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Dans les océans, l’intensité de la pompe biologique corrélée à l’abondance de certaines espèces planctoniques

Dans les océans, l’intensité de la pompe biologique corrélée à l’abondance de certaines espèces planctoniques

Le « réseau social » planctonique de la pompe à carbone biologique dévoile

L’océan est le plus important puits de carbone de la planète. Une équipe interdisciplinaire réunissant des océanographes, des biologistes et des informaticiens, principalement du CNRS, de l’UPMC, de l’Université de Nantes, du VIB, de l’EMBL et du CEA, vient de décrire le réseau d’organismes planctoniques impliqué dans ce puits de carbone. Le catalogue d’organismes planctoniques collectés durant l’expédition Tara Oceans livre ainsi peu à peu ses secrets : aujourd’hui, la première vision globale du réseau d’espèces liées à la pompe biologique des océans a mis en lumière de nouveaux acteurs et les principales fonctions bactériennes concernées dans ce processus. Elle a été obtenue en analysant des échantillons récoltés lors de l’expédition de la goélette Tara, dans des zones pauvres en nutriments, qui couvrent la plus grande partie des océans. Les scientifiques ont également démontré que la présence d’un petit nombre de gènes bactériens et viraux prédit la variabilité de l’export de carbone vers les profondeurs océaniques. Ces découvertes permettront notamment aux chercheurs de tester la robustesse de ce réseau face aux perturbations climatiques et les conséquences sur la pompe à carbone biologique. Publiés le 10 février 2016 sur le site de la revue Nature, ces travaux soulignent l’importance du plancton dans la machine climatique.

L’océan est le principal puits de carbone planétaire grâce à deux mécanismes principaux : la pompe physique, qui entraîne les eaux de surface chargées en gaz carbonique dissous vers des couches plus profondes où il se trouve isolé de l’atmosphère, et la pompe biologique. Cette dernière fixe du carbone, soit dans les tissus des organismes via la photosynthèse, soit dans les coquilles calcaires de certains micro-organismes. Une partie du carbone ainsi fixé sous forme de particules marines est par la suite entraînée en profondeur (on parle d’export de carbone) avant d’atteindre les grands fonds où elle sera stockée (on parle alors de séquestration). La pompe biologique est donc l’un des processus biologiques majeur permettant de séquestrer du carbone sur des échelles de temps géologiques.

Protistes et larves planctoniques. Ce plancton a été récolté au cours de l'expédition Tara. Le 5 septembre 2009 le bateau Tara est parti de Lorient pour une expédition de 3 ans sur tous les océans du monde, afin d'étudier la vie microscopique des océans.   UMR7009 Laboratoire de Biologie du développement de Villefranche-sur-Mer  20100001_0763

Protistes et larves planctoniques. Ce plancton a été récolté au cours de l’expédition Tara. Le 5 septembre 2009 le bateau Tara est parti de Lorient pour une expédition de 3 ans sur tous les océans du monde, afin d’étudier la vie microscopique des océans. UMR7009 Laboratoire de Biologie du développement de Villefranche-sur-Mer 20100001_0763

Ce processus largement étudié depuis les années 80 fait intervenir le plancton des océans. Ces êtres microscopiques d’une variété extraordinaire (le plancton comprend des virus, des bactéries, des eucaryotes1 uni- et multicellulaires) produisent la moitié de l’oxygène de notre planète et sont à la base de la chaîne alimentaire océanique qui nourrit les poissons et les mammifères marins. De nombreuses études ont mis en évidence que l’intensité de la pompe biologique est directement corrélée à l’abondance de certaines espèces planctoniques. Mais l’organisation des communautés impliquées dans le puits de carbone restait encore très largement méconnue.

En analysant des échantillons prélevés durant l’expédition Tara Oceans (2009-2013), une équipe interdisciplinaire réunissant des biologistes, des informaticiens et des océanographes, a levé le voile sur ces espèces planctoniques, leurs interactions et les principales fonctions associées à la pompe biologique dans les régions océaniques particulièrement “pauvres” en nutriments. Ces zones dominent dans les océans (plus de 70 %). Les chercheurs, principalement du CNRS, de l’UPMC, de l’Université de Nantes, du VIB, de l’EMBL et du CEA (cf. liste des laboratoires ci-dessous), se sont appuyés sur de précédents articles publiés dans Science le 22 mai 2015, notamment sur la première cartographie des interactions entre organismes planctoniques2. Grâce à des analyses informatiques, ils ont ainsi décrit le premier “réseau social planctonique” associé à l’export de carbone dans les régions “pauvres” en nutriments. De nombreux acteurs recensés, tels certaines algues photosynthétiques (en particulier des diatomées) ou des copépodes (ce sont des crevettes microscopiques), étaient déjà connus. Mais, l’implication de certains micro-organismes (parasites unicellulaires, cyanobactéries et virus) dans l’export du carbone était jusqu’alors largement sous-estimée.

