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Les algues microscopiques privilégient la photosynthèse plutôt que la calcification des coquilles en cas de baisse du CO2 océanique

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Une nouvelle étude pilotée par des chercheurs du Département de Géologie de l’Université d’Oviedo (Espagne) et du CEREGE (CNRS – Université d’Aix-Marseille – IRD / France) laisse supposer qu’un taux de CO2 atmosphérique élevé n’est pas forcément une mauvaise nouvelle pour les algues microscopiques que sont les coccolithophores. Cette recherche, publiée dans le journal Nature Communications le 14/01/2016, montre pour la première fois que l’épaisseur des coquilles de coccolithophores a diminué d’environ de moitié au cours des 10 derniers millions d’années. Étonnamment, cette diminution suit la baisse sur le long terme de la concentration de CO2 dans les océans ; pour les auteurs ceci suggère qu’une importante quantité de CO2 pourrait aider les coccolithophores à construire des coquilles plus épaisses, au moins sur les échelles temporelles de plusieurs millions d’années. En apportant des données nouvelles sur les changements passés dans le CO2, cette étude apporte également la preuve du lien étroit existant entre taux du CO2 et les climats chauds.

Les organismes marins qui fabriquent des coquilles de carbonate de calcium – des moules aux coraux en passant par les algues microscopiques – sont emblématiques de la vie dans l’océan et risquent d’être les premières victimes des changements climatiques. En effet, les océans absorbent des quantités toujours plus grandes du dioxyde de carbone (CO2) émis par les activités humaines, et s’acidifient à l’échelle globale. Cette acidification pourrait empêcher la formation des coquilles ou squelettes calcaires ou les amincir.

Coccolithophores cultivées en laboratoire, photographiés sur un filtre en cellulose avec un microscope à balayage électronique (MEB).
Crédit : Lorena Abrevaya (Univ. Oviedo)
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Crédit : Lorena Abrevaya (Univ. Oviedo)

Pour étudier les relations entre changements climatiques et organismes à coquilles calcaires, les chercheurs se sont intéressés aux coccolithophores, un groupe de minuscules algues unicellulaires du phytoplancton dont les coquilles fossiles s’accumulent au fond des océans constituant d’inestimables archives de l’histoire de la Terre. C’est à ces organismes que l’on doit les grandes falaises de craie de la côte normande. De même, l’étude de ces coquilles fossiles les aide à mieux comprendre comment ces organismes, à la base de la chaine alimentaire océanique, se sont adaptés aux changements de l’océan dans le passé géologique.

Pour cette nouvelle étude, les chercheurs ont extrait les minuscules coquilles fossiles de carottes sédimentaires prélevées dans l’océan Indien et dans l’océan Atlantique tropical. En mesurant la quantité de lumière passant à travers les coquilles avec un microscope spécialisé, ils ont déterminé l’épaisseur de chaque coquille. En combinant de telles mesures effectuées pour des milliers de coquilles, ils ont pu montrer que simultanément, dans les deux océans, les coquilles ont commencé s’amincir il y a environ 9 millions d’années. La synchronicité de ce changement dans deux zones considérablement éloignées indique qu’il est probable que la cause de l’amincissement des coquilles est due à un changement global de l’état de l’océan.

Pour comprendre les causes de ce changement global de l’épaisseur des coquilles, l’équipe a effectué des mesures géochimiques des coquilles et des résidus de matière grasse appelés alcénones, produite par les algues conservés dans les mêmes sédiments pendant des millions d’années. Les mesures de la chimie des alcénones témoignent de changements dans la concentration de CO2 dans l’océan, une ressource essentielle pour la croissance des algues. Les mesures des types de carbone dans les coquilles ont permis de montrer comment la cellule est capable de répartir le carbone prélevé de l’eau de mer entre les processus de calcification et de photosynthèse qui en consomment tous les deux. Ces résultats confirment que les coquilles se sont amincies alors que le CO2 global diminuait et que les coccolithophores se sont adaptées en détournant le carbone disponible vers la photosynthèse au détriment de la fabrication de la coquille. Ces résultats sont en accord avec une étude précédente datant de 2013 *, montrant qu’avec peu de CO2 ces algues s’adaptent en réduisant le carbone réservé pour la formation des coquilles.

