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Dernier fils de Louis-Marcellin Bureau, armateur, et de Lucie Rozier, Louis Bureau naît à Nantes le 18 novembre 1847. Son frère aîné, Edouard Bureau, est professeur au Muséum national d'histoire naturelle, tandis qu'un autre de ses frères, Léon Bureau, est un armateur reconnu pour ses qualités de linguiste.

Passionné par l'étude de la nature depuis ses plus jeunes années et en particulier par l'ornithologie, Louis Bureau commence à collectionner les œufs d'oiseaux vers l'âge de 10 ans. En 1861, il entreprend des premiers essais d'empaillage, mais par manque d'adresse, il commence une collection de pattes et de têtes d'oiseaux, de 1861 à 1862. En 1861, il commence à rédiger ses premières notes sur les oiseaux et dresse une liste des spécimens qu'il capture. L'année suivante, il s'essaie de nouveau à l'empaillage, avec succès cette fois. Il naturalise ainsi son premier grimpereau à l'âge de 14 ans. L'un de ses frères, Étienne Bureau, l'aide toute sa vie à compléter sa collection d'oiseaux montés et en peaux.

Louis Bureau réalise toute sa scolarité à Nantes, de 1853 à 1867. Bien que passionné de sciences naturelles, il s'oriente vers des études de médecine. Il obtient un baccalauréat ès-sciences à Paris, puis un baccalauréat ès-lettres à Rennes, en 1869. En 1870, lorsque la guerre contre la Prusse éclate, il est mobilisé comme aide-major auxiliaire au sein du 1^er Bataillon de la Garde Mobile de Loire-Inférieure ; il participe à la campagne de Normandie et assiste à la bataille d'Etrepagny. En mars 1871, sur le chemin du retour du Havre à Nantes, il tient à jour un carnet d'observations ornithologiques. Plus tard, en 1877, il soutient sa thèse de doctorat en médecine et est nommé chef de travaux anatomiques à l'École de Médecine de Nantes. En 1880, il est nommé professeur suppléant de sciences naturelles.

En mai 1882, il devient correspondant au Muséum national d'histoire naturelle. À la mort d'Edouard Dufour en septembre 1882, la Mairie de Nantes fait appel à Louis Bureau pour devenir le nouveau directeur du Muséum, poste qu'il occupe pendant 38 ans jusqu'en 1919. Au Muséum, Louis Bureau apporte une attention particulière à la bibliothèque qu'il enrichit, notamment d'ouvrages très rares. Aussi, il complète de manière significative les collections ornithologiques du Muséum, notamment grâce aux spécimens qu'il ramène de ses nombreux voyages en France et à l'étranger, depuis 1875. Souhaitant réaliser une bibliographie ornithologique de la France, qu'il n'a pas le temps de faire paraître, Louis Bureau rassemble de nombreuses fiches léguées aujourd'hui à la bibliothèque du Muséum.

Doué de grandes connaissances ornithologiques, géologiques, botaniques et zoologiques, Louis Bureau contribue beaucoup à l'avancement des sciences naturelles en France. Son expertise est reconnue et appréciée, tant au Muséum national d'histoire naturelle qu'à l'étranger. Il s'engage dans plusieurs sociétés savantes. En 1891, il fonde la Société des sciences naturelles de l'Ouest de la France, association réunissant des amateurs et des scientifiques de toutes disciplines naturalistes. Il est également l'un des fondateurs de la Société zoologique de France et il encourage la création de sociétés françaises ornithologiques. Il obtient le titre de président d'honneur de la Société ornithologique et mammalogique de France. Aussi, il est membre d'honneur de plusieurs sociétés françaises et étrangères : la Société d'études ornithologiques, l'Union des ornithologistes anglais, la Société ornithologique de Vienne en Autriche, la Société allemande d'ornithologie. Il est également membre du Comité ornithologique international et membre correspondant de l'Union des ornithologistes américains. En 1912, il est nommé chevalier de la Légion d'honneur. Il se rend aux congrès internationaux d'ornithologie, dont ceux de Londres en 1905 et d'Amsterdam en 1930, au cours duquel il fut en compagnie du roi Ferdinand de Bulgarie.

Louis Bureau s'éteint à Nantes dans son cabinet de travail, le soir du 14 décembre 1936 à l'âge de 89 ans. Il lègue au Muséum toute sa collection personnelle composée de 471 oiseaux naturalisés, 1671 oiseaux en peau et 380 œufs.

La difficulté du classement des archives de Louis Bureau réside dans la complexité à déterminer les archives relevant de ses activités personnelles, notamment ornithologiques, et celles relevant de ses activités professionnelles au sein du Muséum d'histoire naturelle de Nantes, souvent entremêlées. Elles suivent l'organisation du plan de classement suivant :

• 2 R 856-861 : Papiers personnels
• 2 R 862-865 : Administration et fonctionnement du Muséum
• 2 R 866-875 : Collections du Muséum
• 2 R 876-888 : Travaux scientifiques
• 2 R 889-890 : Activités pédagogiques et manifestations culturelles
• 2 R 891 : Environnement

Muséum d'histoire naturelle de Nantes :

• 1602 W 99 : archives relatives au don des carnets d'excursions géologiques, effectué en 1997.
• 202 Z : fonds Charles Baret.

Archives municipales de Nantes :

• 2 R, Sciences, lettres et arts, archives relatives au Muséum d'histoire naturelle (2 R 565-569).