foundation depuis 1987. Pour Manlick, le site offre l’opportunité d’étudier comment ces changements dans la forêt boréale affectent les animaux qui y vivent et comment les animaux eux-mêmes affectent les processus forestiers par le biais de la recherche de nourriture et de la dynamique du réseau trophique.

Changement important dans la source d’énergie

Grâce à leurs analyses isotopiques, Manlick et ses collègues ont détecté des changements significatifs dans l’assimilation du carbone chez les mammifères, notamment un passage des réseaux trophiques à base de plantes aux réseaux trophiques à base de champignons. En d’autres termes, les champignons ont remplacé les plantes comme principale source d’énergie – les petits mammifères, comme les musaraignes, assimilant jusqu’à 90 pour cent de leur apport total en carbone provenant du carbone fongique, soit une augmentation de plus de 40 pour cent par rapport aux spécimens historiques.

Il en allait de même pour les araignées-loups de l’Arctique. Eux aussi sont passés des réseaux trophiques d’origine végétale aux réseaux alimentaires fongiques comme principale source d’énergie, assimilant plus de 50 pour cent de carbone brun dans des conditions de réchauffement, contre 26 pour cent sur les sites témoins.

« Notre étude présente des preuves claires que le réchauffement climatique modifie le flux de carbone et la dynamique du réseau alimentaire parmi les consommateurs de surface dans les écosystèmes de la toundra arctique et de la forêt boréale – selon les espèces, les écosystèmes et les scénarios de réchauffement à long et à court terme », a déclaré Manlick. « Et nous montrons que ces changements sont la conséquence d’un changement de réseaux trophiques à prédominance verte, à base de plantes, vers des réseaux trophiques bruns, à base de microbes. »

Qu’est-ce qui se cache derrière ce changement ?

Les scientifiques soupçonnent que le carbone brun est transféré aux consommateurs aériens, comme les mammifères et les araignées, au cours d’une série d’événements de prédation appelés voies trophiques. Un réchauffement accru entraîne une décomposition accrue du pergélisol de la toundra et des forêts boréales ; Les champignons se nourrissent de cette matière végétale en décomposition et sont, à leur tour, consommés par les arthropodes, les acariens et les vers de terre qui transfèrent le carbone fongique vers le haut dans le réseau trophique où ils sont à leur tour consommés par les campagnols, les musaraignes et les araignées.

« Le réchauffement climatique modifie considérablement le flux d’énergie à travers les réseaux trophiques, de sorte que les animaux qui étaient historiquement soutenus par des réseaux trophiques à base de plantes sont désormais soutenus par des réseaux trophiques à base de champignons issus de la décomposition souterraine », a déclaré Manlick.

Les animaux peuvent modifier le cycle du carbone

Les travaux de Manlick et de ses collègues soulignent que les animaux constituent un lien crucial entre les réseaux trophiques verts et bruns ; cela montre également que le réchauffement climatique modifie ce lien entre les espèces de l’Arctique et des forêts boréales. Les implications potentielles de ces changements induits par le climat sont plus importantes que ce que la petite taille de ces espèces pourrait laisser penser.

« Les changements dans ces interactions peuvent avoir des effets indirects sur le cycle des nutriments et le fonctionnement de l’écosystème », a déclaré Manlick.

Par exemple, si les campagnols tirent une plus grande partie de leur énergie de sources souterraines, ils pourraient consommer moins de plantes, ce qui pourrait augmenter le stockage de carbone dans les écosystèmes aériens.

« Une grande partie des travaux en cours dans les hautes latitudes se concentrent sur le « verdissement de l’Arctique », ou sur l’idée selon laquelle le réchauffement climatique entraîne une croissance accrue des plantes et des écosystèmes plus verts. Nous avons découvert le schéma exactement opposé : les réseaux trophiques « brunissent » », a-t-il déclaré. dit.

À l’avenir, Manlick prévoit d’étudier pourquoi ces modèles chez les plantes et les animaux diffèrent et ce que cela signifie pour l’avenir de ces écosystèmes en évolution rapide.