En même temps, la démonstration d’une diminution du CO2 sur cette période de temps permet de mieux comprendre la sensibilité du climat aux variations de CO2 sur des échelles de temps longues dans le passé. Des preuves d’un fort refroidissement des océans au cours des 15 derniers millions d’années ont été accumulées par de nombreuses équipes de scientifiques au cours de la dernière décennie. En montrant clairement un important déclin de la concentration de CO2 dans l’océan dans cet intervalle de temps, les nouvelles données prouvent le lien suspecté par de nombreux scientifiques entre CO2 et climat sur cette période, et permettent d’expliquer le refroidissement. Les conditions chaudes et le haut niveau de la mer d’il y a 10 à 15 millions d’années, comparé à aujourd’hui, ont très probablement été causés par une plus forte concentration en CO2 atmosphérique à cette époque.

Le fait que les algues calcifiantes étudiées synthétisent des coquilles plus épaisses pendant les périodes pendant lesquelles le CO2 est élevé, ne signifie pas qu’il n’y a pas de danger pour tous les organismes calcifiants de l’océan. Les coccolithophores font figure d’exception parmi les organismes calcifiants océaniques : ce sont des plantes, et ont donc besoin de carbone à la fois pour la photosynthèse et pour la calcification. Les organismes calcifiants qui ne font pas de photosynthèse, comme les coraux, les huîtres et certains planctons (les foraminifères par exemple), répondront très probablement de manière spécifique pour la calcification et les adaptations potentielles à un fort taux de CO2. De plus, les vitesses de changement de la chimie des océans sont bien plus graduelles dans cette étude que celles des changements en cours et prédits pour les prochaines centaines d’années.

Les aimants : des pièges pour les requins bleus ?

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Dans un souci de préservation des requins peau bleue, une espèce aujourd’hui presque menacée d’extinction, des chercheurs de l’Institut méditerranéen d’océanographie (MIO/OSU Institut Pythéas, CNRS / AMU / IRD / UTLN) et de l’Institut de recherche sur les phénomènes hors équilibre (IRPHE, AMU / CNRS / École Centrale Marseille) se sont intéressés à l’utilisation d’aimants pour limiter leur prise au cours de la pêche à la palangre. Hélas ! Il s’avère que ces aimants attirent les requins peau bleue plutôt qu’ils ne les repoussent.

Fortement exploité depuis plusieurs années par rapport à son abondance dans l’Atlantique Nord, le requin peau bleue (Prionace glauca) est une espèce presque menacée d’extinction (statut IUCN 2013). Il constitue en effet l’une des principales prises de la pêche à la palangre 1 que mènent les armateurs espagnols et portugais dans l’Atlantique Nord, même lorsqu’il n’est pas l’espèce ciblée par les pêcheurs qui préféreraient trouver sur leurs hameçons, pour des raisons de rentabilité, des espadons ou des thons.

Requin peau bleue capturé par la palangre de surface en Atlantique Nord-Est
Crédit : Sébastien Biton Porsmoguer

Les requins sont dotés d’un organe électro-sensoriel appelé ampoules de Lorenzini, constitué d’un système complexe de capteurs reliés à des récepteurs positionnés autour de leur museau et de leur tête et capables de détecter les ondes électromagnétiques. Du fait que tout être vivant émet un faible champ magnétique, les requins peuvent ainsi localiser leurs proies.

Des chercheurs ayant remarqué de manière fortuite en laboratoire que leur requin cherchait à fuir un aimant placé près de lui, des tests ont été réalisés avec différentes espèces de requins. Il s’avère que ce comportement vis-à-vis des aimants n’est pas le même pour toutes les espèces. Qu’en est-il pour le requin peau bleue ? Ce requin ne pouvant vivre en captivité, son comportement n’a jamais été testé. Se pourrait-il que les aimants fassent fuir ces requins et puissent ainsi être utilisés dans la pêche à la palangre pour en limiter la prise ?

Position de l’aimant sur l’hameçon
Crédit : Christophe Almarcha

C’est à cette question que des chercheurs du MIO et de l’IRPHE ont cherché à répondre en testant pendant 3 jours, dans des conditions réelles de pêche à la palangre, l’effet de deux modèles d’aimants en néodyme, à haute résistance dans le temps et à puissance magnétique élevée, mais de taille différente. Un hameçon sur deux a été équipé d’un aimant. La palangre a été divisée en trois zones qui ont été plongées dans l’eau successivement, de manière à pouvoir étudier trois durées d’immersion.