Protistes planctoniques. Ce plancton a été récolté au cours de l'expédition Tara. Le 5 septembre 2009 le bateau Tara est parti de Lorient pour une expédition de 3 ans sur tous les océans du monde, afin d'étudier la vie microscopique des océans.   UMR7009 Laboratoire de Biologie du développement de Villefranche-sur-Mer  20100001_0765

Protistes planctoniques. Ce plancton a été récolté au cours de l’expédition Tara. Le 5 septembre 2009 le bateau Tara est parti de Lorient pour une expédition de 3 ans sur tous les océans du monde, afin d’étudier la vie microscopique des océans. UMR7009 Laboratoire de Biologie du développement de Villefranche-sur-Mer 20100001_0765

Allant plus loin, les chercheurs ont ensuite caractérisé un réseau de fonctions, cette fois-ci constitué à partir de l’analyse des gènes des bactéries et des virus. La base de données Tara Oceans a ainsi permis d’établir que l’abondance relative d’un petit nombre de gènes bactériens et viraux prédit une fraction significative de la variabilité de l’export de carbone vers les profondeurs océaniques. Une partie de ces gènes est impliquée dans la photosynthèse et le transport membranaire, favorisant, entre autres, la dégradation et la sédimentation de la matière organique. Cependant, la fonction de la majeure partie de ces gènes est encore inconnue.

Connaître la structure de ces réseaux et la fonction des gènes impliqués dans le cycle du carbone ouvre de nombreuses perspectives, notamment la possibilité de modéliser des processus biologiques impliqués dans le cycle du carbone au sein des océans. Il devrait ainsi être possible de tester la robustesse de ces réseaux dans différentes conditions climatiques et de mieux appréhender comment les différentes espèces planctoniques influencent le cycle du carbone et la régulation du climat. Un des objectifs à venir est de reproduire ce travail pour des régions océaniques riches en nutriments afin de compléter les réseaux planctoniques révélés et ainsi de mieux comprendre leurs dynamiques au niveau global. Pour disposer d’une vision complète de la pompe biologique à carbone, des travaux futurs devront être complétés par une approche intégrée de plus grande ampleur, notamment sur la mesure spatio-temporelle de la pompe elle-même (nature particulaire, répartition du carbone dans la colonne d’eau de la surface au fond de l’océan, saisonnalité du processus…).

Protistes divers collectés au cours de l'expédition Tara dans l'océan Indien. Le 5 septembre 2009 le bateau Tara est parti de Lorient pour une expédition de 3 ans sur tous les océans du monde, afin d'étudier la vie microscopique des océans.   UMR7009 Laboratoire de Biologie du développement de Villefranche-sur-Mer  20100001_0648

Protistes divers collectés au cours de l’expédition Tara dans l’océan Indien. Le 5 septembre 2009 le bateau Tara est parti de Lorient pour une expédition de 3 ans sur tous les océans du monde, afin d’étudier la vie microscopique des océans. UMR7009 Laboratoire de Biologie du développement de Villefranche-sur-Mer 20100001_0648

Notes :
1 Ce sont les organismes, uni- ou multi-cellulaires, dont le matériel génétique est compris dans un noyau (contrairement aux bactéries et aux archées).
2 Lima-Mendez G, Faust K, Henry N, Decelle J, Colin S, Carcillo F, et al. Top-down determinants of community structure in the global plankton interactome. Science. 2015; 348: 1262073-1262073. doi: 10.1126/science.1262073
Références :
Plankton networks driving carbon export in the oligotrophic ocean. Lionel Guidi, Samuel Chaffron, Lucie Bittner, Damien Eveillard, Abdelhalim Larhlimi, Simon Roux, Youssef Darzi, Stephane Audic, Léo Berline, Jennifer Brum, Luis Pedro Coelho, Julio Cesar Ignacio Espinoza, Shruti Malviya, Shinichi Sunagawa, Céline Dimier, Stefanie Kandels-Lewis, Marc Picheral, Julie Poulain, Sarah Searson, Tara Oceans coordinators, Lars Stemmann, Fabrice Not, Pascal Hingamp, Sabrina Speich, Mick Follows, Lee Karp-Boss, Emmanuel Boss, Hiroyuki Ogata, Stephane Pesant, Jean Weissenbach, Patrick Wincker, Silvia G. Acinas, Peer Bork, Colomban de Vargas, Daniele Iudicone, Matthew B. Sullivan, Jeroen Raes, Eric Karsenti, Chris Bowler, Gabriel Gorsky. Publié le 10 février 2016 sur le site de Nature.
DOI: 10.1038/nature16942

Biodiversité marine, à, l‘aube de l’exploration des mers et des océans…

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(Clione limacina. papillon situé aussi bien au pôle nord qu’au pôle sud)

 

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(Kiwa hirsuta kiwa. crabe « yéti » dans l’océan pacifique)

La biodiversité marine, qu’est-ce qui vit dans nos mers et nos océans ?

 

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(Chauliodus sloani. Poisson-vipère, il vit dans un quart des eaux mondiales)

Un programme de recensement de la biodiversité marine lancé en 2000 visant à établir un bilan complet des espèces, à répertorier les variétés vivant dans les profondeurs des abysses, le Census of marine life. Il aura fallu près de dix ans pour qu’enfin les premiers résultats aboutissent, les conclusions définitives ont été présentées en octobre 2010.

