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Le dégel des sols arctiques ne réveille qu’une partie des microbes

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Au Svalbard, un archipel isolé de l’Arctique situé entre la Norvège continentale et le pôle Nord, les sols restent gelés pendant la majeure partie de l’année. Ces environnements froids, pauvres en nutriments et largement dépourvus de végétation renferment pourtant d’importantes quantités de carbone piégé dans le pergélisol.

Avec le réchauffement rapide de l’Arctique, ces sols dégèlent désormais pendant des périodes plus longues chaque été. Une nouvelle étude montre que ce dégel n’entraîne pas une activation complète de la vie microbienne. En réalité, environ la moitié des micro-organismes présents dans ces sols restent dormants, même après plusieurs mois de dégel.

Suivre la reprise de l’activité microbienne
Malgré leur apparence austère, les sols arctiques abritent des communautés microbiennes diversifiées qui jouent un rôle clé dans la régulation des émissions de carbone vers l’atmosphère. Lorsque le sol dégèle, l’eau liquide devient disponible, permettant aux micro-organismes de reprendre leur activité.

Pour mieux comprendre ce processus, une équipe internationale incluant des scientifiques du CNRS à l’Institut Méditerranéen d’Océanologie (MIO) a incubé des sols du Svalbard et suivi directement la croissance microbienne grâce à une technique de marquage isotopique de l’ADN. Cette approche a permis d’identifier précisément quels micro-organismes se développaient après le dégel.

Les résultats montrent que certains micro-organismes s’activent rapidement, tandis que d’autres ne commencent à croître qu’après plusieurs semaines. Une grande partie de la communauté reste toutefois inactive.

Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet ERC SIESTA, qui vise à mieux comprendre le rôle de la dormance microbienne dans des environnements extrêmes.

Au-delà de la décomposition : des interactions biologiques clés
De manière inattendue, les micro-organismes actifs ne se limitent pas aux décomposeurs de matière organique. L’étude met également en évidence la croissance de bactéries prédatrices, capables de consommer d’autres micro-organismes. Ce résultat souligne que les interactions au sein des réseaux trophiques microbiens jouent un rôle important dans le fonctionnement des sols arctiques après le dégel.

Un enjeu majeur pour le climat
Les sols arctiques stockent environ un tiers du carbone des sols mondiaux. Avec l’accélération du réchauffement, le devenir de ce carbone dépend étroitement de l’activité microbienne.

Cette étude montre que les émissions de carbone ne sont pas uniquement contrôlées par la température, mais aussi par l’identité des micro-organismes qui deviennent actifs, et le moment auquel ils s’activent. Ces résultats suggèrent que les modèles climatiques actuels pourraient simplifier excessivement la réponse des sols arctiques au réchauffement.

Exposition « Sous l’horizon » dans le cadre des extatiques

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Premier rendez-vous de la saison culturelle Les Extatiques de Paris La Défense dont la direction artistique a été confiée à COAL pour la saison 2026-2027, l’exposition « Sous l’Horizon » invite à une immersion dans les mondes invisibles de l’océan. Dans un espace de 1000 mètres carrés, habituellement inaccessible au public situé sous la Grande Arche, les visiteurs équipés d’un casque audio et d’une lampe torche, traversent un parcours poétique et sensoriel, mêlant science et fiction. Avec les œuvres d’Antoine Bertin, Jérémie Brugidou, Ugo Schiavi et Shivay La Multiple ; et les mots de Mariette Navarro contés par Emily Loizeau.

Du 3 au 26 avril 2026.

 

Tout au long de la saison, une constellation d’expériences singulières viendra rythmer la programmation. Intitulées Sociétés secrètes, ces propositions invitent le public à explorer autrement les trésors artistiques et patrimoniaux du territoire, et à vivre des rencontres rares, parfois inattendues.

Les Sociétés secrètes incarnent pleinement l’esprit de la saison D’autres Mondes : offrir des expériences capables de déplacer les regards et de transformer notre perception du vivant, de l’espace et du collectif. Chaque rendez-vous devient une porte d’entrée vers des réalités parallèles, discrètes mais agissantes.