Ces tests ont permis de montrer que, quelle que soit la durée d’immersion des hameçons, les captures de requins peau bleue étaient plus élevées au niveau des hameçons munis d’aimants qu’au niveau des hameçons sans aimant, et d’autant plus élevées que l’aimant utilisé était plus grand et donc plus puissant. Ainsi, les aimants auraient un effet attractif sur les requins peau bleue et leur utilisation dans la pêche à la palangre ne pourrait que les piéger !

En outre, les mesures physiques réalisées durant cette étude ont révélé un aspect pratique important à prendre en compte : à leur sortie de l´usine de fabrication, les hameçons sont déjà légèrement aimantés et pourraient donc attirer le requin peau bleue, même en l’absence d’aimant !

1. La palangre de surface est une ligne-mère de 50-90 km de long sur laquelle sont fixées des lignes dotées à leur extrémité d´un hameçon et d´un appât, qui est plongée dans l’eau à une profondeur de 20 m environ.

L’Arctique en pleine transformation

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Suite aux deux expéditions océanographiques menées en 2015 en Arctique dans le cadre du programme international GEOTRACES, des chercheurs de la Woods hole oceanographic institution (WHOI) et leurs collègues internationaux [1] ont mis en évidence que des quantités importantes de carbone et d’éléments traces en provenance des rivières et sédiments du plateau continental étaient apportées près du Pôle Nord par la dérive transpolaire, un important courant de surface. Associé au réchauffement climatique, cet apport de nutriments et contaminants pourrait modifier la productivité phytoplanctonique dans l’Arctique.

Les éléments traces, comme le fer, sont des nutriments essentiels à la vie océanique. Ils alimentent la croissance du phytoplancton, ces algues microscopiques qui constituent la base de la chaîne alimentaire marine. En général, plus de phytoplancton conduit à davantage de zooplancton (petits poissons et crustacés), qui peut ensuite être consommé par les prédateurs océaniques « supérieurs » comme les phoques et les baleines. Les contaminants, notamment le mercure, suivent le même chemin et des niveaux très élevés chez les animaux arctiques ont été retrouvés.

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Rencontre des brise-glaces FS Polarstern et USCGC Healy au Pôle Nord, le 7 septembre 2015.
Crédit : Stefan Hendricks, AWI

En 2015, les océanographes effectuant des recherches dans l’océan Arctique dans le cadre du programme international GEOTRACES ont trouvé des concentrations de carbone et d’éléments traces beaucoup plus élevées dans les eaux de surface situées près du Pôle Nord que dans celles situées de chaque côté de la dérive transpolaire, un important courant de surface capable de transporter, à travers l’océan Arctique en passant par le Pôle Nord, les eaux provenant du plateau continental sibérien.

Les nombreux éléments traces qui pénètrent dans l’océan mondial en provenance des rivières et des sédiments du plateau continental sont en général rapidement éliminés de la colonne d’eau. En revanche, les chercheurs ont mis en évidence que, dans l’océan Arctique, les éléments traces étaient liés à l’abondante quantité de matière organique issue des rivières, ce qui leur permettait d’être transportés par la dérive transpolaire jusqu’à l’Arctique central, à plus de 1 000 kilomètres de leurs sources.

Du fait du réchauffement climatique, les chercheurs s’attendent à ce que le dégel des sols conduise à une augmentation du ruissellement et donc de l’apport d’éléments traces auparavant piégés dans le pergélisol, ce qui pourrait entraîner une augmentation de la quantité de nutriments et contaminants atteignant le centre de l’océan Arctique. Or, à mesure que l’Arctique se réchauffe et que de grandes parties de l’océan se libèrent de la glace pendant de longues périodes, les algues marines deviennent plus productives. Un plus grand apport de nutriments pourrait donc alimenter encore davantage cette production d’algues.

Pour l’instant, si les chercheurs savent que la structure des écosystèmes marins est déterminée par la disponibilité des nutriments, ils ne peuvent dire exactement quels changements tout cela pourrait induire. Concernant le mercure, dont le cycle biogéochimique est étroitement lié à la photochimie et aux flux d’échanges importants à l’interface atmosphère – océan, de fortes modifications sont également attendues avec la disparition de la glace de mer en été.

