FA 1.4 - Calibration des indicateurs

Coordinateurs:

Justifications / Enjeux:

Les rapports du GIEC prédisent une sécheresse accrue par rapport à la fin du siècle dernier en Afrique centrale. Les recherches menées par les paléo-botanistes et les paléo-climatologues ont montré que l’Afrique Occidentale a connu une importante aridification il y a 2500 ans. Les mécanismes climatiques à l’origine de ces changements des cycles hydrologiques et de la répartition des pluies au cours du temps ne sont pas encore bien connus  cependant ils semblent liés aux variations des amplitudes de migration de la Zone de Convergence Intertropicale (ZCIT). Cette question constitue un enjeu réel et important pour l’avenir de populations qui sont grandement dépendantes des ressources naturelles telles que l’eau et les forêts. Quelles conséquences pourrait avoir le réchauffement du climat actuel sur la forêt tropicale humide, une des principales ressources économiques du Congo? La connaissance des réponses de la forêt aux variations climatiques du passé nous permettra de mieux agir sur les politiques de protection pour son futur. Cette reconstitution du passé s'appuie nécessairement sur une calibration rigoureuse des indicateurs dans l'actuel afin de mieux définir et de quantifier les variations du climat et notamment la température et la répartition des précipitations.  

Etat de l'art:

Les reconstitutions paléoenvironnementales sont basées sur l’hypothèse que les lois qui régissent les phénomènes actuels, en particuliers géologiques, sont applicables au passé : c’est le « principe des causes actuelles », ou « principe d’actualisme ». Les proxies  sont de natures très variées du fait de la diversité des archives (carotte de sédiment -lacs,  océans, tourbières, etc). En ce qui concerne les proxies les plus fréquemment utilisés en domaine tropical, on pourra citer les assemblages d’organismes microfossiles retrouvés dans les  archives sédimentaires (pollen, phytolithes, microcharbons, diatomées, ostracodes..), les matières sédimentaires d’origine organique ou minérale. Chaque proxy a ses avantages et ses limites mais tous sont soumis à de nombreux processus se déroulant entre leur apport et/ou leur formation/précipitation et leur enfouissement dans les différentes archives citées plus haut. Afin de reconstituer le plus précisément possible l’évolution passée et future des écosystèmes forestiers seule une approche multi-proxy peut permettre  de converger vers des hypothèses cohérentes, tout en permettant d’apporter de précieuses informations sur les processus qui procurent les biais potentiels. La calibration de chaque proxy et son utilisation dans une approche multi-proxies mobilisent aujourd’hui une grande communauté au sein de divers programmes océanographiques internationaux mais pas suffisamment pour le domaine terrestre et plus particulièrement en domaine tropical. La logistique étant souvent plus contraignante en domaine tropical, le travail de calibrage des outils en Afrique a souvent fait défaut à l’exception de quelques fonctions de transferts établies entre le climat et les pollens (Lebamba et al. 2009), entre les paramètres hydrologique et les diatomées (Gasse et al., 1995),  entre le type de couvert végétal et les pollens, phytolithes et isotopes stables du carbone (Aleman et al., soumis). Au cours de la dernière décennie de nouveaux indicateurs de température et de précipitation ont vu le jour grâce aux progrès techniques de chromatographie liquide haute performance couplée à la spectrométrie de masse quadrupolaire (HPLC/MS) permettant l'analyse directe de lipides complexes synthétisés par des procaryotes. L’index MBT/CBT (MBT pour méthylation index for branched tetraethers et CBT pour cyclisation of branched tétraéthers en anglais), serait un indicateur  de la température et/ou  de pH (Weijers et al.,2007). Enfin en contexte continental, Hou et al., (2008) ont montré que les isotopes de l’hydrogène et de l’oxygène (­D et ­18O) des lipides extraits de végétaux reflètent les compositions isotopiques des eaux météoritiques, donnant par conséquent un accès  à des variables climatiques (intensité des Précipitations). 

Objectifs:

Il est donc nécessaire de calibrer les différents indicateurs que nous utilisons pour les reconstitutions climatiques du passé et que nous utiliserons dans les simulations du futur. Nous proposons d’améliorer les calibrations des indicateurs traditionnellement utilisés (pollen, phytolithes, microcharbons.; etc.) et de développer une nouvelle approche de reconstitution quantifiée du climat dans le domaine tropical humide à partir des marqueurs moléculaires des sédiments et des plantes.

Démarches/méthodes:

Afin d’établir des calibrations des biomarqueurs moléculaires pour le domaine de l’Afrique Centrale et d’améliorer celles existants pour les pollens, phytolithes, charbons, diatomées, isotopes stables du carbone et de l’azote, nous collecterons des échantillons de surface et de plantes actuelles permettant d’établir notamment les spectres de pollen, les analyses isotopiques, les types de phytolithes... La calibration des marqueurs moléculaires consiste à extraire des lipides complexes comme les tétraéthers de glycérol caractéristiques des archéobactéries et d’en mesurer l’index MBT/CBT et les isotopes de l’hydrogène et oxygène. Il s’agira enfin de relier les données climatiques actuelles rassemblées à ces indicateurs. Ce travail permettra in fine de reconstruire la variabilité climatique.