Conçues comme des moments insolites et immersifs, ces rencontres prennent des formes variées — activations artistiques, rituels imaginaires, explorations urbaines… Elles esquissent l’existence d’usages inédits, d’autres mondes et d’autres futurs possibles, qui s’inventent en silence sous nos pas et révèlent la pluralité des mondes qui coexistent autour de nous.

Billetterie Les Extatiques – Sous l’horizon : réservez vos billets pour l’exposition dès maintenant et choisissez votre créneau en ligne.

 

Deux rendez-vous de bar des sciences en collaboration avec l’OSU Pythéas !

Jeudi 9 avril — Rencontre avec la bioluminescence

  • 18h30 – 19h | Apéro-quiz Océan

Un temps convivial et participatif animé par la Fondation de la Mer pour tester ses connaissances sur les mystères du vivant marin

  • 19h – 20h | Discussion croisée animée par Sophie Bécherel

Une soirée consacrée à la bioluminescence, phénomène biologique par lequel certains micro-organismes marins produisent de la lumière grâce à des réactions chimiques spécifiques. Présente dans de nombreux écosystèmes océaniques, cette émission lumineuse joue des rôles écologiques variés : communication, défense, attraction ou camouflage. Cette rencontre propose de mieux comprendre les mécanismes scientifiques et les fonctions écologiques de la bioluminescence, tout en interrogeant la manière dont la découverte de ces formes de vie souvent invisibles peut nourrir l’émerveillement et renforcer la sensibilisation du public à la préservation de la biodiversité marine.

Avec : Jeremie Brugidou, artiste et chercheur ; Youri Timsit, Directeur de Recherche au CNRS ; et Gaël Clément , paléontologue au Muséum national d’Histoire naturelle.

Événement gratuit dans la limite des places disponibles – Réservation conseillée !
Les 30 premiers visiteurs auront droit à une boisson offerte !

Mercredi 15 avril – Bar des Sciences : Mondes marins sonores
Dédiée aux paysages sonores sous-marins, cette soirée nous plonge dans l’univers acoustique des océans et nous aide à comprendre ce que les sons révèlent de la santé des écosystèmes.

  • 18h30 – 19h | Apéro-quiz Océan

Un temps convivial animé par la Fondation de la Mer, pour explorer de manière ludique les mystères du monde marin.

  • 19h – 20h | Discussion croisée animée par Sophie Bécherel

Une rencontre entre artistes et chercheurs pour interroger l’impact des activités humaines sur l’environnement acoustique des océans et réfléchir à la manière dont l’écoute peut devenir un outil de connaissance, de protection et de relation au vivant .

Avec : Antoine Bertin, artiste sonore; Lucia Di Lorio, spécialiste des paysages sonores et de l’éco-acoustique appliquée à l’étude des dynamiques des écosystèmes marins et Aurore Morin, du Fonds international pour la protection des animaux (IFAW), chargée de la campagne “Vitesses Bleues” pour un océan plus silencieux.

Événement gratuit dans la limite des places disponibles – Réservation conseillée !
Les 30 premiers visiteurs auront droit à une boisson offerte !

Les structures océaniques (cyclones, anticyclones…) influencent le rôle des micro-organismes dans la séquestration du CO2 dans l’océan profond

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L’océan joue un rôle majeur dans le cycle planétaire du carbone, en transformant une partie du CO2 atmosphérique en carbone organique grâce à la photosynthèse en utilisant l’énergie lumineuse des cent premiers mètres de l’océan. Une partie de ce carbone organique va être transformée avant de chuter par gravité des zones éclairées de l’océan vers les zones profondes sous forme de particules et d’agrégats également appelés neige marine. Ce flux de carbone et d’énergie alimente les écosystèmes profonds et permet une séquestration du carbone à plus ou moins long terme, selon la profondeur atteinte. La compréhension de ces mécanismes complexes, connus sous le nom de pompe biologique gravitationnelle, reliant la surface à l’océan profond, est essentielle à la modélisation du cycle du carbone global et donc aux projections climatiques à l’échelle de la planète.