Bien qu’une augmentation des nutriments puisse stimuler la productivité marine de l’Arctique, les chercheurs mettent en garde sur le fait que la perte continue de glace de mer aggrave le réchauffement climatique, ce qui aura un impact plus large sur les écosystèmes.

Voir en ligne : Le communiqué sur le site de l’INSU

Réconcilier l’histoire des vents et des pluies de la mousson au Miocène

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La mousson d’été est un phénomène climatique majeur en Asie du Sud, dont les origines et l’évolution passée restent débattues. Elle s’exprime aujourd’hui par de fortes pluies sur le continent pendant l’été, associées à des vents intenses qui remontent le long des côtes Est-africaines et génèrent des remontées d’eau froides dans l’océan côtier (upwelling) qui favorisent la production biologique. L’évolution de cette production biologique au cours du temps, déduite à partir de l’analyse de carottes sédimentaires prélevées du fond des océans, est utilisée pour comprendre l’évolution des vents de la mousson passée. Les informations issues des carottes indiquent la mise en place des vents de la mousson moderne y a environ 13 millions d’années. Toutefois, les enregistrements continentaux indiquent l’existence de pluies saisonnières et intenses, typiques de la mousson en Asie du Sud, depuis au moins 40 millions d’années.

A l’aide du modèle de Système-Terre français IPSL-CM5A2 et du modèle de biogéochimie océanique PISCES, récemment adaptés pour l’étude des paléoclimats, un panel de simulations numériques a permis d’évaluer le lien entre l’évolution des vents et des pluies de mousson, des upwelling et de la géographie au cours du Miocène (entre -23 et -5 millions d’années). Les résultats obtenus montrent que la chronologie de l’évolution des vents et des précipitations est contrôlée par l’histoire géologique de différents reliefs autour de l’océan Indien, et suggèrent que les chronologies discordantes enregistrées dans l’océan et sur les continents traduisent la mise en place en deux temps du système de mousson moderne. Ainsi, les pluies intenses et saisonnières qui existent depuis au moins 40 millions d’années sont modulées par la formation du relief dans la région himalayenne. La distribution actuelle des vents et les upwelling se mettent en place vers 13 millions d’années, en réponse à la formation de relief à l’Est de l’Afrique et dans la région de l’Iran, et à la fermeture du passage maritime reliant l’océan Indien à la mer Méditerranée (passage de la Tethys).

Simulations

Voir en ligne : L’actualité sur le site de l’INSU

Vers la présence d’une source de méthane dans l’océan d’Encelade ?

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Des chercheurs du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM, Aix-Marseille Université / CNRS) et de l’Institut Univers, Transport, Interfaces, Nanostructures, Atmosphère et environnement, Molécules (UTINAM, Université de Franche-Comté / CNRS) et, en collaboration avec des chercheurs du Southwest Research Institute (San Antonio, Etats-Unis), viennent de montrer que le méthane observé par la mission Cassini dans les geysers d’Encelade, un des principaux satellites de Saturne, pourrait provenir d’une source contemporaine localisée dans son océan caché. Ce résultat vient d’être publié dans la revue Geophysical Research Letters.

Les données de la mission NASA/ESA Cassini ont permis aux scientifiques de mieux comprendre les processus en œuvre à l’intérieur d’Encelade, une des lunes les plus intrigantes de Saturne. Pressenti comme étant un monde de glace à priori inactif, Encelade a créé la surprise en 2005 lorsque Cassini a montré, dans la région du pôle sud, la présence de geysers éjectant de la vapeur d’eau dans l’espace alimentant l’anneau E de Saturne en particules glacées. On pense désormais qu’Encelade abrite un océan d’eau liquide enfoui sous plusieurs dizaines de kilomètres de croûte de glace, et que les panaches proviennent de cet océan.

La sonde Cassini a effectué plusieurs survols à l’intérieur des panaches permettant, grâce à son spectromètre de masse, de déterminer la composition du mélange supposé provenir de l’océan. Des espèces volatiles telles que l’hydrogène, le dioxyde de carbone et le méthane, ont été détectées en plus de l’eau.