 

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(Chionodraco hamatus. Un poisson »glace » qui vit dans l’Antarctique)

De l’artique à l’Antartique, jusqu’à la mer Baltique et de la pointe sud de la Patagonie à l’océan Indien. Près de 2.700 scientifiques, de tout horizon, ont participé à ce programme colossal. Le recensement a consisté à sélectionner vingt-cinq régions marines du globe, zones de plaines et abyssales. Au cœur de ces zones, plusieurs parcelles significatives ont été inspectées.

Cette inspection a suscité différentes analyses par des prélèvements, génétiques et d’établir un détail méthodique représentatif des espèces rencontrées pour conjecturer tous ces éléments à la région. Parallèlement, toutes les espèces déjà connues ont été rassemblées. L’étude révèle «  la majeure partie des données était dispersée ou inutilisable en dehors d’un niveau très local, le recensement a amené de l’ordre dans le chaos » s’est expliqué Patricia Miloslavic, de l’Université Simon-Bolivar au Venezuela, responsable d’une des études régionales.

 

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(Megaleledone setebos. Pieuvre vivant dans les eaux australes)

Même si ce recensement doit parâtre le 4 octobre prochain plusieurs chiffres ont été communiqués. Près de 250.000 espèces ont été identifiées, hors flore microbienne marine. 5.600 espèces nouvelles relevées, les eaux canadiennes étant l’une des plus pauvres au nombre d’espèces contrairement aux eaux japonaises et australiennes les plus riches recensées.

La catégorie des espèces place les crustacés en tête du recensement, les mollusques et les poissons complètent les catégories suivantes. Cette classification n’est pas établie sur les critères d’abondance mais sur le nombre d’espèces identifiées.

 

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(Espèce du genre Neocyema pas encore baptisée, qui a été identifiée en Atlantique)

D’ailleurs le recensement a permis de révéler des situations de fondements inattendues. Comme la présence de plus de 235 espèces communes du pôle nord et sud, malgré la distance de 11.000 kilomètres qui les séparent. Comme la présence de variétés invasives dans la mer méditerranée, plus de 600, pour la plupart provenant de la mer rouge et donc par le canal de Suez. Comme l’existence d’une espèce rencontrée dans la plupart des régions concernées à plus de 2.000 mètres de profondeur, le poisson-vipère.

«  Pour chaque espèce décrite, il en existe au moins quatre autres qui n’ont pas encore été découvertes » expliquent les scientifiques du programme. Près de 70 % des espèces rencontrées dans les mers japonaise et près de 80 % dans les eaux australiennes sont inconnues à ce jour. Les profondeurs abyssales inconnues, y compris que la flore microbienne contenant à elle seule près d’un milliard de variétés. Et après ces dix années de recherches intensives, l’aperçu de l’océan se précise mais cet univers est si grand qu’il faudra bien de temps pour en comprendre les connaissances rigoureuses. Ce large territoire que sont les océans et les mers qui regorgent encore de mystères inconnus, nous sommes à l’aube de leur exploration…

 

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(Hydatinidae gen.sp. gastéropode identifié au lorges des eaux japonaises)

Le recensement a classé la vie océanique et maritime en une dizaine de grandes catégories. Les crustacés, dont les crabes, homards, crevettes, krills, etc… représentent 19 % des espèces, puis ensuite pour 17 % les mollusques dont les calmars, pieuvres, limaces, etc…, pour 12 % les poissons et requins, pour 10 % des espèces organiques comme les algues et les protozoaires 10 % aussi, ensuite pour 7 % les annélides, pour 5 % les cnidaires pour 3 % les plathelminthes et les échinodermes.

A noter que les espèces familières, telles que les baleines, oiseaux marins, phoques, tortues, morses ne dépassent pas les 2 % des espèces identifiées.

 

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(Pelagonemertes rollestoni. Ver identifié en Antarctique)

Près de 210 expéditions ont été menées dans les grands fonds abyssaux  des océans et étonnamment les scientifiques y ont recensé près de 17.650 espèces. La plupart ont été identifiées comme nouvelles espèces. Univers hostile et difficilement accessible, ils regorgent encore de profonds mystères. Selon les scientifiques, cet immensité à découvrir regorgerait d’au moins un million de nouvelles espèces.

Autre mystère, celui du recensement en Arctique et en Antarctique, 5.500 et 7.500 respectivement
plus de 235 sont communes, les scientifiques s’interrogent sur la présence de ces espèces dans deux zones opposées et distantes de 11.000 kilomètres. Lors de leurs recherches dans ces zones
polaires, les chercheurs ont constaté la migration de nombreuses espèces vers ses eaux froides.

 

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(Limacina helicina, escargot identifié au pôle nord et sud)

L’écosystème et l’immensité de l’univers microbien océanique renfermeraient par les analyses tous azimuts, micro-organismes marins, bactéries, archées, larves, zooplanctons une population proche du milliard ! Cette flore microbienne océanique constituerait près de 70 % de la biomasse marine.


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