Cette étude, publiée le 8 janvier, propose un changement de perspective pour comprendre le rôle des microbes dans le cycle du carbone océanique. Elle distingue deux groupes de micro-organismes, d’une part, les microbes en suspension, qui regroupent à la fois les micro-organismes libres dans l’eau et ceux attachés à des particules en suspension (qui ne coulent pas) ; et d’autre part, les micro-organismes attachés à la neige marine qui chute par gravité vers le fond de l’océan. Ces deux groupes jouent des rôles distincts et complémentaires dans le cycle du carbone de la zone mésopélagique des océans. Les micro-organismes en suspension maintiennent les stocks de carbone de la zone mésopélagique grâce à une fixation du carbone inorganique in-situ dans l’obscurité (dark carbon fixation, c’est-à-dire une production nouvelle de carbone organique à partir de carbone inorganique sans énergie lumineuse), tandis que les micro-organismes associés aux particules qui chutent dégradent la matière organique et régulent l’atténuation des flux de carbone particulaire en cours de sédimentation.

Cet article scientifique est le fruit d’une collaboration internationale pilotée par des scientifiques de l’Institut Méditerranéen d’Océanologie (MIO, CNRS/Aix-Marseille Université/IRD/Université de Toulon). Il est basé sur les données issues de la campagne océanographique APERO (Assessing marine biogenic matter Production, Export and Remineralization : from the surface to the dark Ocean), menée durant 45 jours dans l’Atlantique Nord en 2023, projet co-porté par Laurent Memery (LEMAR, CNRS, IFREMER, IRD, Université de Bretagne Occidentale, Brest), Lionel Guidi (LOV, CNRS, Sorbonne Université, Villefranche-sur-Mer) et Christian Tamburini (MIO), qui a mobilisé deux navires de la Flotte Océanographique Française et a permis d’échantillonner simultanément à travers différentes structures dynamiques (tourbillons cycloniques et anticycloniques, fronts cycloniques) à différentes profondeurs.

Pour mesurer la fixation du carbone inorganique dans l’obscurité (micro-organismes autotrophes) et l’activité métabolique des micro-organismes hétérotrophes (producteurs de carbone inorganique), les scientifiques ont adopté une approche innovante, combinant mesures de traceurs isotopiques et analyse génétique. Ils ont notamment utilisé une ligne de mouillage dérivante de 1 km de long (0 – 1000m), équipée de pièges à sédiment pour prélever les micro-organismes attachés aux particules qui sédimentent le long de la colonne d’eau.
 

En échantillonnant simultanément dans plusieurs zones hydrologiques contrastées, à différentes profondeurs, les chercheurs ont pu constater que :

  • Les micro-organismes attachés aux particules en cours de chute contribuent à 8–21 % de la demande totale en carbone, avec un rôle accru au niveau des fronts.
  • Ces processus varient fortement selon les structures physiques (cyclones, anticyclones, fronts), soulignant la nécessité d’intégrer la variabilité méso-échelle (tourbillonnaire) dans les modèles biogéochimiques.
  • Dans le tourbillon cyclonique, la fixation de carbone inorganique dans l’océan obscure par les micro-organismes en suspension représente jusqu’à 50 % des apports totaux en carbone organique, soit une contribution comparable à celle du flux de particules.

Ces découvertes permettent de réévaluer les flux de carbone dans l’océan profond et d’améliorer les modèles climatiques en prenant mieux en compte la zone mésopélagique et les structures physiques à méso-échelle. Cette étude représente une avancée majeure pour réduire les incertitudes sur le devenir du carbone dans l’océan et son impact sur le climat.

Observation depuis l’espace d’un déclin de la biomasse planctonique dans un hotspot de fixation d’azote

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La principale source externe d’azote nouveau dans l’océan de surface provient de la fixation biologique du N2 par les micro-organismes diazotrophes. Ce processus offre à la communauté phytoplanctonique un mécanisme permettant de réduire la limitation en azote dans la couche éclairée, soutenant ainsi la production nette de matière organique dans les eaux de surface, ainsi que l’export de carbone vers l’intérieur de l’océan par des processus biologiques. Les changements induits par la modification du climat ont le potentiel d’affecter les hotspot de fixation de N2 à l’échelle de l’océan global. Dans ce contexte, évaluer la variabilité du stock de matière organique particulaire produit via la fixation du N2 sur de longues échelles de temps est essentiel pour déterminer le rôle futur de ces régions océaniques comme puits de CO2.

