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Belles de mer, les diatomées témoins et visionnaires

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Belles de mer, les diatomées témoins et visionnaires

Pourquoi les diatomées intéressent-elles tant les scientifiques ? Damien Cardinal, professeur au Laboratoire d'océanographie et du climat : expérimentations et approches numériques (LOCEAN, UPMC/CNRS/MNHN/IRD) s’intéresse à ces microalgues unicellulaires planctoniques qui, par voie de photosynthèse, jouent un rôle majeur dans le cycle du carbone.

 

Qu’est-ce qu’une diatomée ? Où en trouve-t-on ?

Damien Cardinal. Les diatomées sont l'un des principaux constituants du phytoplancton et participent à la production de carbone organique à partir de dioxyde de carbone (CO2, gaz à effet de serre). Parées d’une coquille de « verre » (l’opale dont la base est en silicium), elles sont présentes dans tous les milieux aquatiques (rivières, lacs, océans et même dans la banquise…) voire majoritaires dans les écosystèmes polaires (océan Austral) et côtiers.

 

Fragilariopsis kerguelensis. Diatomée prélevée au large de la Terre Adélie (Océan austral). Photographie au microscope électronique à balayage du service commun des sciences de la Terre de l'UPMC. © Omar Boudouma et Ivia Closset, UPMC

 

Deux valves de Chaetocoeros criophilus. Diatomée prélevée au large de la Terre Adélie (Océan austral). Photographie au microscope électronique à balayage du service commun des sciences de la Terre de l'UPMC. © Omar Boudouma et Ivia Closset, UPMC

 

Corethron criophilum. Diatomée prélevée au large de la Terre Adélie (Océan austral). Photographie au microscope électronique à balayage du service commun des sciences de la Terre de l'UPMC. © Omar Boudouma et Ivia Closset, UPMC

 

Eucampia antarctica. Diatomée prélevée au large de la Terre Adélie (Océan austral). Photographie au microscope électronique à balayage du service commun des sciences de la Terre de l'UPMC. © Omar Boudouma et Ivia Closset, UPMC

 

Cycle du silicium et cycle du carbone, lequel prime sur l’autre ?

D. C. En réalité, les deux sont imbriqués. Le silicium est l’élément non volatil le plus abondant sur Terre. Il est un élément majeur des roches et est utilisé dans la vie courante notamment comme composant du verre (sous forme de silice), il est indispensable à la croissance des diatomées. Le silicium a un double lien avec le cycle du carbone. Un lien géologique, d’abord. Les roches se transforment, changent de composition chimique et sont dissoutes partiellement sous l’effet de l’eau et du dioxyde de carbone atmosphérique qui est acide. Une partie du carbone en résultant sédimente et est transporté vers les profondeurs.

 

Un lien biologique, ensuite. La photosynthèse par les diatomées en surface des océans donne lieu à la formation de frustules, petites coquilles en opale (oxyde de silicium amorphe), que l’on va retrouver sous forme de microfossiles dans les sédiments. Lors de leur sédimentation dans l’océan profond, elles vont entrainer avec elles du carbone qui constituait leur tissu organique : c’est la pompe à carbone biologique qui contribue à stocker dans l’océan profond une partie des émissions de CO2 dues aux activités humaines. L’étude des grands cycles biogéochimiques permet de reconstituer l’histoire du silicium à l’échelle de l’océan, d’en connaître la provenance et de comprendre les mécanismes de transport (par voie biologique ou physique via les mouvements océaniques) et son lien avec le cycle du carbone.

 

Êtes-vous plutôt terrain ou paillasse ?

D. C. Lors des campagnes qui durent de un à deux mois, nous effectuons des prélèvements sur toute la colonne d’eau, de la surface jusqu’au fond. Des pompes in situ qui filtrent plusieurs centaines de litres d’eau en profondeur jusqu’à 4.000 m, nous aident à récupérer ces algues mortes en train de sédimenter et qui sont beaucoup moins abondantes que celles, vivantes, de surface.

 

Prélèvement de sédiment d’interface sur un carottier multi-tubes (campagne Bonus-GoodHope, Océan austral, janvier 2008). © Damien Cardinal, UPMC

 

Les carottes de sédiment (campagne Bonus-GoodHope, Océan austral, janvier 2008). © Damien Cardinal, UPMC

 

Pompe in situ prête à être immergée (campagne Bonus-GoodHope, Océan austral, janvier 2008). © Damien Cardinal, UPMC

 

Vient ensuite le temps de l’analyse qui dure de six mois à deux ans puisque nous effectuons des analyses chimiques délicates et qui couvre en réalité un champ disciplinaire très vaste et transverse. La cartographie chimique de l’océan et les méthodes de traçage et de mesures de compositions isotopiques servent à différencier les sources de silicium (selon la profondeur, selon l’origine du bassin géologique) et à suivre la circulation océanique des masses d’eau.

 

L’étude des processus aux interfaces océaniques (c’est le cas des îles Kerguelen qui forment un plateau continental au milieu de l’océan austral) permet de calibrer les outils paléoclimatiques et paléocéanographiques. Les biologistes font des comptages en fonction des espèces, les outils géochimiques sont appliqués sur la surface de l’océan jusqu’aux eaux de fond ou sur des carottes sédimentaires pour des interprétations en paléoenvironnement.

 

Utilisez-vous les observations satellitaires ?