Une équipe de scientifiques Français et Américains a montré que dans les conditions de l’océan interne d’Encelade, des clathrates, une forme particulière de la glace d’eau contenant des gaz piégés dans des cages, pourraient se former et appauvrir l’océan en espèces volatiles.

Les résultats des simulations de l’équipe montrent qu’en particulier le méthane est très efficacement piégé dans les clathrates, et qu’il devient presque dix fois moins abondant dans l’océan que la valeur mesurée dans les geysers. Pour que Cassini puisse observer autant de méthane, celui-ci doit donc être ajouté dans l’océan par une source inconnue de manière encore plus rapide que sa séquestration ne le permet dans les clathrates.

Les implications sont particulièrement intéressantes étant donné que le méthane peut être produit par des réactions hydrothermales ou par des sources biogéniques. La possibilité d’une activité hydrothermale dans l’océan d’Encelade est notamment appuyée par la présence de nanoparticules de silicates dans les geysers détectées par Cassini. En outre, le fond de l’océan glacial de cette lune de Saturne pourrait aussi abriter des points chauds, avec des températures dépassant 100°C.

Une autre explication de la mesure de l’abondance du méthane par Cassini serait que les clathrates fassent partie du processus de formation des panaches : apportés par l’eau à des profondeurs plus faibles, ils ne peuvent plus exister en raison de la baisse de pression et se dissocient, libérant leur contenu et participant à la saturation de l’eau en gaz. De la même manière que le dioxyde de carbone fait sauter le bouchon d’une bouteille de Champagne, cette saturation en gaz ferait rejaillir l’eau en surface, qui continuerait son chemin vers l’espace jusqu’aux endroits où Cassini a réalisé ses prélèvements.

La mission Cassini, étendue jusqu’en 2017, continuera à effectuer des mesures de la composition des gaz présents dans les geysers d’Encelade. Ces mesures ultérieures permettront d’avoir une idée plus claire concernant les mécanismes de production de ces plumes et ainsi de mieux comprendre l’origine du méthane détecté.

Laboratoires impliqués :

LAM – Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (Aix-Marseille Université / CNRS) UTINAM – Univers, Transport, Interfaces, Nanostructures, Atmosphère et environnement, Molécules (Université de Franche-Comté / CNRS) Southwest Research Institute, San Antonio, Texas, USA University of Texas at San Antonio, USA

Impact biogéochimique et écologique des îles du Pacifique

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Dans les eaux pauvres du Pacifique tropical, les îles sont des sources de nutriments pour les algues photosynthétiques microscopiques, ou phytoplancton, des eaux alentour. Il en résulte un enrichissement en phytoplancton – un « bloom » – proche des îles, qui supporte les niveaux trophiques supérieurs, y compris les poissons qui sont essentiels à la survie des habitants des îles. Cet effet fertilisant, dit « effet d’île », se traduit par une augmentation de la concentration en chlorophylle (un indicateur de la biomasse phytoplanctonique) ce qui permet de l’identifier par observations satellitaires de couleur de l’eau. Les chercheurs ont développé un algorithme qui identifie automatiquement la zone enrichie par les îles à partir d’une carte de concentration en chlorophylle et l’ont appliqué à une base de données de toutes les îles du Pacifique. L’algorithme détecte des enrichissements saisonniers pour 99 % des îles, représentant 3 % de la surface du Pacifique tropical alors que les îles n’en représentent que 0.4 %. Les chercheurs ont quantifié les augmentations locales et à l’échelle du bassin de la chlorophylle et de la production primaire en comparant les eaux enrichies par effet d’île avec les eaux voisines. Ils ont aussi découvert, pour la première fois, des impacts significatifs sur la structure de la communauté phytoplanctonique et sur sa biodiversité, visibles dans les anomalies du signal de couleur de l’eau. Ces résultats suggèrent qu’en plus de forts impacts biogéochimiques locaux, les îles peuvent avoir des impacts écologiques encore plus importants.

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Effets d’île détectés à partir de données satellitaires de chlorophylle.

Les effets d’îles sont entourés en rouge, la couleur indiquant l’augmentation en chlorophylle à côté des îles (carte moyenne et agrandissements pour certains mois de l’année).

Crédit : MIO