Les résultats mettent en évidence un déclin progressif au cours des deux dernières décennies de la biomasse au sein du « hotspot » de fixation du N2 situé dans le Pacifique tropical sud-ouest. Ce déclin est attribué à une diminution progressive de l’amplitude des cycles saisonniers, en lien avec une modification de la stratification.

Ces conclusions reposent sur le développement d’un nouveau modèle bio-optique basé sur le coefficient d’absorption du phytoplancton, aph(442), estimé à partir des observations satellitaires de couleur de l’océan. À partir de ce modèle, un proxy optique de l’azote organique particulaire (PON) a été établi, permettant d’obtenir un suivi à long terme (décembre 2002-décembre 2022) de la biomasse dans le Pacifique tropical sud-ouest.

Cette diminution de la biomasse diazotrophe conduit inévitablement à une réduction significative de l’azote disponible pour les producteurs primaires et par conséquent pour l’ensemble du réseau trophique marin. Une telle diminution pourrait contribuer à un déclin futur de la séquestration du carbone par l’océan, avec des implications potentielles pour les cycles biogéochimiques globaux et la régulation du climat.

Graphique tendances de la concentration en azote organique
(a) Tendance significative en %/an des concentrations en azote organique particulaire (PON) dans le hotspot de fixation de N2 du Pacifique tropical sud-ouest, (b) composante moyenne régionale du terme saisonnier (mg m-3), (c) et du terme tendance-cycle(mg m-3). Crédit : Référence

 

Maths & Océans #3 : Modélisations mathématiques de la biodiversité marine

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Les ponts entre les mathématiques et la biodiversité marine sont plus nombreux et plus fréquents qu’on ne l’imagine a priori. L’objectif de cet article est d’en donner deux exemples : le rôle de la biodiversité dans le fonctionnement des océans et la biodiversité comme ressource exploitée.

La biodiversité marine évoque souvent des images d’écosystèmes colorés habités par des organismes bigarrés qui se déplacent dans un monde silencieux. En réalité, la biomasse vivant dans les océans se présente également sous la forme de micro-organismes comme des virus, des bactéries ou des cellules de plancton, et ce sont ces formes de vie invisibles à l’œil nu qui constituent la majeure partie de la biodiversité océanique.

Biodiversité d'un récif du lagon sud de nouvelle Calédonie, dans l'océan Pacifique. Cette photographie a été réalisée dans le cadre du projet de recherche IBANOE dont l'objectif est d'identifier de nouveaux indicateurs des apports anthropiques (nutriments, métaux lourds) et du fonctionnement trophique du lagon sud-ouest de Nouvelle-Calédonie. In fine, il s'agit d'appréhender l'intensité et l'étendue spatiale des apports anthropiques de Nouvelle-Calédonie et du Vanuatu. Le projet IBANOE s'inscrit dans un double contexte de recherche académique et de préservation des écosystèmes côtiers. UMR6539 Laboratoire des sciences de l'environnement marin.
Figure 1. Biodiversité d’un récif du lagon sud de nouvelle Calédonie, dans l’océan Pacifique. Crédit : Erwan AMICE / IRD / CNRS Images

Bien que microscopiques, ces espèces sont si nombreuses qu’elles contribuent fortement aux conditions de notre vie sur la Terre. Par exemple, le phytoplancton consomme du dioxyde de carbone (CO2) et produit de l’oxygène (O2). Ces deux fonctions jouent un rôle majeur dans la régulation du climat et dans l’approvisionnement en oxygène de l’atmosphère. Le phytoplancton et le bactérioplancton sont donc des acteurs essentiels de ce qu’on appelle aujourd’hui la pompe biologique du carbone, qui contribue à ralentir le réchauffement climatique. D’une manière générale, comprendre le fonctionnement de la biodiversité marine est un enjeu important de la recherche en océanographie. Ces écosystèmes sont peu accessibles, leur observation directe est difficile, les mathématiques sont donc un instrument d’exploration indispensable.

