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Les mammifères marins jouent divers rôles dans les écosystèmes marins, que l'on connaît mal toutefois dans la plupart des cas. Les mammifères marins peuvent être des prédateurs d'un niveau trophique supérieur s'alimentant d'autres mammifères marins (morse, orque) et de poissons (orque, phoque du Groenland, phoque à capuchon) ou être d'un niveau beaucoup plus bas, par exemple ceux qui s'alimentent d'organismes benthiques (loutre de mer, morse, baleine grise) et d'invertébrés pélagiques (phoque du Groenland). Dans certains cas, ces mammifères jouent un rôle très clair dans la structuration des écosystèmes marins. Ainsi, la prédation des oursins par la loutre de mer réduit la pression de broutage, ce qui permet la prolifération des forêts de varech. On assiste alors au développement de nouveaux écosystèmes ainsi qu'à une augmentation de la densité et de la diversité de la faune marine. En tant que prédateurs de niveau trophique supérieur, on accuse également les mammifères marins d'avoir un impact négatif sur les pêches commerciales en endommageant les engins de pêche, notamment les filets et les pièges. On les accuse aussi de transmettre des parasites, que l'on doit enlever avant de vendre les poissons et, finalement, de consommer des poissons, ce qui en limite la disponibilité pour les pêcheurs.
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