Site instruments et outils

Nous essayerons dans la mesure du possible de travailler sur les mêmes sites que ceux sélectionnés dans la fiche action « Systématique, écologie et évolution de familles végétales et taxons modèles » car nous y interviendrons notamment pour les mesures isotopiques du carbone et de l’azote des plantes épiphytes. Nos sites d'étude sont situés dans des milieux contrastés d'un point de vue climatique et environnementale: du milieu savanicole (PN Lopé) à la forêt dense humide (Station de Makokou). Des échantillons de sol superficiel (ou échantillon de surface) et des feuilles (identifiés par les botanistes) seront récoltés le long d'un transect qui englobe le bassin versant et qui se termine dans un lac (en rapport fiche action 3). Pour le lac, l'échantillonnage actuel se fera à l’interface eau-sédiment. Un autre transect altitudinal sera envisagé afin d'étudier la  réponse des marqueurs moléculaires aux variations de températures, comme par exemple sur le Mont Cameroun, entre 0 à 4100 m d'altitude et où par conséquent les versants Nord et Sud offrent un gradient thermique et de précipitations. Les plantes récoltées seront séchées et rangées dans un herbier,  les sédiments seront conservés au frais (4°C) jusqu'à l'analyse en laboratoire.    

  • L’ISEM possède un spectromètre de masse couplé à un analyseur élémentaire pour les analyses isotopiques du carbone et de l’azote.
  • l'ISEM possède un laboratoire d'extraction des pollens, une collection de référence sur les pollens d'Afrique de l'ouest, une salle de microscopie  et une chambre froide pour la conservation des échantillons. Les analyses palynologiques seront menées en collaboration avec le laboratoire de palynologie du Gabon (Ngomanda).
  • Les analyses des marqueurs moléculaires se feront en collaboration avec l’université d’Austin (T.  Shanahan) et nous étudierons la possibilité de développer la méthode à l’ISEM.
  • Les analyses de phytolithes (amélioration de la  base de données actuelles) et charbons seront  effectués au CBAE.
  • Les analyses de diatomées seront effectuées par F. Nguetsop de l’Université de Dschang (Cameroun)

Résultats attendus:

  • Interprétation du signal moléculaire : Calibration entre les facteurs abiotiques et les marqueurs  moléculaires (leur rapport D/H). a) des tétraéthers de glycérol (GDGTs,)- température; b) MBT/CBT -température et/ou de pH ; c) lien entre climat et D et le ­18O.
  • Meilleur compréhension des relations entre les proxies utilisés en paléo et la végétation: amélioration des fonctions de transfert pollen-climat ; Amélioration des fonctions de transferts entre les phytolithes et la végétation et le couvert végétal (Leaf Areal Index, LAI) ; Calibration pollen-phytolithes- C13-N15 des surface de sédiments avec LAI
  • Le rôle de la biomasse CAM dans le cycle du C. Il est important de la quantifier car on ne sait pas ce que représentent ces CAM en proportion (si c’est important alors cela pourrait nous amener à réviser certaines interprétations des profils pédologiques). 
  • Lien ­ 14C des plantes avec la disponibilité en eau.
Institutions Partenaires:
Références:

Aleman J., Brémond L., Bentaleb I., Martin C., Favier C., Recording savanna /forest vegetation structure in soil using biological indicators.  Soumis à Journal of Plant Ecology.

Gasse F., Juggins S., Ben Khelifa L. 1995. Diatom-based transfer functions for inferring past hydrochemical characteristics of African lakes. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 117(1995)31 54

Lebamba, J., Jolly, D., Vincens, A., Favier, C., Ngomanda, A., Schevin, P., Maley, J. and Bentaleb, I., 2009. Modern pollen rain in ecosystems of Central Atlantic Africa. New data from forests of Gabon and Cameroon.$ Review of Palaeobotany and Palynology 153: 34-45. 

Ménot-Combes, G., Bard, E., Rostek, F., Weijers, J.W.H., Hopmans, E.C., Schouten, S., Sinninghe Damsté, J.S., 2006. Early reactivation of European rivers during the last deglaciation. Science 313, 1623-1625.

Ortuño T., Ledru M.-P., Cheddadi R., Kuentz A., Favier, C., Beck S. (2011) Modern pollen rain, vegetation and climate in Bolivian ecoregions. Review of Palaeobotany and Palynology.on line et sous presse.

Weijers, J.H.W., Schouten, S., van den Donker, J.C., Hopmans, H., Sinninghe Damsté, J.S., 2007. Environmental controls on bacterial tetraether membrane lipid distribution in soils. Geochimica et Cosmochimica Acta 71, 703-713.

Hou J., D’Andrea WJ., Yongsong Huang Y. 2008. Can sedimentary leaf waxes record D/H ratios of continental precipitation? Field, model, and experimental assessments. Geochimica et Cosmochimica Acta 72, 3503–3517