Dans ce contexte, l’étude scientifique de la biodiversité consiste non seulement à suivre le nombre et la densité d’espèces emblématiques, mais surtout à comprendre comment les espèces marines coexistent et dans quelles conditions cette diversité permet aux écosystèmes marins de fonctionner et perdurer. 

Pour comprendre comment les écosystèmes marins fonctionnent et quel rôle y joue la biodiversité, les mathématiques offrent un ensemble de méthodes et d’outils indispensables et féconds : la théorie des systèmes dynamiques permet notamment d’extraire l’information contenue dans une très grande variété de modèles représentant les interactions entre les différentes espèces d’un milieu naturel.

Ils sont fondés sur des équations différentielles qui généralisent le modèle de Lotka-Volterra (1922-1925), proposé initialement pour étudier un système avec un type de prédateur et un type de proie. Ce modèle historique a notamment mis en évidence les cycles de croissance et de déclin des populations de proies et de prédateurs, depuis observés tant en milieux naturels que dans des dispositifs expérimentaux au laboratoire. Dans l’exemple de la figure 2, le modèle de Lotka-Volterra permet de reproduire les dynamiques observées et d’estimer les paramètres biologiques et écologiques des espèces cultivées, comme leur taux de croissance ou leur taux de mortalité…

Figure 2 : Système marin simplifié prédateur-proie, composé d'une population zooplanctonique qui broute des microalgues : milieu de culture en laboratoire et modèle mathématique.
Figure 2 : Système marin simplifié prédateur-proie, composé d’une population zooplanctonique qui broute des microalgues : milieu de culture en laboratoire et modèle mathématique.

Depuis le siècle dernier, ce modèle a été généralisé dans de très nombreuses directions, et permet, avec les méthodes et moyens de calculs actuels, de représenter des réseaux écologiques contenant un grand nombre d’espèces en interaction, incluant les micro-organismes mais aussi les poissons, les méduses, les oiseaux ou les mammifères marins. Le modèle est enrichi en prenant en compte les éléments nutritifs ainsi que la répartition spatiale et le déplacement des espèces.

Figure 3 : Modélisation mathématique de la biodiversité marine.
Figure 3 : Modélisation mathématique de la biodiversité marine.

Ces modèles de biodiversité marine doivent également prendre en compte les conditions environnementales naturelles, en particulier les conditions physiques et chimiques de l’eau de mer (courants, température, salinité, acidité, éclairement, etc.). Ces couplages de modèles ouvrent la voie vers une meilleure compréhension des interactions entre les processus biologiques et les processus physiques. Par exemple, ils permettent aujourd’hui de mieux appréhender la manière dont les déplacements complexes des masses d’eau de mer structurent la composition des communautés planctoniques et comment la biologie rétroagit sur les propriétés physiques du milieu environnant.

Ces modèles mathématiques complexes sont alors utilisés pour tester des hypothèses de fonctionnement des systèmes marins et proposer des expériences en laboratoire ou dans des dispositifs expérimentaux et instrumentés tels que les mésocosmes. Cette démarche est à l’origine d’avancées majeures dans notre compréhension de ces milieux difficiles d’accès. Les modèles mathématiques servent également à établir des scénarios prévisionnels, comme dans les activités du Groupe International d’Experts du Climat (GIEC) ou de la Plate-forme intergouvernementale scientifique et politique sur la biodiversité et les services écosystémiques (IPBES).