D. C. Les images satellitaires sont très utiles pour une vision globale de la photosynthèse de surface ou pour déterminer des courants mais elles n’apportent des informations que sur la couche de surface (10 m), alors que la production photosynthétique peut s’étendre jusqu’à 50 voire 100 mètres. On rate donc une partie de l’information. La couverture nuageuse peut également brouiller les images, notamment dans les zones polaires où il y a moins de passage de satellites. On obtient des images globales de la surface pas forcément exhaustives ni représentatives de la réalité.

 

En quoi consiste la campagne Keops-2 ?

D. C. Stéphane Blain, professeur au Laboratoire d'océanographie microbienne (LOMIC, UPMC/CNRS) à Banyuls a dirigé la campagne Keops-2 en 2012 avec Bernard Quéguiner, professeur à Aix-Marseille Université. Objectifs : mieux comprendre le fonctionnement de la pompe biologique de CO2 dans l’océan Austral.

 

L’océan Austral qui entoure le continent Antarctique est, d’un point de vue physique, le rond-point de la circulation océanographique mondiale. Les eaux circulent aux grandes échelles de temps (1000-1500 ans) en trois dimensions dans l’océan (surface - fond, nord-sud et est-ouest). C’est dans l’océan austral que se connectent les océans Atlantique, Pacifique et Indien selon une circulation circumpolaire vers l’est.

 

Or, dans cette région, l’écosystème est comme « anémié » car il manque de fer. Le fer essentiellement apporté par des poussières continentales se dissout très lentement dans l’océan. Le seul continent à proximité est l’Antarctique couvert de glace qui n’apporte donc pas de poussière. En revanche les teneurs en nutriments (silicium, nitrates) y sont très élevées avec des gradients de température et de luminosité très contrastés. Mais ces nutriments ne peuvent pas être utilisés par les algues photosynthétiques car elles ont aussi besoin de fer et de lumière. Ainsi la photosynthèse suit un processus très différent.

 

Autour des îles antarctiques Kerguelen, l’activité biologique principalement contrôlée par des diatomées est beaucoup plus intense du fait d’un apport en fer plus important du plateau continental. On voit très nettement un puits de carbone lié à l’activité photosynthétique.

 

La mission, qui a rassemblé une soixantaine de scientifiques venus de sept pays différents à bord du navire de recherche français Marion Dufresne II, a notamment permis de prélever de nombreux échantillons, de faire des mesures de CO2 et des mises en culture d’algues. Les échantillons concernant plus particulièrement les diatomées sont en cours d’acquisition et de traitement. Ces données permettront de mieux quantifier le rôle de ces algues dans le cycle du carbone dans l’océan austral. Les diatomées n’ont donc pas fini de nous étonner. Ces exceptionnelles archives de l’environnement nous offrent de précieuses clés de compréhension des écosystèmes marins actuels.

 

Pour en savoir plus :

  • Laboratoire d'océanographie et du climat : expérimentations et approches numériquesNouvelle fenêtre Nouvelle fenêtreKEOPS-2Nouvelle fenêtre (Kerguelen ocean and compared plateau study).
  • GEOTRACESNouvelle fenêtre est un programme scientifique international qui vise à établir une cartographie chimique de l’océan mondial afin de comprendre les interactions biologiques, physiques et chimiques dans l’océan et d’étudier l’impact du climat sur les cycles biogéochimiques.
  • IMBERNouvelle fenêtre est un programme international sur la sensibilité des écosystèmes et des cycles biogéochimiques aux changements globaux.
  • PAGESNouvelle fenêtre est un programme international sur les changements globaux passés.
  • Multiproxy Approach of the silicon and carbon cycles. Les chercheurs doivent maintenant se tourner vers de multiples sources de financement afin de pouvoir fonctionner. C’est particulièrement vrai pour les gros projets tels que KEOPS qui bénéficie en France de soutient de l’IPEV (Institut Polaire Paul-Émile VictorNouvelle fenêtre), de l’ANR (Agence Nationale pour la RechercheNouvelle fenêtre) et de l’INSU (Institut national des sciences de l’UniversNouvelle fenêtre). Mais cela ne suffit pas, mes travaux de recherche et ceux de mes doctorants bénéficient d’un soutien européen par le biais d’une bourse Marie Curie de réintégration intitulée MuSiCC, « Multiproxy Approach of the silicon and carbon cycles ».

À voir :

 

Diatomées accumulées dans les sédiments au large de la Terre Adélie. Diatom sediments Mertz © Marc de Rafélis, UPMC

 

Incubateur de phytoplancton sur le pont au large de Kerguelen (campagne KEOPS-2 au large des îles Kerguelen). © Ivia Closset, UPMC

 

Filtration de grands volumes d’eau de mer dans un laboratoire du Marion Dufresne (campagne KEOPS-2 au large des îles Kerguelen). © Ivia Closset, UPMC

 

Le Marion Dufresne aux Kerguelen (campagne KEOPS-2 au large des îles Kerguelen). © Ivia Closset, UPMC

 

Sous-échantillonnage de l’eau à partir de la rosette de prélèvement (campagne KEOPS-2 au large des îles Kerguelen). © Ivia Closset, UPMC

 

Filtration en série de petits volumes d’eau de mer (campagne KEOPS-2 au large des îles Kerguelen). © Ivia Closset, UPMC

 

Un filtre vert, donc plein de chlorophylle et probablement de diatomées. © Ivia Closset, UPMC



15/10/12