« Les mathématiques fournissent également des outils pour une meilleure gestion de l’environnement marin et des ressources qu’il nous fournit ». Jean-Christophe Poggiale

Coraux dans un lagon, en Nouvelle-Calédonie. Six zones marines calédoniennes sont inscrites au Patrimoine Mondial de l'Unesco pour leur valeur universelle exceptionnelle. Dans cette collectivité française, les altérations superficielles des roches ultrabasiques, roches magmatiques très pauvres en silice, sont exploitées pour le nickel. L'extraction s'effectue dans des mines à ciel ouvert, après décapage du couvert végétal, des sols et des terrains superficiels stériles, pour atteindre les roches fertiles. Le projet "Dispersion des métaux de la mine au lagon" s'intéresse aux poussières atmosphériques et aux particules transportées par ruissellement, qui accompagnent ces activités minières. La question de la dispersion des métaux dans l'environnement est étudiée en utilisant en premier lieu des lichens comme bioindicateurs des émissions atmosphériques, mais aussi des séquences sédimentaires permettant d'aborder l'impact minier sous un aspect historique.
Coraux dans un lagon, en Nouvelle-Calédonie. Crédit : Fabrice MONNA / ISEA / ARTeHIS / Bioge

Les mathématiques fournissent également des outils pour une meilleure gestion de l’environnement marin et des ressources qu’il nous fournit. À titre d’exemple, les modèles mathématiques présentés précédemment ont été adaptés pour mieux décrire les impacts de la pêche et améliorer les politiques de pêche pour une exploitation durable. Cet enjeu est majeur, car la pêche industrielle constitue, avec le réchauffement climatique, l’une des principales pressions exercées sur la biodiversité océanique2. Les modes de gestion de la pêche, comme la définition des quotas ou la construction d’aires marines protégées, sont guidés par des modèles et des méthodes mathématiques. Les stratégies d’exploitation qui en découlent ont un impact fort sur la biodiversité, ce qui rend indispensable une modélisation fidèle de la biologie des espèces concernées et de leurs interactions avec leur environnement. 

Les écosystèmes océaniques sont des milieux très complexes, en raison de la diversité des échelles de temps et d’espace, ainsi que des processus physiques et biologiques qui interviennent. Malgré cela, les données disponibles sont de plus en plus nombreuses grâce au développement d’outils d’observations de plus en plus sophistiqués (satellites, dispositifs autonomes équipés de capteurs, acoustique marine, etc.). 

Par ailleurs, de nos jours, les approches moléculaires fournissent rapidement des données précises sur les propriétés biologiques et écologiques des organismes échantillonnés. Avancer dans la compréhension, la structuration et l’exploitation de cette masse de données d’origines très diverses requiert des contributions issues de plusieurs branches des mathématiques, allant de la théorie des probabilités à l’analyse numérique, en passant par des approches de géométrie différentielle ou d’analyse des équations aux dérivées partielles. Actuellement, les progrès de l’intelligence artificielle ont des conséquences considérables sur l’automatisation des observations et l’accélération des calculs numériques nécessaires à la résolution des équations dans les simulations. Il est cependant légitime et indispensable de se poser la question de l’impact environnemental de l’utilisation du calcul intensif et de l’intelligence artificielle.

Un vivaneau à deux taches ,"Lutjanus bohar", très curieux, se place entre le plongeur et les requins. Atoll de Fakarava, archipel des Tuamotu, Polynésie française.
Un vivaneau à deux taches, »Lutjanus bohar », très curieux, se place entre le plongeur et les requins. Crédit : Thomas VIGNAUD / CNRS Images.

En conclusion, rappelons que les océans et la biodiversité qu’ils abritent sont des acteurs essentiels de la régulation du climat. Ils fournissent également un grand nombre de services notamment en termes de conditions de vie ou d’alimentation. Ils sont soumis à de nombreuses perturbations parmi lesquelles le réchauffement climatique, les migrations d’espèces invasives, l’acidification des océans, l’exploitation d’espèces consommables par les êtres humains, et d’autres encore. Ces perturbations modifient la distribution spatiale et temporelle des espèces, avec notamment des risques accrus d’extinction. Les modèles mathématiques sont alors des outils indispensables pour comprendre et mieux gérer ces écosystèmes.

2. L‘Organisation des Nations unies pour l alimentation et l agriculture (FAO) estime qu en 2021, plus de 35 % des espèces ciblées par la pêche sont surexploitées, contre environ 10 % en 1974.